碳化硅在新能源汽車中的應(yīng)用現(xiàn)狀與導(dǎo)入路徑

作者簡(jiǎn)介：陳東坡，中國(guó)科學(xué)院電氣工程研究所博士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域包括第三代半導(dǎo)體、光伏、新型顯示、LED等泛半導(dǎo)體領(lǐng)域，擅長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)與市場(chǎng)研究、技術(shù)路線研究、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手分析、企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)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(shì)

1.1 助力新能源汽車提升加速度

新能源汽車的加速性能與動(dòng)力系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)承受更大輸入功率，且不怕電流過(guò)大導(dǎo)致的熱效應(yīng)和功率損耗，這就意味著車輛起步時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以輸出更大扭矩，強(qiáng)化加速能力。特斯拉發(fā)布了全球現(xiàn)階段最快的量產(chǎn)車型，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(dá)200 kW，0 ～ 100 km 加速度僅為3.9 s[1-2]。

1.2 助力新能源汽車降低系統(tǒng)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(xiàn)了電池成本的大幅下降和續(xù)航里程的提升，從而有效降低了整車成本。數(shù)據(jù)顯示，在新能源汽車使用SiC MOSFET 的（90 ～ 350）kW 驅(qū)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(tǒng)節(jié)省的成本在525 ～ 850 美元，系統(tǒng)性成本顯著下降，相同里程條件下，采用SiC 逆變器單車可節(jié)省至少200 美元。

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

1.3 助力新能源汽車增加續(xù)航里程

SiC 器件通過(guò)導(dǎo)通/ 開(kāi)關(guān)兩個(gè)維度降低損耗，從而實(shí)現(xiàn)增加電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的目的。SiC 的禁帶寬度（3.3eV）遠(yuǎn)高于Si（1.1eV），可實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜，導(dǎo)致漂移區(qū)寬度大幅縮短，在SiC MOS 器件導(dǎo)通時(shí)，正向壓降和導(dǎo)通損耗都小于Si-IGBT；同時(shí)，Si-IGBT 通常會(huì)集成快恢復(fù)二極管（FRD），關(guān)斷時(shí)存在反向恢復(fù)電流及拖尾電流，導(dǎo)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(jié)合英飛凌的研究數(shù)據(jù)，在25 ℃結(jié)溫下，SiC MOS 關(guān)斷損耗大約是Si-IGBT 的20%；在175 ℃的結(jié)溫下，SiC-MOS 關(guān)斷損耗僅為Si-IGBT 的10%。

1.4 助力新能源汽車實(shí)現(xiàn)輕量化

輕量化是整車廠的不懈追求，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(jí)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?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)體系和重量；SiC 禁帶寬度寬且具有良好的熱導(dǎo)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(dǎo)通損耗，使系統(tǒng)效率提升，同樣續(xù)航范圍內(nèi)，可以減少電池容量，有助于車輛輕量化。以羅姆公司設(shè)計(jì)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(jī)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(yīng)用現(xiàn)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，這類新型半導(dǎo)體材料越來(lái)越受重視，整車廠及Tier 1 積極引入SiC 功率半導(dǎo)體。據(jù)了解，比亞迪、北汽新能源、吉利汽車、上海大眾、尼桑在其部分車型中的OBC 和DC-DC 中使用了SiC 器件；比亞迪、特斯拉上海工廠、宇通客車、吉利汽車在電機(jī)控制器中使用了SiC 器件；傳統(tǒng)車企江淮汽車、紅旗、現(xiàn)代、本田、寶馬、奧迪以及造車新勢(shì)力如蔚來(lái)、小鵬、理想等企業(yè)即將在其主驅(qū)逆變器中采用SiC。除此之外，多家零部件供應(yīng)商也發(fā)布了開(kāi)發(fā)、量產(chǎn)SiC 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)劃，例如國(guó)外的博世、德?tīng)柛?、采埃孚、法雷奧，國(guó)內(nèi)典型企業(yè)包括精進(jìn)電動(dòng)、上海電驅(qū)動(dòng)、緯湃科技等（如圖3）。

圖3 整車廠與tier1 導(dǎo)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 芯片在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景被業(yè)界廣泛看好，目前，各汽車整車廠和供應(yīng)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(dǎo)體市場(chǎng)占有率來(lái)看，硅基半導(dǎo)體產(chǎn)品在新能源汽車領(lǐng)域仍是主流，SiC 芯片的應(yīng)用尚未普及。根據(jù)Yole 預(yù)測(cè)，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(nèi)很難達(dá)到硅基半導(dǎo)體的水平^[4]，硅基方案和SiC 方案預(yù)計(jì)將在汽車領(lǐng)域長(zhǎng)期共存，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的最佳性價(jià)比。

2.3 國(guó)產(chǎn)化預(yù)期變得更為強(qiáng)烈

車規(guī)芯片中有40% 是功率半導(dǎo)體，單車平均價(jià)值在300 美元左右，該類芯片在環(huán)境條件、可靠性、耐久性等指標(biāo)方面均高于工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)半導(dǎo)體，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、難度大，技術(shù)壁壘高，國(guó)外廠商占據(jù)大部分市場(chǎng)份額，已成為我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的“卡脖子”環(huán)節(jié)，而疫情、連續(xù)極端天氣則進(jìn)一步加劇了該類芯片的危機(jī)，自2020 年末開(kāi)始，汽車行業(yè)面臨芯片斷供風(fēng)險(xiǎn)。中國(guó)作為世界最大的新能源汽車產(chǎn)銷國(guó)深受汽車芯片短缺困擾，國(guó)內(nèi)不少車企因此生產(chǎn)受阻，甚至停產(chǎn)減產(chǎn)。據(jù)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(xiàn)過(guò)短暫停產(chǎn)，車規(guī)芯片國(guó)產(chǎn)化預(yù)期變得更為強(qiáng)烈，而國(guó)內(nèi)汽車技術(shù)加速向電動(dòng)化發(fā)展，汽車電氣化程度逐步加深將導(dǎo)致SiC 量?jī)r(jià)齊升。

2.4 性價(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)品的性價(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(dǎo)致SiC 器件價(jià)格居高不下，根據(jù)行業(yè)預(yù)測(cè)，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(diào)控技術(shù)還需加強(qiáng)，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(shè)計(jì)到整車層面的應(yīng)用驗(yàn)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(biāo)沒(méi)有得到足夠多的驗(yàn)證，而且國(guó)產(chǎn)SiC MOS 器件沒(méi)有裝車上路的數(shù)據(jù)，SiC MOS 在車載領(lǐng)域的穩(wěn)定性和壽命等指標(biāo)還需要時(shí)間與實(shí)踐驗(yàn)證。

3   導(dǎo)入路徑

3.1 導(dǎo)入領(lǐng)域：從OBC導(dǎo)入過(guò)渡到電機(jī)控制器

SiC 功率器件主要用于控制器、OBC（車載充電機(jī)）和DC-DC 車載電源轉(zhuǎn)換器，其中，用于電機(jī)控制器的功率模塊是增長(zhǎng)空間最大的車用SiC 產(chǎn)品，預(yù)計(jì)占SiC 芯片市場(chǎng)的50% 左右。從導(dǎo)入時(shí)序來(lái)看，國(guó)外不少公司已在2018 年開(kāi)始將SiC 肖特基勢(shì)壘二極管和MOS 管用在OBC 上，SiC 在車載電源領(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(yīng)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(jī)控制器，預(yù)計(jì)到2022 年以后才會(huì)出現(xiàn)SiC MOS 管的實(shí)質(zhì)性應(yīng)用^[5-6]。

3.2 導(dǎo)入車型：長(zhǎng)續(xù)航里程電動(dòng)車最先導(dǎo)入

續(xù)航里程提升有助于推動(dòng)電動(dòng)車銷量增長(zhǎng)，新能源汽車企業(yè)普遍靠提高電池容量來(lái)增加續(xù)航里程，但受限于電池技術(shù)和成本，新能源汽車企業(yè)已很難再通過(guò)此方法顯著提升續(xù)航，而在電機(jī)控制器中引入SiC技術(shù)成為一種有效路徑，這促使SiC 在長(zhǎng)續(xù)航新能源汽車市場(chǎng)加速滲透。據(jù)預(yù)測(cè)，續(xù)航里程大于500 km 的電機(jī)控制器中SiC 滲透率到2024 年預(yù)計(jì)達(dá)到100%；續(xù)航里程（400 ～ 500）km 的電機(jī)控制器預(yù)計(jì)在2023年開(kāi)始使用SiC，整體滲透率在40% 左右；續(xù)航里程400 km 以下車型的電機(jī)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(dǎo)入時(shí)間：預(yù)計(jì)到2025年之后才會(huì)爆發(fā)

隨著SiC 產(chǎn)品性價(jià)比與可靠性提升，SiC 產(chǎn)品的滲透率穩(wěn)步提高，國(guó)內(nèi)外部分車企已開(kāi)始在電機(jī)控制器中導(dǎo)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企業(yè)都把SiC 電機(jī)控制器開(kāi)發(fā)列入到新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的時(shí)間表中，而應(yīng)用SiC 模塊的車廠會(huì)越來(lái)越多。從全球市場(chǎng)來(lái)看，預(yù)估2025 年會(huì)成為SiC在新能源汽車市場(chǎng)的一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)，SiC 的供應(yīng)有可能會(huì)進(jìn)入到全面供不應(yīng)求的階段。

3.4 導(dǎo)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(dǎo)，二極管產(chǎn)品已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用，混合模組也已經(jīng)在一些應(yīng)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(yù)計(jì)將會(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)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)類型 來(lái)源：Power SiC 2019：Materials，Devices and Applications

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）