碳化硅时代来临，各大供应商怎么看

各种汽车芯片越来越多地采用碳化硅 (SiC) 技术，大多数芯片制造商现在认为这是一个相对安全的赌注，争先恐后地将这种宽带隙技术推向主流。

碳化硅在许多汽车应用中有着广阔的前景，尤其是电动汽车。与硅相比，它可以延长每次充电的行驶里程，减少电池充电时间，可以通过更低的电池容量和更轻的重量提供相同的续航里程，为整体效率做出贡献。现在的挑战是降低制造这些器件的成本，这就是 SiC 晶圆厂从 6 英寸（150 毫米）晶圆迁移到 8 英寸（200 毫米）晶圆的原因。

“这些引人注目的好处正在导致电动汽车中大量采用 SiC，由于规模经济，这降低了 SiC 制造成本。”由美国能源部成立的 PowerAmerica 美国制造研究所的执行董事兼首席技术官 Victor Veliadis 表示， “这是 SiC 制造商关注的主要规模应用，它正在推动他们的制造扩张。这也是许多新人进入 SiC 领域的原因，也是我们看到电动汽车Design-win的激烈竞争的原因。”

据管理 PowerAmerica 的北卡罗来纳州立大学电气工程教授 Veliadis 称，碳化硅正进入多个电动汽车系统中，包括牵引逆变器、DC-DC 转换器和车载充电器。

“高压碳化硅功率器件也是实现快速充电基础设施的关键，这将消除电动汽车消费者广泛接受的最后一个主要障碍。”他说，“碳化硅在高电压下非常高效，可实现与传统汽车加油时间相仿的充电时间。”

Yole Développement 化合物半导体和新兴基板团队首席分析师 Ezgi Dogmus 指出，继特斯拉于 2017 年在其主逆变器中采用 SiC 之后，汽车已成为 SiC 的杀手级应用。 “从那时起，我们见证了几乎所有汽车制造商和一级供应商对 SiC 的兴趣。比亚迪、丰田和现代已经为他们的电动汽车车型选择了碳化硅，预计奥迪、通用、蔚来和大众也将效仿。”Dogmus 说，“随着 SiC 解决方案的Design-Win显着增加，我们预测 2020 年至 2026 年期间的前景一片光明。事实上，汽车市场无疑是最重要的驱动因素，因此，到 2026 年，汽车市场将占据 SiC 器件总市场份额的 60% 以上。”

除了电动汽车应用外，Dogmus 还看到了在充电基础设施中采用 SiC 的趋势，它可以提高效率并减小系统尺寸。此外，预计 2019 年至 2026 年间，碳化硅在轨道、电机驱动和光伏等应用中将以两位数的年复合增长率增长。

图 1：碳化硅市场细分和增长预测。资料来源：Yole Développement

碳化硅与氮化镓

与标准硅产品以及氮化镓 (GaN) 等其他宽带隙半导体相比，碳化硅在电力电子领域具有显着优势。

Dogmus 说：“硅 MOSFET 经历了渐进式增长和数十年的改进，已经接近其理论边界。从历史上看，这些 MOSFET 产品已足以满足其目标应用的需求。与此同时，碳化硅和氮化镓等创新宽禁带材料表现出的性能特性超过了硅基器件。”Dogmus 说。 “凭借高击穿电压、高开关速度和小尺寸，宽禁带材料是补充电力市场行业的最有前途的候选材料。此外，它们可以减少每个系统的无源元件数量，从而实现紧凑的设计。然而，与硅相比，这些材料仍然很昂贵。”

Infineon Technologies 高级总监兼高压转换产品营销主管 Robert Hermann 表示，从高层的角度来看，硅、碳化硅和氮化镓的定位很简单。 “与硅相比，碳化硅在高温、高功率和更高开关频率的组合方面是最强的。这与主逆变器和车载充电的衍生系统成本降低相吻合。”

氮化镓是另一种主要的宽禁带技术，具有更高的效率和改进的频率特性。 “与碳化硅相比，这两个因素将功率密度提高到更高的水平。”Hermann说，“但是，要释放这种好处，需要实现更大的系统更改，此外，还需要其他的半导体和无源产品。”

图 2：各种技术的优势。资料来源：英飞凌

不过，Yole 的 Dogmus 表示，就目前而言，SiC在电动汽车和大功率系统逆变器应用中的真正竞争是硅。 “对于碳化硅而言，其性价比在更高电压下很有吸引力。例如，在 800V 电池车辆中采用 1,200V SiC 器件将代表一个重要的市场机会。同时，GaN 将继续渗透到手机应用的快速充电市场。事实上，在较低功率下，与 SiC 相比，GaN 具有更好的成本效益。 GaN 还有望渗透到数据通信和电信电源市场，用于小于 3kW 的系统，以及电动汽车应用中的 OBC 和 DC-DC 转换器。”

图 3：碳化硅产品时间线。资料来源：英飞凌

碳化硅的优势大于壁垒

并非所有的测试和检验过程都已完全解决，汽车应用中对零缺陷的需求对任何新材料来说都是一个非常高的标准。但许多半导体制造商认为，这些问题可以相对较快地克服，并且仍然非常看好电动汽车中 SiC 芯片的前景。

“虽然 SiC 功率二极管已在商业上使用多年，但 SiC MOSFET 正在迅速改变 SiC 功率电子产品的市场格局。”罗姆半导体技术营销经理Ming Su说。“近期市场增长的主要驱动力之一是电动汽车电力系统。自从几年前汽车牵引逆变器首次采用 SiC MOSFET 技术以来，SiC 在能源效率和系统尺寸减小方面优于硅器件的优势已被汽车行业广泛接受。”

Su说，今天，几乎所有汽车OEM和电动汽车初创公司都已经采用了碳化硅，或者正处于产品设计阶段，将碳化硅用于电动汽车牵引逆变器和车载充电器中。 “碳化硅器件也已用于燃料电池汽车。使用碳化硅的其他汽车电源转换器包括将电池电压降低至 12V 或 48V 的 DC-DC 转换器，以及无线充电器。”

在欧盟和其他地区制定的二氧化碳排放限制等政府法规的推动下，电动汽车目前正在经历巨大的繁荣。英飞凌的 Hermann 表示：“人们保护环境的强烈愿望也强调了这一点，同时仍然具有有趣的驾驶体验。这意味着增加销量，走出一个大的利基市场，进入汽车生产大众市场的未来——并对OEM施加更大的定价压力。在这种情况下，碳化硅发挥着非常重要的作用，因为它支持电动汽车电源应用的各种趋势。”

反过来，这为OEM打开了一长串新选择，并为芯片制造商提供了同等数量的机会。

“与 IGBT 相比，碳化硅的一个技术优势是更高的能效。汽车逆变器可以很好地说明这一点，其中几个百分点直接转化为更长的里程或更小的电池。”Hermann说。 “随着功率损耗的降低，热管理得到简化。这意味着，尽管与 IGBT 相比，纯功率半导体成本更高，但 SiC 可显着降低系统成本。对于电动汽车购买者来说，公式很简单——以更低的成本获得更长的续航里程。”

碳化硅的效率还意味着更多的车内空间。 “碳化硅可以通过另一种应用，即车载充电器，直接为更多空间做出贡献。”Hermann说，“为了增加续航里程，电池容量会增加。这意味着车载充电的功率水平需要增加，否则不可能在一夜之间为电池充满电。此外，越来越多的应用需要双向充电，例如车辆到电网。如果没有设计和技术措施，车载充电器会变得很大，从而挤占车内的现有空间。使用碳化硅，不仅可以提高效率，还可以实现更高的开关频率。这导致更小的被动元件和较少的散热系统。事实上，我们相信碳化硅的功率密度可以比传统的硅基解决方案增加一倍，从而实现更好的设计目标并减小车载充电器的尺寸。”

汽车制造商正在转向 800V 直流总线，以增加车辆和各种应用的可用电量，而不会扩大电连接器的尺寸——这会给电动汽车增加不必要的重量和尺寸。对于这些应用，碳化硅比硅更有效，可以减少过多的热量损失。

“对于800V总线，额定电压为 1,200V 的 SiC MOSFET 是合适的设计选择，而不是使用 650V，后者是 400V 电池和系统的更合适选择。”意法半导体功率晶体管部门的战略营销、创新和关键项目经理 Filippo DiGiovanni 说，“这意味着配备 SiC 的逆变器本质上更高效，此外，碳化硅不那么严格的冷却要求是另一大优势。也可以使用 GaN 晶体管（或高电子迁移率晶体管，HEMT），因为它们在高电压应用中具有更明显效率优势，例如电动汽车中的牵引逆变器，但 SiC 比具有横向结构的 GaN耐高电压特性更好。”

Onsemi 电动汽车牵引电源副总裁兼总经理 Bret Zahn 表示，碳化硅是下一代半导体的关键材料，可为碳化硅功率开关器件提供技术优势，显着提高电动汽车、电动汽车充电和能源基础设施的系统效率。 “碳化硅功率模块是一个受欢迎的需求，但碳化硅裸片细分市场也在快速增长。”

更高的电压，更低的总成本

转向更高电压架构以进行快速充电对电动汽车具有广泛的影响。

Veliadis 说：“在高电压下，与硅同类产品相比，碳化硅的效率优势变得更加明显。 如今，几乎所有电动汽车制造商的设计都采用 400V，而硅在这方面极具竞争力。通过使用更高的电压——例如 800 到 1,000V——可以采用更细的导线，从而通过更轻的重量实现更快的充电，因为更高的电压意味着在相同的功率水平下电流更少。”

这有助于削减成本并使整个系统更高效。 “电动汽车客户希望看到与内燃机相当的定价。要到达这一目标需要做更多的工作，”他说。 “就电动汽车中 SiC 与硅的定价而言，当今 SiC 器件的较高成本被 SiC 优势带来的整体系统简化所抵消，包括更高的运行频率和降低的散热要求。此外，更高的 SiC 效率减少了电池的数量，这代表了电动汽车的显着成本。因此，总体而言，电动汽车中的碳化硅具有竞争力，并且比硅解决方案更便宜。大规模 SiC进入市场的主要壁垒是可靠性和坚固性问题，以及缺乏训练有素的开发者来实施这些技术。”

他补充说，由于快速充电需要更高的电压架构才能以更低的电流（从而降低重量、体积和布线成本）获得相同的功率，因此 SiC 的价值主张将变得更加明显。

为了推动这些技术的发展，OEM正变得更加垂直整合。这反过来又给一级和二级供应商带来了进一步降低成本的压力。它还有助于确保从晶圆到汽车电子供应商的不间断供应链，以满足更高需求。

这引发了对 SiC 领域的投资浪潮，包括一些并购活动。 “行业收购是一种趋势。”Veliadis 说，“为了让新进入者有效、及时地与在碳化硅技术领域拥有悠久历史的公司竞争，收购能够补充其专业知识的碳化硅公司可以带来协同效应并加快上市速度。”

举个例子：8 月，onsemi 宣布已达成最终协议，收购碳化硅 (SiC) 晶圆生长技术和衬底制造商 GT Advanced Technologies。

“如今 400V 电池电压很普遍，但从 2024 年开始，对 800V 电池系统的需求不断增长。”onsemi 的 Zahn 说，“这些系统可能会成为标准，因为它们通过提高密度和效率而不会在汽车内部和充电站上产生配电损耗或电缆尺寸增加，从而实现每次充电的更长行驶里程。在 800V 总线所需的 1,200V 额定电压下，SiC 相对于硅技术的优势更加明显。 SiC 可以在更高的开关频率下工作，并且可能在封装限制下实现更高温度的工作。鉴于特斯拉成功推出 SiC 以及对更高续航里程的需求，许多OEM都急切地推动实施 SiC 电动传动系统。”

结论

政府要求减少排放的压力，加上电动汽车的日益普及，正在将碳化硅和其他宽带隙材料推向前沿。然而，所有这一切都需要时间，到目前为止，碳化硅和氮化镓是在某些汽车应用中替代硅的主要候选材料。

在良率、缺陷和各种制造工艺方面，任何新材料都需要付出代价，但 SiC 有足够的优势，可以让OEM开始将其设计成电动汽车的各种组件。随着汽车行业将这项技术推向主流，对定价施加压力并解决晶圆厂可能出现的问题，碳化硅的使用量将会逐年成长。