碳化硅竞赛开始了

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半导体工程

2021 年 9 月 20 日

碳化硅（SiC）在各种汽车芯片中的应用日益广泛，目前已达到了一个临界点，大多数芯片制造商都认为这是一个相对安全的赌注，从而掀起了一场争夺战，力争将这种宽带隙技术推向主流。

碳化硅 在许多汽车应用中大有可为，尤其是电池电动汽车。与硅相比，它可以延长每次充电的行驶里程，缩短电池充电时间，并以更低的电池容量和更轻的重量提供相同的行驶里程，从而提高整体效率。目前的挑战是降低这些设备的制造成本，这也是碳化硅工厂从 6 英寸（150 毫米）晶圆向 8 英寸（200 毫米）晶圆迁移的原因。

"PowerAmerica美国制造研究所执行董事兼首席技术官Victor Veliadis表示："这些引人注目的优势正促使SiC在BEV中得到大规模应用，由于规模经济，SiC的制造成本也随之降低。"该研究所由美国能源部成立，旨在加速碳化硅和氮化镓电力电子器件的应用。这也是许多新进入者进入SiC领域的原因，也是我们看到BEV设计竞争激烈的原因"。

负责管理 PowerAmerica 公司的北卡罗来纳州立大学电气工程教授 Veliadis 表示，SiC 正在被应用到多个电动汽车系统中，包括牵引逆变器、直流-直流转换器和车载充电器。该技术还有助于缩短为电动汽车充电的时间。

"他说："高压碳化硅功率器件也是实现快速充电基础设施的关键，而快速充电基础设施将消除消费者广泛接受电动汽车的最后一个主要障碍。"他说："SiC 在高电压下具有很高的效率，可实现快速电池充电，其充电时间可与传统汽车加满油箱的时间相媲美。

Yole Développement公司化合物半导体和新兴基板团队首席分析师Ezgi Dogmus指出，继2017年特斯拉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，我们看到几乎所有的汽车制造商和一级供应商都对碳化硅产生了兴趣。比亚迪、丰田和现代已经为其电动车型选择了碳化硅，奥迪、通用、尼奥和大众预计也会跟进，"Dogmus 说。"随着SiC解决方案在设计中获胜的数量大幅增加，我们预测2020年至2026年期间的前景一片光明。事实上，汽车市场无疑是最主要的驱动力，因此在 2026 年将占据整个 SiC 器件市场份额的 60% 以上。"

除电动汽车应用外，Dogmus 还发现在充电基础设施中采用碳化硅的趋势，因为碳化硅可提高效率并缩小系统尺寸。此外，预计在 2019 年至 2026 年期间，SiC 在铁路、电机驱动和光伏等应用领域的复合年增长率将达到两位数。

碳化硅与氮化镓
与标准硅产品以及其他宽带隙半导体（如 氮化镓 (GaN)）相比，SiC 在电力电子产品中具有明显优势。

"硅 MOSFET 经历了几十年的逐步增长和改进，正在接近其理论极限，"Dogmus 说。"从历史上看，这些 MOSFET 产品足以满足其目标应用的需要。与此同时，SiC 和 GaN 等创新型宽带隙材料所表现出的性能特性超过了硅基器件，"Dogmus 说。"宽带隙材料具有击穿电压高、开关速度快、外形尺寸小等特点，是电力市场行业的理想补充材料。此外，它们还能减少每个系统的无源元件数量，从而实现紧凑型设计。然而，与硅相比，这些材料的成本仍然很高"。

其他人对此表示赞同。 英飞凌科技公司（Infineon Technologies）高级总监兼高压转换产品营销主管罗伯特-赫尔曼（Robert Hermann）认为，从高层次来看，硅、碳化硅和氮化镓的定位是简单明了的。"与硅相比，碳化硅在高温、高功率和更高开关频率方面的性能最强。这与主逆变器和车载充电的衍生系统成本降低相辅相成。"

氮化镓是另一种主要的宽带隙 技术，具有更高的效率和更好的频率特性。"与碳化硅相比，这两个因素将功率密度提高到了一个更高的水平，"Hermann 说。"然而，要发挥这一优势，需要实现更大的系统变革。此外，还应提供互补的半导体和无源产品。

Yole 公司的 Dogmus 说，目前，在电动汽车应用和大功率系统的逆变器中，SiC 的真正竞争对手是硅。"对于碳化硅来说，较高电压下的性价比很有吸引力。例如，在 800V 电池汽车中采用 1,200V SiC 器件将带来巨大的市场机遇。同时，氮化镓将继续渗透手机应用的快速充电市场。事实上，在较低的功率下，GaN 比 SiC 具有更高的成本效益。此外，GaN 还将渗透数据通信和电信电源市场中功率小于 3 千瓦的系统，以及电动汽车应用中的 OBC 和 DC-DC 转换器。

碳化硅的优势大于障碍
并非所有的测试和检验流程都已完全理顺，而且汽车应用中零缺陷的要求对任何新材料来说都是一个很高的门槛。但许多半导体制造商相信，这些问题可以较快地得到解决，并仍然非常看好碳化硅芯片在电动汽车中的应用前景。

"Rohm Semiconductor 技术营销经理 Ming Su 表示："虽然 SiC 功率二极管已投入商业应用多年，但 SiC MOSFET 却改变了游戏规则，迅速改变了 SiC 电力电子产品的市场格局。"电动汽车动力系统是近期市场增长的主要驱动力之一。自几年前 SiC MOSFET 技术首次应用于汽车牵引逆变器以来，SiC 相对于硅器件在提高能效和减小系统尺寸方面的优势已被汽车行业广泛接受。"

Su 表示，如今，几乎所有的汽车原始设备制造商和电动汽车初创企业都已采用 SiC，或正处于产品设计阶段，将在其电动汽车牵引逆变器和车载充电器中使用 SiC。"燃料电池汽车也采用了碳化硅器件。使用SiC的其他汽车电源转换器包括将电池电压降压至12V或48V的DC-DC转换器以及无线电池充电器。

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，电动汽车目前正处于蓬勃发展的阶段。"英飞凌的赫尔曼说："人们在享受驾驶乐趣的同时，也强烈希望保护环境。"这意味着产量的增加，汽车生产将走出小众市场，进入大众市场，并对原始设备制造商造成更大的价格压力。在这种情况下，碳化硅扮演着非常重要的角色，因为它支持电动汽车动力应用的各种趋势。"

这反过来又为原始设备制造商开辟了一长串新的选择，同时也为芯片制造商提供了同样多的机会。

"与 IGBT 相比，碳化硅的一个技术优势是能效更高。这一点在主要的汽车逆变器中得到了很好的诠释，几个百分点直接转化为更大的范围或和/或更小的电池，"Hermann 说。"随着功率损耗的降低，热管理也得到了简化。这意味着，虽然纯功率半导体成本比 IGBT 高，但 SiC 能显著降低系统成本。对于电动汽车买家来说，这个公式很简单--用更少的成本实现更长的续航里程。

碳化硅的效率还能为车内带来更多空间。"他说："碳化硅可以通过另一种应用--汽车车载充电--直接带来更多空间。"为了增加续航里程，电池容量需要增加。这意味着需要提高车载充电的功率水平，否则就不可能在一夜之间为电池充满电。此外，越来越多的使用案例需要双向充电，如车对电网。如果不采取设计和技术措施，车载充电器就会变得越来越大，占用车内现有空间。使用碳化硅不仅能提高效率，还能实现更高的开关频率。因此，无源元件的体积更小，冷却效果更好。事实上，我们相信，与传统的硅基解决方案相比，碳化硅的功率密度可以提高一倍，从而实现宏伟的设计目标，减小车载充电器的体积。

汽车制造商正在改用 800V 直流总线，以增加汽车和各种应用的可用功率，同时又不会扩大电气连接器的尺寸，因为这会增加电动汽车不必要的重量和尺寸。与硅相比，碳化硅在这些应用中的效率更高，可减少产生过多热量的损耗。

"意法半导体功率晶体管MACRO事业部战略营销、创新和关键项目经理Filippo DiGiovanni表示："因此，额定电压为1200V的SiC MOSFET是合适的设计选择，而不是650V，后者更适合400V电池和系统。"这意味着配备 SiC 的逆变器本质上具有更高的效率，从而使特定容量电池的驱动距离更长。此外，SiC 对冷却的要求较低，这也是另一大优势。GaN晶体管（或高电子迁移率晶体管，HEMT）也可用于更高的电压应用，如电动汽车中的牵引逆变器，因为其效率优势，但SiC比GaN更高效，GaN具有横向结构，不像SiC MOSFET那样容易允许高压。"

安森美公司副总裁兼电动汽车牵引电源模块业务部总经理 Bret Zahn 补充说："SiC 是下一代半导体的关键材料，可为 SiC 功率开关器件带来技术优势，显著提高电动汽车、电动汽车充电和能源基础设施的系统效率。"SiC功率模块很受欢迎，但SiC裸芯片领域也在快速增长"。

电压更高，总成本更低
采用更高的电压架构进行快速充电对 BEV 具有广泛的影响。

"Veliadis 说："在高电压下，碳化硅的效率优势与硅同类产品相比更加明显。"如今，几乎所有的 BEV 制造商都在 400V 电压下进行设计，而硅在 400V 电压下具有很强的竞争力。通过采用更高的电压（例如 800 到 1000V），可以实现更快的充电速度，同时由于导线更细，重量更轻，封装更好，因为在相同功率水平下，更高的电压意味着更小的电流安培数。

这有助于降低成本，提高整个系统的效率。"电动汽车客户希望看到与内燃机产品相当的价格。要达到这一目标，还需要做更多的工作，"他说。"关于 SiC 与硅在电动汽车中的价格比较，目前 SiC 器件较高的成本被 SiC 带来的整体系统简化优势所抵消，包括更高的工作频率和更低的冷却要求。此外，更高的碳化硅效率减少了电池数量，而电池是电动汽车的一项重要成本。因此，总体而言，SiC 在电动汽车中的应用是有竞争力的，其成本可能低于硅解决方案。大规模采用碳化硅电动汽车的主要障碍是可靠性和坚固性问题，以及缺乏训练有素的劳动力来实施这些技术。

他补充说，由于快速充电需要更高的电压架构，以便以更低的电流获得相同的功率（从而降低重量、体积和布线成本），因此碳化硅的价值主张将变得更加突出。

为了推动这些技术的发展，同时也为了提高效率，原始设备制造商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。这也有助于确保不间断的供应链，从最初的晶圆到制造设备，以满足高需求。

这引发了对碳化硅领域的投资热潮，包括一些并购活动。"行业并购是一种趋势，"Veliadis 说。"对于新进入者来说，要想有效、及时地与在碳化硅技术领域拥有悠久历史的公司竞争，收购与其专业技术相辅相成的碳化硅公司可以带来协同效应并加快产品上市速度。

例如：8 月份，onsmi 宣布已就收购碳化硅 (SiC) 晶体生长技术和基板制造商 GT Advanced Technologies 达成最终协议。

"如今，400V 电池电压已十分普遍，但从 2024 年开始生产的 800V 电池系统的需求也在不断增长，"onsemi 的 Zahn 说。"这些系统很可能会成为标准，因为它们通过提高密度和效率来实现更长的每次充电行驶里程，而不会产生配电损耗或增加车内和充电站的电缆尺寸。与硅技术相比，SiC 的优势在 800V 总线所需的 1200V 额定电压下更加明显。碳化硅可以在更高的开关频率下工作，并有可能在受封装限制的更高温度下工作。鉴于特斯拉对 SiC 的成功推广以及对更高续航里程的需求，许多原始设备制造商都在急切地推进 SiC 电力传动系统的实施。

结论
政府要求减少排放的压力，再加上 BEV 的日益普及，正推动碳化硅和其他宽带隙材料成为最重要的材料。不过这一切都需要时间，到目前为止，碳化硅和氮化镓是在某些汽车应用中取代硅的主要候选材料。

任何新材料都需要在产量、缺陷率和各种制造工艺方面付出代价，但碳化硅的优势足以让汽车制造商开始将其设计到电动汽车的各种部件中。随着汽车行业将碳化硅技术推向主流，碳化硅的使用量预计还会继续增长，这不仅会对价格造成压力，也会消除制造过程中可能出现的问题。