SiC的绝佳风口

日本市调机构Fuji Keizai指出，因汽车/电子设置装备摆设用需求大幅萎缩，拖累2020年环球功率半导体市场范围年减3.8%，此中硅(Si)制产物范围萎缩4.0%，SiC品级三代化合物半导体产物市场增进9.6%。

Fuji Keizai表现，2020年功率半导体市场虽陷入萎缩，不外自进入2021年以来，因车辆电子化、5G通讯相干投资增添，加上财产范畴需求复兴，是以预估市场将转趋扩大，预估2030年市场范围将达4兆471亿日元、将较2020年景长44.3%，此中，预估硅制产物市场范围将较2020年增进38.0%。

Fuji Keizai表现，自2021年今后，在汽车/电子设置装备摆设需求加持下，预估第三代化合物功率半导体市场将以每年近20%的速率增进，预估2030年市场范围将较2020年增进3.8倍。此中，来自中国、北美、欧洲的需求上升，预估2030年SiC功率半导体市场范围将扩大至1859亿日元、将较2020年增进2.8倍；GaN功率半导体市场范围将较2020年飙增6.5倍。

SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的抱负质料之一，令其成为新能源汽车的抱负选择。与传统办理方案相比，基于SiC的办理方案使体系服从更高、重量更轻，且布局更紧凑。

在电动汽车中，SiC功率半导体重要用于驱动和操纵电机的逆变器、车载充电器和快速充电桩。对付逆变器而言，800V高压运行架构下的SiC功率半导体比传统硅器件的团体体系服从高8%。SiC功率半导体也使得散热体系设计更简洁，机电布局的空间更小。对付车载充电和快速充电桩，SiC功率半导体与传统硅器件相比，在充电历程中淘汰了能量丧失，也淘汰了所需的电容和电感的数目。

SiC比硅更薄、更轻、更小巧，市场应用范畴方向1000V以上的中高压范畴。车用半导体中，SiC是将来趋向，现在，xEV车中的主驱逆变器仍以IGBT+硅FRD为主，思量到将来电动车必要更长的行驶里程、更短的充电时间和更高的电池容量，SiC基MOSFET将是局势所趋。SiC有望进步3%-5%的逆变器服从，从而低落电池本钱。

SiC行业龙头Cree估计到2022年，SiC在电动车用市场空间将快速增进到24亿美元，是2017年车用SiC团体收入（700万美元）的342倍。

现在来看，车勤奋率半导体器件中，仍以硅基IGBT为主，而SiC基MOSFET代表着将来，由于它性能更强，但现在推广的最大停滞便是高本钱。然而，随着整车动力电池包越来越大、电机最大功率/峰值扭矩越来越高，SiC基MOSFET的上风就越明显。

要想充实发挥MOSFET的上风，就必要操纵承压层深度和掺杂浓度等技能参数，以得到更高的事情电压、最大功率和综合服从。现在，SiC基MOSFET体系的综合服从（以逆变器服从盘算）约为98%，在应用层面，SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征上风。

SiC 应用到电动汽车的逆变器、OBC、DC/DC时，更低的阻抗可带来更小的尺寸，更高的事情频率可以有用低落电感、电容等元器件的尺寸，且更耐高温，可以减小冷却体系的尺寸，终极带来的是体系级的体积缩小和本钱的低落。

SiC用在车用逆变器上，可以或许大幅度低落逆变器尺寸和重量，做到轻量化与节能。在雷同功率品级下，全SiC模块的封装尺寸明显小于硅模块，同时也可以使开关消耗低落75％（芯片温度为150° C）。在雷同封装下，全SiC模块具备更高的电流输出本领，支持逆变器到达更高功率。

特斯拉的Model 3采纳了意法半导体和英飞凌的SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集玉成SiC功率模块的车企。2017年12月，罗姆为VENTURI车队在电动汽车环球顶级赛事“FIAFormula E”锦标赛中提供了采纳全SiC功率模块制造的逆变器，使逆变器尺寸降落了43%，重量减轻了6kg。

逆变器已经开始利用IGBT+SiC SBD的混淆方案，估计全SiC的逆变器将从2023年开始在主流豪华车品牌中量产。

据Cree测算，SiC逆变器可以或许提拔5-10%的续航，节约400-800美元的电池本钱（80kWh电池、102美元/kWh），与新增200美元的SiC器件本钱抵消后，可以或许实现至少 200美元的单车本钱降落。据罗姆测算，到2026年，险些全部搭载800V动力电池的车型采纳SiC方案都将更具本钱上风。

别的，车载OBC和DC/DC，已经开始采纳SiC器件，好比PFC电路中二极管切换改为了SiC SBD，大概将OBC的DC/DC原边电路MOSFET管改为SiC MOSFET。全SiC方案也有望从 2021年开始量产。

新能源车的功率操纵单位（PCU）是汽车电驱体系的中枢神经，治理电池中的电能与电机之间的流向和通报速率，传统PCU利用硅基质料制成，强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能消耗是混淆动力车最重要的电能消耗泉源，而利用SiC则可大大低落这一历程中的能量丧失。

将传统PCU配备的硅二极管换成SiC二极管，硅IGBT换成SiC MOSFET，就可以低落10%的总能量消耗，同时也可以大幅低落器件尺寸，使车辆更为紧凑。

SiC功率器件也在加快融入车载充电器范畴，已有多家厂商推出了面向HEV/EV等电动汽车充电器的SiC功率器件。据Yole统计，这一市场在2023年之前可连结44%的增进速率。

重要停滞

现在，制约SiC功率器件大范围应用的重要停滞依旧是本钱，受制于上游晶圆产能不敷、晶圆缺陷面积较大等缘故原由，现在SiC功率器件的代价是硅的5-10倍。

本钱题目重要源于低效的晶体生长历程，传统硅晶圆制作是将多晶硅在1500℃左右溶化后，将籽晶放入此中边匀速扭转边向上提拉形成约2m的硅锭，再举行切割、倒角、抛光、蚀刻、退火等操纵，然后形成晶圆。而SiC晶锭的制作比硅低效许多，广泛采纳PVT 法，将固态 SiC加热至2500℃升华后，在温度稍低的高质量SiC籽晶上重新结晶而成。

SiC晶圆的尺寸迭代与硅相比仍处于早期阶段，现在Cree、ST等主流厂商都已经量产6英寸晶圆，并同步举行8英寸的研发，打算最早于2022年量产8英寸晶圆。单片8英寸晶圆芯片产量可到达6英寸的1.8倍，但同时也面对着缺陷密度变高等困难。

不外，2022年有望成为SiC代价降落的迁移转变点，由于主流豪华车品牌开始量产采纳SiC方案的车型，这将大幅提拔Cree等衬底厂商8英寸线的产能使用率。到2025年，SiC器件代价有望降落到当前程度的1/4-1/3，联合电池本钱的节约，SiC的性价比将明显进步。

财产链愈加成熟

Cree一向在积极扩大其SiC衬底产能并将营业重心从LED向功率器件转移，成为大众FAST（将来汽车提供链）项目互助同伴，和安森美签订了多年期协议，为其提供6英寸衬底和外延片，并扩大了和意法半导体的互助范畴，增添了订单。

别的厂商方面，丰田和电装、富士、三菱互助开辟SiC基MOSFET，博世拟用其位于罗伊特林根的半导体制造厂生产SiC晶圆。

日系厂商在SiC功率半导体方面具有较强气力，三菱电机、富士电机、东芝等3家厂商合计握有环球2成市占率。富士电机将投资约1200亿日元扩增日本国表里工场产能，增产功率半导体；东芝打算在2023年度完结前投资约800亿日元，将功率半导体产能进步3成。

别的，Rohm也是一支紧张气力，该公司在SiC功率半导体的研发上居于领先职位地方，在环球SiC功率半导体市场占据2成市占率，和英飞凌(Infineon)、STMicroelectronics并列为环球重要供货商之一。该公司打算在以后5年内投资600亿日元、将利用于EV的SiC功率半导体产能扩增至如今的5倍。而其产能扩增至5倍后，环球市占率有望进步至3成。Rohm生产的半导体质料已用于特斯拉的EV逆变器上。

整车厂方面，从特斯拉Model 3车型销量反推，SiC基MOSFET单车代价约为1300美元，思量到能效提拔对划一工况续航条件下动力电池用量的节省作用，估量利用SiC基 MOSFET比硅基IGBT总本钱提拔100-150美元。

对付定位在10万元及以下的车型来说，利用SiC基MOSFET仍有必然本钱压力；对付定位在30万元及更高的车型而言，鉴于消耗者对工况续航、整车动力性的要求较高，动力电池搭载量较大，电机最大功率/峰值扭矩较高，SiC基MOSFET对整车极限性能的提拔有很大关心。

现在来看，Model 3是SiC基MOSFET在新能源汽车上应用的乐成案例，其电控体系共搭载了24个650V、100A的SiC基MOSFET功率模块，每个模块有两个芯片并联构成。

特斯拉在设计电控历程中，充实思量了回路电感对开关速率、开关消耗、电气可靠性和功率密度的影响，使得以SiC基MOSFET为焦点的高效电控体系成为整车低电耗的有力保障。

Model 3是首款逆变器采纳SiC功率器件的纯电动车型，由ST定制，耐压650V，由尺度的三个半桥功率开关拓扑组成，单桥臂由4颗单管的小模块组成，每个模块由两个SiC die组成。

结语

随着纯电汽车的快速崛起，格外是诸多企业纷纷参加这一战团，使得市场范围原来就很大的汽车半导体市场，进一步拓展了增进空间，这对付新兴的第三代化合物半导体，格外黑白常得当汽车应用的SiC功率器件来说，碰到了一个绝佳的进展风口，前程不行限量。