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各種汽車芯片越來越多地采用碳化硅 (SiC) 技術(shù)，大多數(shù)芯片制造商現(xiàn)在認(rèn)為這是一個(gè)相對安全的賭注，爭先恐后地將這種寬帶隙技術(shù)推向主流。
碳化硅在許多汽車應(yīng)用中有著廣闊的前景，尤其是電動(dòng)汽車。與硅相比，它可以延長每次充電的行駛里程，減少電池充電時(shí)間，可以通過更低的電池容量和更輕的重量提供相同的續(xù)航里程，為整體效率做出貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是降低制造這些器件的成本，這就是 SiC 晶圓廠從 6 英寸（150 毫米）晶圓遷移到 8 英寸（200 毫米）晶圓的原因。
“這些引人注目的好處正在導(dǎo)致電動(dòng)汽車中大量采用 SiC，由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)，這降低了 SiC 制造成本?！庇擅绹茉床砍闪⒌?PowerAmerica 美國制造研究所的執(zhí)行董事兼首席技術(shù)官 Victor Veliadis 表示， “這是 SiC 制造商關(guān)注的主要規(guī)模應(yīng)用，它正在推動(dòng)他們的制造擴(kuò)張。這也是許多新人進(jìn)入 SiC 領(lǐng)域的原因，也是我們看到電動(dòng)汽車Design-win的激烈競爭的原因?！?/p>
據(jù)管理 PowerAmerica 的北卡羅來納州立大學(xué)電氣工程教授 Veliadis 稱，碳化硅正進(jìn)入多個(gè)電動(dòng)汽車系統(tǒng)中，包括牽引逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器。
“高壓碳化硅功率器件也是實(shí)現(xiàn)快速充電基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵，這將消除電動(dòng)汽車消費(fèi)者廣泛接受的最后一個(gè)主要障礙?！彼f，“碳化硅在高電壓下非常高效，可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)汽車加油時(shí)間相仿的充電時(shí)間?！?/p>
Yole Développement 化合物半導(dǎo)體和新興基板團(tuán)隊(duì)首席分析師 Ezgi Dogmus 指出，繼特斯拉于 2017 年在其主逆變器中采用 SiC 之后，汽車已成為 SiC 的殺手級(jí)應(yīng)用。
“從那時(shí)起，我們見證了幾乎所有汽車制造商和一級(jí)供應(yīng)商對 SiC 的興趣。比亞迪、豐田和現(xiàn)代已經(jīng)為他們的電動(dòng)汽車車型選擇了碳化硅，預(yù)計(jì)奧迪、通用、蔚來和大眾也將效仿。”Dogmus 說，“隨著 SiC 解決方案的Design-Win顯著增加，我們預(yù)測 2020 年至 2026 年期間的前景一片光明。事實(shí)上，汽車市場無疑是最重要的驅(qū)動(dòng)因素，因此，到 2026 年，汽車市場將占據(jù) SiC 器件總市場份額的 60% 以上?！?/p>
除了電動(dòng)汽車應(yīng)用外，Dogmus 還看到了在充電基礎(chǔ)設(shè)施中采用 SiC 的趨勢，它可以提高效率并減小系統(tǒng)尺寸。此外，預(yù)計(jì) 2019 年至 2026 年間，碳化硅在軌道、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和光伏等應(yīng)用中將以兩位數(shù)的年復(fù)合增長率增長。
與標(biāo)準(zhǔn)硅產(chǎn)品以及氮化鎵 (GaN) 等其他寬帶隙半導(dǎo)體相比，碳化硅在電力電子領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢。
Dogmus 說：“硅 MOSFET 經(jīng)歷了漸進(jìn)式增長和數(shù)十年的改進(jìn)，已經(jīng)接近其理論邊界。從歷史上看，這些 MOSFET 產(chǎn)品已足以滿足其目標(biāo)應(yīng)用的需求。
與此同時(shí)，碳化硅和氮化鎵等創(chuàng)新寬禁帶材料表現(xiàn)出的性能特性超過了硅基器件。”Dogmus 說?！皯{借高擊穿電壓、高開關(guān)速度和小尺寸，寬禁帶材料是補(bǔ)充電力市場行業(yè)的最有前途的候選材料。此外，它們可以減少每個(gè)系統(tǒng)的無源元件數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)。然而，與硅相比，這些材料仍然很昂貴。”
Infineon Technologies 高級(jí)總監(jiān)兼高壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)品營銷主管 Robert Hermann表示，從高層的角度來看，硅、碳化硅和氮化鎵的定位很簡單?！芭c硅相比，碳化硅在高溫、高功率和更高開關(guān)頻率的組合方面是最強(qiáng)的。這與主逆變器和車載充電的衍生系統(tǒng)成本降低相吻合?！?/p>
氮化鎵是另一種主要的寬禁帶技術(shù)，具有更高的效率和改進(jìn)的頻率特性?！芭c碳化硅相比，這兩個(gè)因素將功率密度提高到更高的水平?！盚ermann說，“但是，要釋放這種好處，需要實(shí)現(xiàn)更大的系統(tǒng)更改，此外，還需要其他的半導(dǎo)體和無源產(chǎn)品?！?/p>
不過，Yole 的 Dogmus 表示，就目前而言，SiC在電動(dòng)汽車和大功率系統(tǒng)逆變器應(yīng)用中的真正競爭是硅。“對于碳化硅而言，其性價(jià)比在更高電壓下很有吸引力。
例如，在 800V 電池車輛中采用 1,200V SiC 器件將代表一個(gè)重要的市場機(jī)會(huì)。同時(shí)，GaN 將繼續(xù)滲透到手機(jī)應(yīng)用的快速充電市場。事實(shí)上，在較低功率下，與 SiC 相比，GaN 具有更好的成本效益。GaN 還有望滲透到數(shù)據(jù)通信和電信電源市場，用于小于 3kW 的系統(tǒng)，以及電動(dòng)汽車應(yīng)用中的 OBC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器?！?/p>
并非所有的測試和檢驗(yàn)過程都已完全解決，汽車應(yīng)用中對零缺陷的需求對任何新材料來說都是一個(gè)非常高的標(biāo)準(zhǔn)。但許多半導(dǎo)體制造商認(rèn)為，這些問題可以相對較快地克服，并且仍然非?？春秒妱?dòng)汽車中 SiC 芯片的前景。
“雖然 SiC 功率二極管已在商業(yè)上使用多年，但 SiC MOSFET 正在迅速改變 SiC 功率電子產(chǎn)品的市場格局?！绷_姆半導(dǎo)體技術(shù)營銷經(jīng)理Ming Su說?！敖谑袌鲈鲩L的主要驅(qū)動(dòng)力之一是電動(dòng)汽車電力系統(tǒng)。自從幾年前汽車牽引逆變器首次采用 SiC MOSFET 技術(shù)以來，SiC 在能源效率和系統(tǒng)尺寸減小方面優(yōu)于硅器件的優(yōu)勢已被汽車行業(yè)廣泛接受。”
Su說，今天，幾乎所有汽車OEM和電動(dòng)汽車初創(chuàng)公司都已經(jīng)采用了碳化硅，或者正處于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，將碳化硅用于電動(dòng)汽車牽引逆變器和車載充電器中。
“碳化硅器件也已用于燃料電池汽車。使用碳化硅的其他汽車電源轉(zhuǎn)換器包括將電池電壓降低至 12V 或 48V 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，以及無線充電器。”
在歐盟和其他地區(qū)制定的二氧化碳排放限制等政府法規(guī)的推動(dòng)下，電動(dòng)汽車目前正在經(jīng)歷巨大的繁榮。英飛凌的 Hermann 表示：“人們保護(hù)環(huán)境的強(qiáng)烈愿望也強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)，同時(shí)仍然具有有趣的駕駛體驗(yàn)。這意味著增加銷量，走出一個(gè)大的利基市場，進(jìn)入汽車生產(chǎn)大眾市場的未來——并對OEM施加更大的定價(jià)壓力。在這種情況下，碳化硅發(fā)揮著非常重要的作用，因?yàn)樗С蛛妱?dòng)汽車電源應(yīng)用的各種趨勢。”反過來，這為OEM打開了一長串新選擇，并為芯片制造商提供了同等數(shù)量的機(jī)會(huì)。
“與 IGBT 相比，碳化硅的一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢是更高的能效。汽車逆變器可以很好地說明這一點(diǎn)，其中幾個(gè)百分點(diǎn)直接轉(zhuǎn)化為更長的里程或更小的電池?！?/p>
Hermann說?！半S著功率損耗的降低，熱管理得到簡化。這意味著，盡管與 IGBT 相比，純功率半導(dǎo)體成本更高，但 SiC 可顯著降低系統(tǒng)成本。對于電動(dòng)汽車購買者來說，公式很簡單——以更低的成本獲得更長的續(xù)航里程。”
碳化硅的效率還意味著更多的車內(nèi)空間。“碳化硅可以通過另一種應(yīng)用，即車載充電器，直接為更多空間做出貢獻(xiàn)。”Hermann說，“為了增加續(xù)航里程，電池容量會(huì)增加。這意味著車載充電的功率水平需要增加，否則不可能在一夜之間為電池充滿電。此外，越來越多的應(yīng)用需要雙向充電，例如車輛到電網(wǎng)。如果沒有設(shè)計(jì)和技術(shù)措施，車載充電器會(huì)變得很大，從而擠占車內(nèi)的現(xiàn)有空間。使用碳化硅，不僅可以提高效率，還可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。這導(dǎo)致更小的被動(dòng)元件和較少的散熱系統(tǒng)。事實(shí)上，我們相信碳化硅的功率密度可以比傳統(tǒng)的硅基解決方案增加一倍，從而實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)計(jì)目標(biāo)并減小車載充電器的尺寸?！?/p>
汽車制造商正在轉(zhuǎn)向 800V 直流總線，以增加車輛和各種應(yīng)用的可用電量，而不會(huì)擴(kuò)大電連接器的尺寸——這會(huì)給電動(dòng)汽車增加不必要的重量和尺寸。對于這些應(yīng)用，碳化硅比硅更有效，可以減少過多的熱量損失。
“對于800V總線，額定電壓為 1,200V 的 SiC MOSFET 是合適的設(shè)計(jì)選擇，而不是使用 650V，后者是 400V 電池和系統(tǒng)的更合適選擇。”意法半導(dǎo)體功率晶體管部門的戰(zhàn)略營銷、創(chuàng)新和關(guān)鍵項(xiàng)目經(jīng)理 Filippo DiGiovanni 說，“這意味著配備 SiC 的逆變器本質(zhì)上更高效，此外，碳化硅不那么嚴(yán)格的冷卻要求是另一大優(yōu)勢。也可以使用 GaN 晶體管（或高電子遷移率晶體管，HEMT），因?yàn)樗鼈冊诟唠妷簯?yīng)用中具有更明顯效率優(yōu)勢，例如電動(dòng)汽車中的牽引逆變器，但 SiC 比具有橫向結(jié)構(gòu)的 GaN耐高電壓特性更好?！?/p>
Onsemi 電動(dòng)汽車牽引電源副總裁兼總經(jīng)理 Bret Zahn 表示，碳化硅是下一代半導(dǎo)體的關(guān)鍵材料，可為碳化硅功率開關(guān)器件提供技術(shù)優(yōu)勢，顯著提高電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車充電和能源基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)效率?！疤蓟韫β誓K是一個(gè)受歡迎的需求，但碳化硅裸片細(xì)分市場也在快速增長?！?/p>
轉(zhuǎn)向更高電壓架構(gòu)以進(jìn)行快速充電對電動(dòng)汽車具有廣泛的影響。
Veliadis 說：“在高電壓下，與硅同類產(chǎn)品相比，碳化硅的效率優(yōu)勢變得更加明顯。如今，幾乎所有電動(dòng)汽車制造商的設(shè)計(jì)都采用 400V，而硅在這方面極具競爭力。通過使用更高的電壓——例如 800 到 1,000V——可以采用更細(xì)的導(dǎo)線，從而通過更輕的重量實(shí)現(xiàn)更快的充電，因?yàn)楦叩碾妷阂馕吨谙嗤墓β仕较码娏鞲?。?/p>
這有助于削減成本并使整個(gè)系統(tǒng)更高效?！半妱?dòng)汽車客戶希望看到與內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)?shù)亩▋r(jià)。要到達(dá)這一目標(biāo)需要做更多的工作，”他說?！熬碗妱?dòng)汽車中 SiC 與硅的定價(jià)而言，當(dāng)今 SiC 器件的較高成本被 SiC 優(yōu)勢帶來的整體系統(tǒng)簡化所抵消，包括更高的運(yùn)行頻率和降低的散熱要求。此外，更高的 SiC 效率減少了電池的數(shù)量，這代表了電動(dòng)汽車的顯著成本。因此，總體而言，電動(dòng)汽車中的碳化硅具有競爭力，并且比硅解決方案更便宜。大規(guī)模 SiC進(jìn)入市場的主要壁壘是可靠性和堅(jiān)固性問題，以及缺乏訓(xùn)練有素的開發(fā)者來實(shí)施這些技術(shù)?！?/p>
他補(bǔ)充說，由于快速充電需要更高的電壓架構(gòu)才能以更低的電流（從而降低重量、體積和布線成本）獲得相同的功率，因此 SiC 的價(jià)值主張將變得更加明顯。為了推動(dòng)這些技術(shù)的發(fā)展，OEM正變得更加垂直整合。這反過來又給一級(jí)和二級(jí)供應(yīng)商帶來了進(jìn)一步降低成本的壓力。
它還有助于確保從晶圓到汽車電子供應(yīng)商的不間斷供應(yīng)鏈，以滿足更高需求。
這引發(fā)了對 SiC 領(lǐng)域的投資浪潮，包括一些并購活動(dòng)。“行業(yè)收購是一種趨勢?！盫eliadis 說，“為了讓新進(jìn)入者有效、及時(shí)地與在碳化硅技術(shù)領(lǐng)域擁有悠久歷史的公司競爭，收購能夠補(bǔ)充其專業(yè)知識(shí)的碳化硅公司可以帶來協(xié)同效應(yīng)并加快上市速度?！?/p>
舉個(gè)例子：2021年8 月，onsemi 宣布已達(dá)成最終協(xié)議，收購碳化硅 (SiC) 晶圓生長技術(shù)和襯底制造商 GT Advanced Technologies?！叭缃?400V 電池電壓很普遍，但從 2024 年開始，對 800V 電池系統(tǒng)的需求不斷增長?！眮碜詏nsemi 的 Zahn說，“這些系統(tǒng)可能會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^提高密度和效率而不會(huì)在汽車內(nèi)部和充電站上產(chǎn)生配電損耗或電纜尺寸增加，從而實(shí)現(xiàn)每次充電的更長行駛里程。在 800V 總線所需的 1,200V 額定電壓下，SiC 相對于硅技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯。SiC可以在更高的開關(guān)頻率下工作，并且可能在封裝限制下實(shí)現(xiàn)更高溫度的工作。鑒于特斯拉成功推出 SiC 以及對更高續(xù)航里程的需求，許多OEM都急切地推動(dòng)實(shí)施 SiC電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)?！?/p>
政府要求減少排放的壓力，加上電動(dòng)汽車的日益普及，正在將碳化硅和其他寬帶隙材料推向前沿。然而，所有這一切都需要時(shí)間，到目前為止，碳化硅和氮化鎵是在某些汽車應(yīng)用中替代硅的主要候選材料。
在良率、缺陷和各種制造工藝方面，任何新材料都需要付出代價(jià)，但 SiC 有足夠的優(yōu)勢，可以讓OEM開始將其設(shè)計(jì)成電動(dòng)汽車的各種組件。隨著汽車行業(yè)將這項(xiàng)技術(shù)推向主流，對定價(jià)施加壓力并解決晶圓廠可能出現(xiàn)的問題，碳化硅的使用量將會(huì)逐年成長。