碳化硅在新能源汽車(chē)中的應用現狀與導入路徑

作者簡(jiǎn)介：陳東坡，中國科學(xué)院電氣工程研究所博士，高級工程師，研究領(lǐng)域包括第三代半導體、光伏、新型顯示、LED等泛半導體領(lǐng)域，擅長(cháng)產(chǎn)業(yè)與市場(chǎng)研究、技術(shù)路線(xiàn)研究、競爭對手分析、企業(yè)戰略規劃、投資價(jià)值分析。E-mail: 498542228@qq.com。

北京三安光電有限公司 副總經(jīng)理 陳東坡

1   使用優(yōu)勢

1.1 助力新能源汽車(chē)提升加速度

新能源汽車(chē)的加速性能與動(dòng)力系統輸出的最大功率和最大扭矩密切相關(guān)，碳化硅（SiC）技術(shù)允許驅動(dòng)電機在低轉速時(shí)承受更大輸入功率，且不怕電流過(guò)大導致的熱效應和功率損耗，這就意味著(zhù)車(chē)輛起步時(shí)，驅動(dòng)電機可以輸出更大扭矩，強化加速能力。特斯拉發(fā)布了全球現階段最快的量產(chǎn)車(chē)型，2.1 s 就可完成0 ～ 100 km 加速，速度超越了布加迪；而比亞迪漢采用SiC 模塊后，輸出功率可達200 kW，0 ～ 100 km 加速度僅為3.9 s[1-2]。

1.2 助力新能源汽車(chē)降低系統成本

雖然SiC 器件成本略高于硅基器件，但采用SiC器件實(shí)現了電池成本的大幅下降和續航里程的提升，從而有效降低了整車(chē)成本。數據顯示，在新能源汽車(chē)使用SiC MOSFET 的（90 ～ 350）kW 驅動(dòng)逆變器，使用SiC 器件增加的成本為75 ～ 200 美元（1 美元約為人民幣6.5 元），然而從電池、無(wú)源元器件、冷卻系統節省的成本在525 ～ 850 美元，系統性成本顯著(zhù)下降，相同里程條件下，采用SiC 逆變器單車(chē)可節省至少200 美元。

圖1 新能源汽車(chē)中使用SiC產(chǎn)品帶來(lái)的收益 來(lái)源：作者自己整理

1.3 助力新能源汽車(chē)增加續航里程

SiC 器件通過(guò)導通/ 開(kāi)關(guān)兩個(gè)維度降低損耗，從而實(shí)現增加電動(dòng)車(chē)續航里程的目的。SiC 的禁帶寬度（3.3eV）遠高于Si（1.1eV），可實(shí)現高濃度摻雜，導致漂移區寬度大幅縮短，在SiC MOS 器件導通時(shí)，正向壓降和導通損耗都小于Si-IGBT；同時(shí)，Si-IGBT 通常會(huì )集成快恢復二極管（FRD），關(guān)斷時(shí)存在反向恢復電流及拖尾電流，導致其開(kāi)關(guān)速度受到限制，造成較大的關(guān)斷損耗，而SiC-MOSFET 屬于單極器件，像一個(gè)剛性開(kāi)關(guān)，不存在拖尾電流；而且SiC 的載流子遷移率是Si 的3 倍左右，可以提供更快的開(kāi)關(guān)速度，以降低開(kāi)關(guān)損耗。結合英飛凌的研究數據，在25 ℃結溫下，SiC MOS 關(guān)斷損耗大約是Si-IGBT 的20%；在175 ℃的結溫下，SiC-MOS 關(guān)斷損耗僅為Si-IGBT 的10%。

1.4 助力新能源汽車(chē)實(shí)現輕量化

輕量化是整車(chē)廠(chǎng)的不懈追求，由于SiC 材料載流子遷移率高，能提供較高的電流密度，相同功率等級下封裝尺寸更小，以IPM 為例，SiC 功率模塊體積可縮小至硅功率模塊的2/3 ～ 1/3[3]。SiC 能夠實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)，減少濾波器和無(wú)源器件如變壓器、電容、電感等的使用，從而減少系統體系和重量；SiC 禁帶寬度寬且具有良好的熱導率，可以使器件工作于較高的環(huán)境溫度中，從而減少散熱器體積；同時(shí)SiC 可以降低開(kāi)關(guān)與導通損耗，使系統效率提升，同樣續航范圍內，可以減少電池容量，有助于車(chē)輛輕量化。以羅姆公司設計的SiC 逆變器為例，使用全SiC 模組后，主逆變器尺寸降低43%，重量降低6 kg（如圖2）。

圖2 電機控制器中使用SiC產(chǎn)品帶來(lái)的收益 來(lái)源：羅姆公司

2   應用現狀

2.1 相關(guān)企業(yè)正在加速布局

自從特斯拉推出Model3，首次采用以24 個(gè)SiCMOSFET 為功率模塊的逆變器后，這類(lèi)新型半導體材料越來(lái)越受重視，整車(chē)廠(chǎng)及Tier 1 積極引入SiC 功率半導體。據了解，比亞迪、北汽新能源、吉利汽車(chē)、上海大眾、尼桑在其部分車(chē)型中的OBC 和DC-DC 中使用了SiC 器件；比亞迪、特斯拉上海工廠(chǎng)、宇通客車(chē)、吉利汽車(chē)在電機控制器中使用了SiC 器件；傳統車(chē)企江淮汽車(chē)、紅旗、現代、本田、寶馬、奧迪以及造車(chē)新勢力如蔚來(lái)、小鵬、理想等企業(yè)即將在其主驅逆變器中采用SiC。除此之外，多家零部件供應商也發(fā)布了開(kāi)發(fā)、量產(chǎn)SiC 電驅動(dòng)系統的計劃，例如國外的博世、德?tīng)柛?、采埃孚、法雷奧，國內典型企業(yè)包括精進(jìn)電動(dòng)、上海電驅動(dòng)、緯湃科技等（如圖3）。

圖3 整車(chē)廠(chǎng)與tier1 導入SiC情況（部分企業(yè)） 來(lái)源：自己整理

2.2 市場(chǎng)滲透率目前仍然不高

SiC 芯片在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的應用前景被業(yè)界廣泛看好，目前，各汽車(chē)整車(chē)廠(chǎng)和供應商都開(kāi)始布局SiC 芯片的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。但從功率半導體市場(chǎng)占有率來(lái)看，硅基半導體產(chǎn)品在新能源汽車(chē)領(lǐng)域仍是主流，SiC 芯片的應用尚未普及。根據Yole 預測，SiC 電力電子器件2024 年在功率器件滲透率為9%（如圖4），SiC 芯片的市場(chǎng)份額短期內很難達到硅基半導體的水平^[4]，硅基方案和SiC 方案預計將在汽車(chē)領(lǐng)域長(cháng)期共存，來(lái)實(shí)現傳動(dòng)系統的最佳性?xún)r(jià)比。

2.3 國產(chǎn)化預期變得更為強烈

車(chē)規芯片中有40% 是功率半導體，單車(chē)平均價(jià)值在300 美元左右，該類(lèi)芯片在環(huán)境條件、可靠性、耐久性等指標方面均高于工業(yè)級和消費級半導體，導致開(kāi)發(fā)時(shí)間長(cháng)、難度大，技術(shù)壁壘高，國外廠(chǎng)商占據大部分市場(chǎng)份額，已成為我國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的“卡脖子”環(huán)節，而疫情、連續極端天氣則進(jìn)一步加劇了該類(lèi)芯片的危機，自2020 年末開(kāi)始，汽車(chē)行業(yè)面臨芯片斷供風(fēng)險。中國作為世界最大的新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)國深受汽車(chē)芯片短缺困擾，國內不少車(chē)企因此生產(chǎn)受阻，甚至停產(chǎn)減產(chǎn)。據悉，今年以來(lái)大眾、豐田、本田、通用、沃爾沃等企業(yè)都因芯片短缺出現過(guò)短暫停產(chǎn)，車(chē)規芯片國產(chǎn)化預期變得更為強烈，而國內汽車(chē)技術(shù)加速向電動(dòng)化發(fā)展，汽車(chē)電氣化程度逐步加深將導致SiC 量?jì)r(jià)齊升。

2.4 性?xún)r(jià)比與可靠性急需提升

SiC 行業(yè)發(fā)展的瓶頸主要在于SiC MOS 產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比目前比較低。價(jià)格方面，由于SiC 襯底生產(chǎn)效率低，成本比硅晶片高出許多，再加上后期外延、芯片制造及器件封裝的低成品率，導致SiC 器件價(jià)格居高不下，根據行業(yè)預測，目前批量化價(jià)格仍舊是硅基IGBT 的3~5 倍。產(chǎn)品性能方面，SiC MOS 制造工藝中高質(zhì)量、低界面態(tài)的柵界面調控技術(shù)還需加強，批量制造技術(shù)與成品率也需進(jìn)一步提升。同時(shí)，SiC MOS 真正落地的時(shí)間還非常短，從芯片和功率模塊設計到整車(chē)層面的應用驗證這一鏈條尚未打通，一些諸如短路耐受時(shí)間等技術(shù)指標沒(méi)有得到足夠多的驗證，而且國產(chǎn)SiC MOS 器件沒(méi)有裝車(chē)上路的數據，SiC MOS 在車(chē)載領(lǐng)域的穩定性和壽命等指標還需要時(shí)間與實(shí)踐驗證。

3   導入路徑

3.1 導入領(lǐng)域：從OBC導入過(guò)渡到電機控制器

SiC 功率器件主要用于控制器、OBC（車(chē)載充電機）和DC-DC 車(chē)載電源轉換器，其中，用于電機控制器的功率模塊是增長(cháng)空間最大的車(chē)用SiC 產(chǎn)品，預計占SiC 芯片市場(chǎng)的50% 左右。從導入時(shí)序來(lái)看，國外不少公司已在2018 年開(kāi)始將SiC 肖特基勢壘二極管和MOS 管用在OBC 上，SiC 在車(chē)載電源領(lǐng)域OBC和DC-DC 中的市場(chǎng)滲透率逐步提升，通過(guò)這些場(chǎng)景的應用帶動(dòng)SiC 產(chǎn)品技術(shù)成熟與成本下降，然后再滲透到可靠性要求更高的電機控制器，預計到2022 年以后才會(huì )出現SiC MOS 管的實(shí)質(zhì)性應用^[5-6]。

3.2 導入車(chē)型：長(cháng)續航里程電動(dòng)車(chē)最先導入

續航里程提升有助于推動(dòng)電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量增長(cháng)，新能源汽車(chē)企業(yè)普遍靠提高電池容量來(lái)增加續航里程，但受限于電池技術(shù)和成本，新能源汽車(chē)企業(yè)已很難再通過(guò)此方法顯著(zhù)提升續航，而在電機控制器中引入SiC技術(shù)成為一種有效路徑，這促使SiC 在長(cháng)續航新能源汽車(chē)市場(chǎng)加速滲透。據預測，續航里程大于500 km 的電機控制器中SiC 滲透率到2024 年預計達到100%；續航里程（400 ～ 500）km 的電機控制器預計在2023年開(kāi)始使用SiC，整體滲透率在40% 左右；續航里程400 km 以下車(chē)型的電機控制器將在2025 年以后使用SiC，整體滲透率將小于10%^[3]（如圖6）。

3.3 導入時(shí)間：預計到2025年之后才會(huì )爆發(fā)

隨著(zhù)SiC 產(chǎn)品性?xún)r(jià)比與可靠性提升，SiC 產(chǎn)品的滲透率穩步提高，國內外部分車(chē)企已開(kāi)始在電機控制器中導入SiC 產(chǎn)品，其中特斯拉推出的Model3，就采用了基于SiC MOSFET的功率控制模塊；比亞迪的“漢”也搭載了SiC MOSFET 功率控制模塊。目前，幾乎所有的新能源汽車(chē)企業(yè)都把SiC 電機控制器開(kāi)發(fā)列入到新項目開(kāi)發(fā)的時(shí)間表中，而應用SiC 模塊的車(chē)廠(chǎng)會(huì )越來(lái)越多。從全球市場(chǎng)來(lái)看，預估2025 年會(huì )成為SiC在新能源汽車(chē)市場(chǎng)的一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)，SiC 的供應有可能會(huì )進(jìn)入到全面供不應求的階段。

3.4 導入產(chǎn)品：從分立器件向全SiC模組過(guò)渡

SiC 功率器件包括二極管和晶體管，二極管通常以分立器件形式使用，也可以在混合模組或者全SiC模組中使用；晶體管也是以分立器件或者在全SiC 模組中使用^[4]。目前SiC功率器件市場(chǎng)仍由分立器件主導，二極管產(chǎn)品已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，并實(shí)現大規模商用，混合模組也已經(jīng)在一些應用中滲透，分立的晶體管和全SiC 還在進(jìn)一步研發(fā)和積極推廣之中，全SiC模組的研發(fā)與推廣預計將會(huì )花費更長(cháng)的時(shí)間，但全SiC 模組的市場(chǎng)會(huì )更大（如圖8）。

圖8 SiC產(chǎn)類(lèi)型 來(lái)源：Power SiC 2019：Materials，Devices and Applications

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）