SiC功率器件加速新能源汽車產品升級

張依依

作為第三代半導體材料之一，碳化硅（SiC）具有耐高壓、耐高溫、能量損耗低而耐高頻運行的特點，因此使用siC功率器件可以大幅降低終端用戶成本支出。現(xiàn)階段，各廠商都對新一代SiC功率器件寄予厚望，期待實現(xiàn)功率模塊的小型化。

近日，siC功率半導體模塊及應用解決方案提供商忱芯科技（UnisiC）宣布完成數(shù)千萬元人民幣天使輪融資，融資資金將用于產品研發(fā)、量產等方面。目前，SiC功率器件主要用于車載設備。隨著新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，Sic功率器件將在其中扮演越來越重要的角色，有望為新能源汽車行業(yè)帶來新的變革。

SiC功率器件

大幅提升能源轉換效率

近年來，功率器件逐漸成為眾人矚目的“焦點”。比亞迪功率器件產品總監(jiān)楊欽耀告訴《中國電子報》記者，功率器件是電力電子的“CPU"，是特高壓電網(wǎng)、高速列車、新能源汽車充電樁及工業(yè)變頻器和伺服器的核心芯片，也是各系統(tǒng)電源模塊的關鍵器件，起到變頻、變流和變壓作用。

SiC功率器件作為一種新型功率器件，在新能源汽車的應用中具有極大優(yōu)勢。據(jù)悉，SiC材料具有耐高壓、耐高溫、高效率、高頻率、抗輻射等優(yōu)異的物理和化學特性，能夠極大地提升現(xiàn)有能源的轉換效率。新能源汽車系統(tǒng)架構中涉及到功率半導體應用的組件包括三大部分：電機驅動器、車載充電器（OBC）/非車載充電樁和電源轉換系統(tǒng)（車載DC/DC），SiC功率器件憑借其獨有的優(yōu)勢在其中發(fā)揮著重要的作用。

在電機驅動領域，使用SiC器件可提升控制器效率、功率密度以及開關頻率，通過降低開關損耗和簡化電路的熱處理系統(tǒng)來降低成本、重量、大小及功率逆變器的復雜生。有關資料顯示，在電機驅動器中采用SiC器件可明顯降低損耗。具體來說，當使用SiC器件時，SiCBJT構成的逆變器損耗降低了53%;當頻率升高時，損耗還會進一步降低。據(jù)了解，開關頻率為15kHz時，SiCBJT逆變器的損耗會降低67%。

在車載充電器和非車載充電樁中使用SiC功率器件可提高電池充電器的工作頻率，實現(xiàn)充電系統(tǒng)的高效化、小型化，并提升充電系統(tǒng)的可靠性。據(jù)悉，充電模塊的工作環(huán)境具有高頻、高壓和高溫的特點，與Si基器件相比，SiC器件的特性更適合這樣的工作環(huán)境，因此SiC器件在充電模塊中大有可為。

在電源轉換系統(tǒng)中使用SiC功率器件可縮小電路的尺時，降低重量，縮減無源器件的成本，在滿足冷卻系統(tǒng)的需求的同時大大降低整個系統(tǒng)的重量和體積。據(jù)了解，在電動汽車中，引擎部分需要冷卻系統(tǒng)保持其溫度在105C，而功率變換器部分則要求冷卻系統(tǒng)使其溫度在70C左右。為了使兩部分正常工作，必須采用兩套冷卻系統(tǒng)以滿足不同的需求，這無疑大大增加了電動汽車冷卻系統(tǒng)的體積。由于SiC功率器件的工作結溫已經達到361C，因此在這種情況下采用SiC功率器件可以將引擎冷卻系統(tǒng)與功率變換器系統(tǒng)合二為一，大大減小功率變換器的體積。

眾多企業(yè)

加入SiC功率器件賽道

基于SiC功率器件在電機驅動器、充電模塊和電源轉換系統(tǒng)的優(yōu)異表現(xiàn)，不少企業(yè)都對SiC功率器件青睞有加。

現(xiàn)階段，眾多半導體廠商紛紛加人研發(fā)SiC功率器件的賽道。西安電子科技大學教授張玉明告訴記者，當前越來越多的廠商正在對SiC器件加大投入。國外知名廠商如ROHM、Cree、ST和Infineon等都已參與布局其中，國內也有不少少商陸續(xù)推出SiC功率器件產品，如泰科天潤、基本半導體和楊杰科技等。

一些新能源汽車企業(yè)也在嘗試布局SiC功率器件，助力新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。張玉明表示，全球范圍內，作為率先采用Si一C功率器件的新能源汽車企業(yè)，特斯拉發(fā)揮了很重要的示范作用。與此同時，張玉明指出，目前國內主流的車廠也都在新能源汽車行業(yè)積極地使用SiC功率器件，如比亞迪、奇瑞、北汽和中車等。但因為國內新能源汽車企業(yè)對SiC功率器件還是有些謹慎，所以在這方面的投人力度不夠，進展的速度還需要加快。

SiC器件的很多性能優(yōu)于Si產品，然而其成本卻比Si產品高，這使得SiC器件目前市場滲透率極低。這種看似不太樂觀的情況在張玉明看來卻是十分正常的。他認為，SiC功率器件的規(guī)模化應用可以降低其成本，但現(xiàn)階段該功率器件作為一種新興產品，其規(guī)模化的發(fā)展仍需時間。“目前SiC器件成本較高，這是一個非常正常的事情，就如同Si器件早期發(fā)展時的情況一樣。我認為應用端要加大采用SiC功率器件的力度，規(guī)模效應是降低成本的一一個很關鍵的因素。大家要給SiC功率器件更多的機會。”他說。

除規(guī)模效應外，如何從技術的角度降低SiC功率器件的成本？英飛凌大中華區(qū)汽車電子事業(yè)部區(qū)域市場經理張昌明指出，SiC晶圓生產工藝的改良是降低SiC功率器件成本的根本方法。他表示，雖然結合Si的成本優(yōu)勢以及SiC的性能優(yōu)勢來研發(fā)混合型功率器件將會擴展siC功率器件的應用范圍，擴大其使用規(guī)模，從而降低其成本，但要想從根本，上降低該功率器件的成本，就要加大對SiC晶圓技術的研究投人，比如使SiC晶圓向8英寸方向發(fā)展，或讓SiC晶圓的生長更穩(wěn)定。但這并不是一件容易的事。“SiC晶圓的生長周期長，是Si晶圓的3～5倍。SiC晶圓的硬度較高，因此加工難度比Si晶圓大。”張昌明說。

張玉明還告訴記者，現(xiàn)階段除了SiC晶圓的尺寸和質量的提升，制造工藝柵界面調控技術和成品率也需要進一步提升。

新基建加速SiC功率器件

規(guī)模化應用

SiC功率器件在新能源汽車的應用尚處于早期階段，因此其市場規(guī)模的擴大還有較大空間。張昌明告訴記者，截至2025年，SiC功率器件在新能源車上的應用將占到約20%的市場份額。“新能源汽車為了獲得更長的行駛里程，其電池容量會越來越大，因此需要更大功率的OBC（三相大功率OBC）來加快充電速度，縮短充電時間。三相大功率OBC需要可以支持更快速開關的功率器件，而SiCMOS-FET是可以滿足此需求的首選器件。隨著SiC器件的大規(guī)模應用，其成本將會下降，因此其在電機驅動器市場所占的份額也將進一步擴大。”他說。

作為新基建的重要內容之一，我國新能源汽車行業(yè)的發(fā)展也能夠給功率半導體器件帶來新的發(fā)展機遇。楊欽耀表示，功率半導體器件被廣泛應用于新基建各個領域，尤其是在特高壓、新能源汽車充電樁、軌道交通及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面更是起到了核心支撐作用。

作為新型功率半導體器件的代表之一，在新基建的助推下，SiC功率器件或可被大規(guī)模推廣，其市場前景廣闊，未來可期。除了新基建的助推作用，國外新能源汽車企業(yè)對SiC功率器件的率先使用也可為我國該產業(yè)的發(fā)展提供“借鑒之路”。

特斯拉的Model3是第一家采用SiCMOSFET來做逆變器的車廠。在使用SiC功率器件后，其續(xù)航能力顯著提升，是寬禁帶半導體應用于汽車的又一新的里程碑。

張玉明分析了特斯拉對SiC功率器件的率先使用能夠為國內企業(yè)帶來的影響。張玉明認為，特斯拉在中國生產會加劇我國新能源車市場中的競爭，但這不一定是件壞事。“特斯拉的推出會對國產新能源汽車產生沖擊，因此市場競爭會加劇，會產生競爭效應。但是換一個角度看，這是好事情，它能加速我國相關產業(yè)的追趕和投人，使我們加快技術的投人和市場的拓展。”他說。

張玉明還表示，特斯拉在SiC器件的應用方面會對我國自主新能源汽車企業(yè)引發(fā)極大的示范效應，將因此推動自主新能源車企進一步加快SiC功率器件的應用。