新能源汽車，碳化硅器件加快替代硅基IGBT
發(fā)布時間：2021-07-01 12:00
近日，特斯拉發(fā)布了一款新車型——Model S Plaid。該車的創(chuàng)新之一是搭載了由碳化硅(SiC)為主要器件的逆變器。由于SiC MOSFET具有更好的耐高壓、高溫、高頻性能，加載到逆變器之中以后，幫助Model S Plaid成為目前全球加速最快的量產車型(0-100km/h加速僅需2.1秒)。除此之外，比亞迪·漢EV高性能四驅版本也搭載了SiC器件，為國內首款采用SiC技術的車型。蔚來計劃今年發(fā)布的純電轎車也將搭載采用SiC模塊的第二代電驅平臺。隨著越來越多新能源車型采用碳化硅器件，顯示出碳化硅對傳統(tǒng)車用硅基IGBT的替代已經逐漸展開，為碳化硅產業(yè)的發(fā)展展現出良好的前景。
碳化硅器件進入特斯拉、比亞迪新車型
特拉斯是全球率先采用碳化硅逆變器的車企。2018年特斯拉在Model 3上最主要的一項創(chuàng)新就是采用了意法半導體推出的650V SiC MOSFET逆變器。相比Model x等車型上采用的IGBT，SiC MOSFET能帶來5%～8%的逆變器效率提升，對電動車的續(xù)航能力有著顯著提升。2020年特拉斯推出Model Y，動力模塊后輪驅動也采用了SiC MOSFET。加上最新發(fā)布的Model S Plaid，至今特斯拉已有三款車型采用SiC技術。此舉也讓碳化硅成為了業(yè)界的關注焦點。
接受記者采訪時，意法半導體總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Marc Chery表示，電動汽車特別是與SiC相關的車用場景對改進逆變器、車載充電機和DC/DC變換器性能的要求十分強烈。英飛凌汽車業(yè)務部車輛運動應用營銷高級經理Naoki Hayashi也表示，與硅基IGBT相比，碳化硅可以提高5%～10%的電池使用率。
除了應用于新能源汽車之外，碳化硅器件在新能源發(fā)電、軌道交通、航天航空等領域也有著廣闊的發(fā)展?jié)摿?。此前由于成本問題、器件性能不穩(wěn)定，限制了碳化硅器件的應用，但隨著技術不斷改進，這些問題正在得到解決。
根據Cree公司的預測，SiC逆變器能夠提升5%～10%的續(xù)航能力，節(jié)省400-800美元的電池成本(80kWh電池、102美元/kWh)。相關機構研究也表明，雖然在一輛電動車上采用SiC會多花200～300美元，但整車成本可以節(jié)省2000美元，比如節(jié)省600美元電池成本、節(jié)省600美元汽車空間成本，以及節(jié)省1000美元散熱系統(tǒng)成本。
可以說，碳化硅對傳統(tǒng)硅基IGBT已經具有了替代的基礎。根據Yole預測，2020年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模約5億～6億美元，約占整個功率半導體器件市場份額的3%～4%，預計到2022年，碳化硅功率器件的市場規(guī)模有望超過10億美元。賽迪顧問則在報告中指出，目前第三代半導體材料已逐漸進入各汽車集團的主流供應鏈中，SiC襯底作為關鍵材料，將成為第三代半導體材料的布局熱點。
國際大廠全面進軍碳化硅產業(yè)
人們對碳化硅功率器件的研發(fā)始于20世紀90年代，由于其具有抗高壓、高溫、高頻，可適用于1200V以上的大電力領域等優(yōu)點，目前已經成為新型功率半導體器件研究開發(fā)的主流。國際主要功率半導體器件廠商均對碳化硅給予高度重視，以期搶抓產業(yè)發(fā)展的主導權。
意法半導體表示將大力發(fā)展碳化硅業(yè)務，并將其作為戰(zhàn)略和收入的關鍵部分的計劃。Jean-Marc Chery指出：“原材料和外延層方面是實現碳化硅技術發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。意法半導體兩年前收購了 Norstel公司，填補了6 英寸晶圓的制造技術。試驗結果證明，我們的產品技術性能高于競爭對手。最近，我們還交付了首個8英寸碳化硅晶圓，并計劃在8英寸碳化硅晶圓上率先制造測試二極管，進行MOSFET流片和測試。”。
英飛凌同樣布局碳化硅產業(yè)多年。英飛凌科技大中華區(qū)總裁蘇華指出，功率半導體的未來發(fā)展趨勢是碳化硅材料。早在1992年，英飛凌的前身西門子半導體部門就開始了對碳化硅的研究。2018年，英飛凌收購了碳化硅晶圓切割領域的新銳公司Siltectra。Siltectra的冷切割技術(Cold Spilt)相比傳統(tǒng)工藝可提高90%的生產效率。
美國碳化硅大廠科銳公司則于今年3月宣布完成出售旗下LED產品事業(yè)部門，加上2019年5月完成照明業(yè)務出售交易?？其J將完全成為一家以碳化硅和氮化鎵產品為主的第三代半導體公司，主要業(yè)務包括出售襯底、外延片、功率或射頻器件產品，并且提供氮化鎵射頻器件代工業(yè)務，囊括了寬禁帶半導體的所有環(huán)節(jié)。
根據CASA的統(tǒng)計，全球碳化硅器件領域主要廠商包括意法半導體、英飛凌、科銳、羅姆，四家合計占據90%的市場份額。
強化需求牽引，加快構建碳化硅產業(yè)生態(tài)
近年來，我國也積極展開對碳化硅產業(yè)的開發(fā)。6月23日，三安光電在湖南建設的半導體基地一期項目正式投產。項目達產后可形成月產3萬片6英寸碳化硅晶圓的生產能力。三安光電股份有限公司副董事長、總經理林科闖表示，湖南項目是三安光電向第三代半導體領域擴張的重要一步。項目總投資160億元，將打造國內首條、全球第三條碳化硅垂直整合產業(yè)鏈。5月31日，山東天岳遞交了科創(chuàng)板上市招股書，有望成為第一個科創(chuàng)板上市的碳化硅襯底材料企業(yè)。上市計劃募集資金20億元，用于碳化硅半導體材料項目的建設。
碳化硅產業(yè)鏈主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應用幾個環(huán)節(jié)。這幾個產業(yè)環(huán)節(jié)我國均有所布局。SiC襯底材料方面，天科合達、山東天岳、同光晶體等均能供應3英寸~6英寸的單晶襯底。SiC外延片方面，廈門瀚天天成與東莞天域生產3英寸~6英寸SiC外延片。器件方面，除三安光電外，華潤微的6英寸商用SiC產線也已經正式量產。
不過，中國工程院院士丁榮軍指出：“我國功率半導體產業(yè)經過長期自主創(chuàng)新，以晶閘管為代表的第一代、第二代器件達到了世界先進水平，IGBT主流器件的研發(fā)與產業(yè)化取得了不少突破，但以碳化硅、氮化鎵等為代表的第三代寬禁帶半導體技術研發(fā)起步較晚，技術發(fā)展趨勢認識模糊，人財物資源投入不足，仍落后于世界頂尖水平?！?/p>
丁榮軍建議應從幾個方面重點突破：一是通過資源整合，打造功率半導體國家級創(chuàng)新平臺，聯(lián)合政、產、學、研、用各環(huán)節(jié)既有資源，圍繞全產業(yè)鏈需求和痛點開展協(xié)同創(chuàng)新和公共服務，構建自主生態(tài)和協(xié)同創(chuàng)新體系。二是功率半導體作為技術密集、資金密集和人才密集型行業(yè)，前期投入大，回報周期長，投資風險大，需要政府給予相應的政策傾斜，支持并帶動社會各界持續(xù)投入資源，推動產業(yè)發(fā)展。三是國家出臺鼓勵自主創(chuàng)新的支持政策，加快功率半導體器件技術創(chuàng)新和國產化進程，營造鼓勵科技創(chuàng)新、支持自主研發(fā)的良好環(huán)境。四是強化需求牽引，政府、行業(yè)、用戶應持續(xù)加大自主功率半導體器件的推廣力度，大力支持自主功率半導體器件產品的采購應用。
（文章來源：中國電子報）