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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)在認為這是一個相對安全的賭注，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。現(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)致電動汽車中大量采用 SiC，由于規(guī)模經(jīng)濟，這降低了 SiC 制造成本。”由美國能源部成立的 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，它正在推動他們的制造擴張。這也是許多新人進入 SiC 領(lǐng)域的原因，也是我們看到電動汽車Design-win的激烈競爭的原因。”
據(jù)管理 PowerAmerica 的北卡羅來納州立大學電氣工程教授 Veliadis 稱，碳化硅正進入多個電動汽車系統(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現(xiàn)快速充電基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵，這將消除電動汽車消費者廣泛接受的最后一個主要障礙。”他說，“碳化硅在高電壓下非常高效，可實現(xiàn)與傳統(tǒng)汽車加油時間相仿的充電時間。”
Yole Développement 化合物半導(dǎo)體和新興基板團隊首席分析師 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 的殺手級應(yīng)用。
“從那時起，我們見證了幾乎所有汽車制造商和一級供應(yīng)商對 SiC 的興趣。比亞迪、豐田和現(xiàn)代已經(jīng)為他們的電動汽車車型選擇了碳化硅，預(yù)計奧迪、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。事實上，汽車市場無疑是最重要的驅(qū)動因素，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。”
除了電動汽車應(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 2019 年至 2026 年間，碳化硅在軌道、電機驅(qū)動和光伏等應(yīng)用中將以兩位數(shù)的年復(fù)合增長率增長。
與標準硅產(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)歷了漸進式增長和數(shù)十年的改進，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應(yīng)用的需求。
與此同時，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。“憑借高擊穿電壓、高開關(guān)速度和小尺寸，寬禁帶材料是補充電力市場行業(yè)的最有前途的候選材料。此外，它們可以減少每個系統(tǒng)的無源元件數(shù)量，從而實現(xiàn)緊湊的設(shè)計。然而，與硅相比，這些材料仍然很昂貴。”
Infineon Technologies 高級總監(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。“與硅相比，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。”
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的頻率特性。“與碳化硅相比，這兩個因素將功率密度提高到更高的水平。”Hermann說，“但是，要釋放這種好處，需要實現(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。”
不過，Yole 的 Dogmus 表示，就目前而言，SiC在電動汽車和大功率系統(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 器件將代表一個重要的市場機會。同時，GaN 將繼續(xù)滲透到手機應(yīng)用的快速充電市場。事實上，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)，以及電動汽車應(yīng)用中的 OBC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。”
并非所有的測試和檢驗過程都已完全解決，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非常高的標準。但許多半導(dǎo)體制造商認為，這些問題可以相對較快地克服，并且仍然非常看好電動汽車中 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。”羅姆半導(dǎo)體技術(shù)營銷經(jīng)理Ming Su說。“近期市場增長的主要驅(qū)動力之一是電動汽車電力系統(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)計階段，將碳化硅用于電動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)的推動下，電動汽車目前正在經(jīng)歷巨大的繁榮。英飛凌的 Hermann 表示：“人們保護環(huán)境的強烈愿望也強調(diào)了這一點，同時仍然具有有趣的駕駛體驗。這意味著增加銷量，走出一個大的利基市場，進入汽車生產(chǎn)大眾市場的未來——并對OEM施加更大的定價壓力。在這種情況下，碳化硅發(fā)揮著非常重要的作用，因為它支持電動汽車電源應(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)量的機會。
“與 IGBT 相比，碳化硅的一個技術(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，其中幾個百分點直接轉(zhuǎn)化為更長的里程或更小的電池。”
Hermann說。“隨著功率損耗的降低，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。”Hermann說，“為了增加續(xù)航里程，電池容量會增加。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)計和技術(shù)措施，車載充電器會變得很大，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，還可以實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。這導(dǎo)致更小的被動元件和較少的散熱系統(tǒng)。事實上，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，從而實現(xiàn)更好的設(shè)計目標并減小車載充電器的尺寸。”
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，而不會擴大電連接器的尺寸——這會給電動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），因為它們在高電壓應(yīng)用中具有更明顯效率優(yōu)勢，例如電動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。”
Onsemi 電動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，顯著提高電動汽車、電動汽車充電和能源基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)效率。“碳化硅功率模塊是一個受歡迎的需求，但碳化硅裸片細分市場也在快速增長。”
轉(zhuǎn)向更高電壓架構(gòu)以進行快速充電對電動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，幾乎所有電動汽車制造商的設(shè)計都采用 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——可以采用更細的導(dǎo)線，從而通過更輕的重量實現(xiàn)更快的充電，因為更高的電壓意味著在相同的功率水平下電流更少。”
這有助于削減成本并使整個系統(tǒng)更高效。“電動汽車客戶希望看到與內(nèi)燃機相當?shù)亩▋r。要到達這一目標需要做更多的工作，”他說。“就電動汽車中 SiC 與硅的定價而言，當今 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，這代表了電動汽車的顯著成本。因此，總體而言，電動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進入市場的主要壁壘是可靠性和堅固性問題，以及缺乏訓(xùn)練有素的開發(fā)者來實施這些技術(shù)。”
他補充說，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 的價值主張將變得更加明顯。為了推動這些技術(shù)的發(fā)展，OEM正變得更加垂直整合。這反過來又給一級和二級供應(yīng)商帶來了進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。“行業(yè)收購是一種趨勢。”Veliadis 說，“為了讓新進入者有效、及時地與在碳化硅技術(shù)領(lǐng)域擁有悠久歷史的公司競爭，收購能夠補充其專業(yè)知識的碳化硅公司可以帶來協(xié)同效應(yīng)并加快上市速度。”
舉個例子：2021年8 月，onsemi 宣布已達成最終協(xié)議，收購碳化硅 (SiC) 晶圓生長技術(shù)和襯底制造商 GT Advanced Technologies。“如今 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。”來自onsemi 的 Zahn說，“這些系統(tǒng)可能會成為標準，因為它們通過提高密度和效率而不會在汽車內(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都急切地推動實施 SiC電動傳動系統(tǒng)。”
政府要求減少排放的壓力，加上電動汽車的日益普及，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，但 SiC 有足夠的優(yōu)勢，可以讓OEM開始將其設(shè)計成電動汽車的各種組件。隨著汽車行業(yè)將這項技術(shù)推向主流，對定價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逐年成長。