本周,，日本市調(diào)機構(gòu)Fuji Keizai指出,，因汽車/電子設(shè)備用需求大幅萎縮，拖累2020年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模年減3.8%,，其中硅（Si）制產(chǎn)品規(guī)模萎縮4.0%,，SiC等第三代化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品市場增長9.6%。
Fuji Keizai表示,，2020年功率半導(dǎo)體市場雖陷入萎縮,，不過自進入2021年以來，因車輛電子化,、5G通訊相關(guān)投資增加,，加上產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域需求回復(fù)，因此預(yù)估市場將轉(zhuǎn)趨擴大,，預(yù)估2030年市場規(guī)模將達4兆471億日元,、將較2020年成長44.3%，其中,，預(yù)估硅制產(chǎn)品市場規(guī)模將較2020年增長38.0%,。
Fuji Keizai表示，自2021年以后,，在汽車/電子設(shè)備需求加持下,，預(yù)估第三代化合物功率半導(dǎo)體市場將以每年近20%的速度增長，預(yù)估2030年市場規(guī)模將較2020年增長3.8倍。其中,，來自中國,、北美、歐洲的需求上升,，預(yù)估2030年SiC功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將擴大至1859億日元,、將較2020年增長2.8倍；GaN功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將較2020年飆增6.5倍,。
SiC 是制作高溫,、高頻、大功率,、高壓器件的理想材料之一，令其成為新能源汽車的理想選擇,。與傳統(tǒng)解決方案相比,，基于SiC的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕,，且結(jié)構(gòu)更緊湊,。
在電動汽車中，SiC功率半導(dǎo)體主要用于驅(qū)動和控制電機的逆變器,、車載充電器和快速充電樁,。對于逆變器而言，800V高壓運行架構(gòu)下的SiC功率半導(dǎo)體比傳統(tǒng)硅器件的整體系統(tǒng)效率高8%,。SiC功率半導(dǎo)體也使得散熱系統(tǒng)設(shè)計更簡單,，機電結(jié)構(gòu)的空間更小。對于車載充電和快速充電樁,，SiC功率半導(dǎo)體與傳統(tǒng)硅器件相比,，在充電過程中減少了能量損失，也減少了所需的電容和電感的數(shù)量,。
SiC比硅更薄,、更輕、更小巧,，市場應(yīng)用領(lǐng)域偏向1000V以上的中高壓范圍,。車用半導(dǎo)體中，SiC是未來趨勢,，目前,，xEV車中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+硅FRD為主，考慮到未來電動車需要更長的行駛里程,、更短的充電時間和更高的電池容量,，SiC基MOSFET將是大勢所趨。SiC有望提高3%-5%的逆變器效率，從而降低電池成本,。
SiC行業(yè)龍頭Cree預(yù)計到2022年,，SiC在電動車用市場空間將快速增長到24億美元，是2017年車用SiC整體收入（700萬美元）的342倍,。
目前來看,，車用功率半導(dǎo)體器件中，仍以硅基IGBT為主,，而SiC基MOSFET代表著未來,，因為它性能更強，但目前推廣的最大障礙就是高成本,。然而,，隨著整車動力電池包越來越大、電機最大功率/峰值扭矩越來越高,，SiC基MOSFET的優(yōu)勢就越顯著,。
要想充分發(fā)揮MOSFET的優(yōu)勢，就需要控制承壓層深度和摻雜濃度等技術(shù)參數(shù),，以獲得更高的工作電壓,、最大功率和綜合效率。目前,，SiC基MOSFET系統(tǒng)的綜合效率（以逆變器效率計算）約為98%,，在應(yīng)用層面，SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征優(yōu)勢,。
SiC 應(yīng)用到電動汽車的逆變器,、OBC、DC/DC時,，更低的阻抗可帶來更小的尺寸,，更高的工作頻率可以有效降低電感、電容等元器件的尺寸,，且更耐高溫,，可以減小冷卻系統(tǒng)的尺寸，最終帶來的是系統(tǒng)級的體積縮小和成本的降低,。
SiC用在車用逆變器上,，能夠大幅度降低逆變器尺寸和重量，做到輕量化與節(jié)能,。在相同功率等級下,，全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊，同時也可以使開關(guān)損耗降低75％（芯片溫度為150° C）,。在相同封裝下,，全SiC模塊具備更高的電流輸出能力,，支持逆變器達到更高功率。
特斯拉的Model 3采用了意法半導(dǎo)體和英飛凌的SiC逆變器,，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企,。2017年12月，羅姆為VENTURI車隊在電動汽車全球頂級賽事“FIAFormula E”錦標賽中提供了采用全SiC功率模塊制造的逆變器,，使逆變器尺寸下降了43%,，重量減輕了6kg。
逆變器已經(jīng)開始使用IGBT+SiC SBD的混合方案,，預(yù)計全SiC的逆變器將從2023年開始在主流豪華車品牌中量產(chǎn),。
據(jù)Cree測算，SiC逆變器能夠提升5-10%的續(xù)航,，節(jié)省400-800美元的電池成本（80kWh電池,、102美元/kWh），與新增200美元的SiC器件成本抵消后,，能夠?qū)崿F(xiàn)至少 200美元的單車成本下降,。據(jù)羅姆測算，到2026年,，幾乎所有搭載800V動力電池的車型采用SiC方案都將更具成本優(yōu)勢。
此外,，車載OBC和DC/DC,，已經(jīng)開始采用SiC器件，比如PFC電路中二極管切換改為了SiC SBD,，或者將OBC的DC/DC原邊電路MOSFET管改為SiC MOSFET,。全SiC方案也有望從 2021年開始量產(chǎn)。
新能源車的功率控制單元（PCU）是汽車電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng),，管理電池中的電能與電機之間的流向和傳遞速度,，傳統(tǒng)PCU使用硅基材料制成，強電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時的電能損耗是混合動力車最主要的電能損耗來源,，而使用SiC則可大大降低這一過程中的能量損失,。
將傳統(tǒng)PCU配備的硅二極管換成SiC二極管，硅IGBT換成SiC MOSFET,，就可以降低10%的總能量損耗,，同時也可以大幅降低器件尺寸，使車輛更為緊湊,。
SiC功率器件也在加速融入車載充電器領(lǐng)域,，已有多家廠商推出了面向HEV/EV等電動汽車充電器的SiC功率器件。據(jù)Yole統(tǒng)計,，這一市場在2023年之前可保持44%的增長速度,。
主要障礙
目前,，制約SiC功率器件大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙依然是成本，受制于上游晶圓產(chǎn)能不足,、晶圓缺陷面積較大等原因,，目前SiC功率器件的價格是硅的5-10倍。
成本問題主要源于低效的晶體生長過程,，傳統(tǒng)硅晶圓制作是將多晶硅在1500℃左右融化后,，將籽晶放入其中邊勻速旋轉(zhuǎn)邊向上提拉形成約2m的硅錠，再進行切割,、倒角,、拋光、蝕刻,、退火等操作,，然后形成晶圓。而SiC晶錠的制作比硅低效很多,，普遍采用PVT 法,，將固態(tài) SiC加熱至2500℃升華后，在溫度稍低的高質(zhì)量SiC籽晶上重新結(jié)晶而成,。
SiC晶圓的尺寸迭代與硅相比仍處于早期階段,，目前Cree、ST等主流廠商都已經(jīng)量產(chǎn)6英寸晶圓,，并同步進行8英寸的研發(fā),，計劃最早于2022年量產(chǎn)8英寸晶圓。單片8英寸晶圓芯片產(chǎn)量可達到6英寸的1.8倍,，但同時也面臨著缺陷密度變高等難題,。
不過，2022年有望成為SiC價格下降的轉(zhuǎn)折點,，因為主流豪華車品牌開始量產(chǎn)采用SiC方案的車型,，這將大幅提升Cree等襯底廠商8英寸線的產(chǎn)能利用率。到2025年,，SiC器件價格有望下降到當(dāng)前水平的1/4-1/3,，結(jié)合電池成本的節(jié)省，SiC的性價比將顯著提高,。
產(chǎn)業(yè)鏈愈加成熟
Cree一直在積極擴大其SiC襯底產(chǎn)能并將業(yè)務(wù)重心從LED向功率器件轉(zhuǎn)移,，成為大眾FAST（未來汽車供應(yīng)鏈）項目合作伙伴，和安森美簽署了多年期協(xié)議,，為其供應(yīng)6英寸襯底和外延片,，并擴大了和意法半導(dǎo)體的合作范圍，增加了訂單,。
其它廠商方面,，豐田和電裝,、富士、三菱合作開發(fā)SiC基MOSFET,，博世擬用其位于羅伊特林根的半導(dǎo)體制造廠生產(chǎn)SiC晶圓,。
日系廠商在SiC功率半導(dǎo)體方面具有較強實力，三菱電機,、富士電機,、東芝等3家廠商合計握有全球2成市占率。富士電機將投資約1200億日元擴增日本國內(nèi)外工廠產(chǎn)能,，增產(chǎn)功率半導(dǎo)體,；東芝計劃在2023年度結(jié)束前投資約800億日元，將功率半導(dǎo)體產(chǎn)能提高3成,。
此外,，Rohm也是一支重要力量，該公司在SiC功率半導(dǎo)體的研發(fā)上居于領(lǐng)先地位,，在全球SiC功率半導(dǎo)體市場占有2成市占率,，和英飛凌（Infineon）、STMicroelectronics并列為全球主要供貨商之一,。該公司計劃在今后5年內(nèi)投資600億日元,、將使用于EV的SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)能擴增至現(xiàn)在的5倍。而其產(chǎn)能擴增至5倍后,，全球市占率有望提高至3成,。Rohm生產(chǎn)的半導(dǎo)體材料已用于特斯拉的EV逆變器上。
在中國,，華為戰(zhàn)略投資了山東天岳,，北方華創(chuàng)向天岳批量供應(yīng)生產(chǎn)6英寸SiC晶圓的單晶爐,，可以控制產(chǎn)品缺陷情況,。此外，比亞迪也在進行SiC基功率半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)研發(fā),。
整車廠方面,，從特斯拉Model 3車型銷量反推，SiC基MOSFET單車價值約為1300美元,，考慮到能效提升對同等工況續(xù)航條件下動力電池用量的節(jié)約作用,，估計使用SiC基 MOSFET比硅基IGBT總成本提升100-150美元。
對于定位在10萬元及以下的車型來說,，使用SiC基MOSFET仍有一定成本壓力,；對于定位在30萬元及更高的車型而言，鑒于消費者對工況續(xù)航,、整車動力性的要求較高,，動力電池搭載量較大,，電機最大功率/峰值扭矩較高，SiC基MOSFET對整車極限性能的提升有很大幫助,。
目前來看,，Model 3是SiC基MOSFET在新能源汽車上應(yīng)用的成功案例，其電控系統(tǒng)共搭載了24個650V,、100A的SiC基MOSFET功率模塊,，每個模塊有兩個芯片并聯(lián)組成。
特斯拉在設(shè)計電控過程中,，充分考慮了回路電感對開關(guān)速度,、開關(guān)損耗、電氣可靠性和功率密度的影響,，使得以SiC基MOSFET為核心的高效電控系統(tǒng)成為整車低電耗的有力保障,。
Model 3是首款逆變器采用SiC功率器件的純電動車型，由ST定制,，耐壓650V,，由標準的三個半橋功率開關(guān)拓撲構(gòu)成，單橋臂由4顆單管的小模塊構(gòu)成,，每個模塊由兩個SiC die構(gòu)成,。
結(jié)語
隨著純電汽車的快速崛起，特別是諸多企業(yè)紛紛加入這一戰(zhàn)團,，使得市場規(guī)模本來就很大的汽車半導(dǎo)體市場,，進一步拓展了增長空間，這對于新興的第三代化合物半導(dǎo)體,，特別是非常適合汽車應(yīng)用的SiC功率器件來說,，遇到了一個絕佳的發(fā)展風(fēng)口，前途不可限量,。
