碳化硅應用，電動汽車爭搶技術賽道

桫欏

汽車行業投巨資用于研發控制功率芯片的碳化硅，但成本挑戰依然存在

碳化硅成新能源汽車熱需

現在的很多新能源車都走到了技術的瓶頸，如何進一步提升車輛的經濟性成為工程師們撓頭的問題。全球汽車行業向碳化硅制成的芯片行業投資數十億美元，是因為業界認為這類技術可以幫助他們制造高性能電動汽車，比如應用于新能源汽車的半導體及其零部件。

什么是碳化硅？這類材料的優勢在哪里？碳化硅是一種無機物，化學式為SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。

咱們常用的半導體材料，尤其是各種電子產品中的處理器、存儲器等芯片，通常都是基于硅晶體（單晶硅或多晶硅）制造出來的。而實際上還有一類半導體是基于化合物晶體制造的，SiC（碳化硅）半導體就是其中之一。

由于相比硅基半導體在材料特性上有所差異，SiC（碳化硅）半導體具備比硅基半導體更好的高頻、大功率、高輻射性能，也讓前者如今多用在航天等高技術領域。而隨著此項材料技術的普及，電力機車、混合動力汽車等使用大功率半導體部件的交通工具也開始應用。

豐田中央研發實驗室（CRDL）和著名零部件廠商電裝從上世紀80年代就開始合作開發碳化硅半導體材料，而5月中旬他們正式發布了基于碳化硅半導體材料的零部件，應用于新能源車型的功率控制單元（PCU）。由于功率控制單元擔負著轉換能量的任務（包括我們比較熟悉的逆變器），所以會有不小的能量損耗——PCU通常會有25%也就是四分之一的能量在轉換中損失掉了，其中80%來自半導體部件。

新的SiC（碳化硅）半導體器件大大降低了由于半導體器件造成的能量損失，預計新技術成熟并應用后，可以降低10%的總能量損耗，也就是說對于混合動力車型，可以節省10%的燃油，這在現有技術框架下還是相當可觀的進步。

基于SiC半導體、與電動機整合為一體的逆變器技術，我們并不陌生，大多產品來自日本電器制造巨頭三菱電器。由于碳化硅半導體零部件更為緊湊，以它開發的逆變器尺寸也更小，所以與電動機能很好地整合到一起。除開逆變器尺寸更小之外，還簡化了逆變器到電動機的連接電路，同時系統的散熱設計也更簡單，可謂一舉多得。

電動車上的SiC功率模塊

新材料替代需要更高成本

隨著新能源汽車高速發展，此前采用較多的硅（Si）基材料基本已逼近其物理極限，如工作溫度、電壓阻斷能力、正向導通壓降、器件開關速度等，尤其在高頻和高功率領域更顯示出其局限性。為此，需要新的材料來替代。

作為第三代半導體材料的典型代表，碳化硅（SiC）具有更寬的禁帶寬度、高擊穿電場、高熱導率、高電子飽和速率以及更高的抗輻射能力，是高溫、高頻、大功率應用場合下極為理想的半導體材料。由于SiC功率器件可顯著降低電子設備的能耗，因此可使新能源汽車的系統效率更高、重量更輕及結構更加緊密，有助于節省成本以及續航里程的提升。

“目前，電動車中的主驅逆變器仍以IGBT+硅FRD為主，但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，在車用半導體中，碳化硅一定會是未來趨勢。”一位行業分析人士說道。此外，車載充電器和充電樁使用SiC器件后將充分發揮高頻、高溫和高壓三方面的優勢，可實現充電系統高效化、小型化和高可靠性。據了解，目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車載充電系統中使用SiC功率器件。

汽車電氣化趨勢已不可逆，在此背景下，碳化硅產業的發展站到了風口。行業巨頭Cree（科銳）指出，預計到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。

實際上新能源汽車的發展受到基礎技術的制約很大，類似碳化硅半導體部件的應用已經能夠提升車輛的性能——雖然距離裝備量產車型還有距離。而如果能在電池等環節實現突破，那將是革命性的進步。

“電動汽車的客戶正在尋求更長的續航里程，我們認為碳化硅是我們電力電子設計中必不可少的材料。”通用汽車公司副總裁謝爾潘·阿明近期表示，在通用汽車達成使用碳化硅設備的協議后，將交給位于北卡羅來納州達勒姆的沃爾夫斯比公司來制造。

雖然碳化硅優點多多，但現在也面臨較大挑戰，行業觀察人士表示，要讓碳化硅的成本接近硅還有幾年的時間。

法國研究公司Yole Développement研究人員克萊爾·特雷達奇表示，基于碳化硅設備的價格可能是普通硅的五倍，碳化硅更硬更脆，意味著在不破壞碳化硅晶片的情況下拋光碳化硅晶片的表面工藝要求更高。

應用材料公司用于從碳化硅制造半導體的工具

全球生產力競爭

今年8月，半導體公司科銳擴大了與歐洲意法半導體的交易，將在未來幾年內供應價值超過 8 億美元的碳化硅晶圓。10月中旬，這家公司還宣布將于明年初在紐約尤蒂卡附近投資 10 億美元開設全球最大碳化硅工廠。這些動作，都代表未來汽車半導體技術的迭代方向。

現代汽車中的半導體數量，從點火到制動系統，可以超過一千個。隨著全球芯片短缺的拖延，從通用汽車到特斯拉的汽車制造商都發現自己被迫調整生產并重新思考整個供應鏈。

根據目前電動車的類型，與碳化硅相關的技術可以為汽車制造商節省高達 750 美元的電池成本。比如特斯拉就是第一個將碳化硅芯片推向市場的公司，這幾年在大眾市場上銷售的最便宜Model 3中就使用了碳化硅芯片。

根據Yole Développement的一份報告，意法半導體目前是特斯拉的碳化硅供應商。業內人士認為，特斯拉Model 3首次使用的碳化硅組件使其續航里程和其他性能有了很大的提升，遠超當前市場上的其他電動汽車。

某些類型的芯片，例如運行智能手機的微處理器，通常不需要在極端條件下工作，因此使用普通硅。但是當芯片控制電流時，碳化硅的優勢很重要，尤其是在電動汽車的逆變器中，它將電動汽車電池產生的直流電轉換為交流電，為電機提供動力并使車輪轉動。

如果從技術上加以量化，可參考美國能源局在2020年為HEV（混合動力汽車）制定的標準：電力電子（功率半導體）設備的功率密度要超過14.1kW/kg，效率超過98%，價格低于3.3美元/kW。這對電力電子器件的拓撲性能、控制策略、系統集成和封測等提出了全新要求。

新能源汽車廠商加速導入刺激，致使SiC功率元器件用量激增，繼而影響SiC襯底和外延片需求量同步暴漲，據計算，這兩部分材料占比合計高達70%。其中，SiC襯底成本占比最高（43%），技術難度雖低于外延環節但也相當高，如切片和研磨，難度極高。

全球SiC外延片市場美國Cree、DowCorning和II-VI三家公司占比就達到近80%的份額;在SiC襯底市場，美國Cree和II-VI、日本昭和電工合計市占率超過75%。

在這個環節中，我國總體技術水平落后國外3～4年，所幸代際差異（代與代之間的差異）已縮小至半代。目前，我國主要從國外巨頭如Cree（科銳）、Rohm（羅姆）和II-VI（高意）買入SiC襯底，國內該環節技術有較高水平（進入工程化準備和小批量生產），但總體來說，國內SiC襯底和外延片領域的技術相對落后，產能也待急速提升。