碳化硅竞赛开始

碳化硅(SiC)越来越多地应用于各种汽车芯片，这已经达到了一个临界点，大多数芯片制造商现在都认为它是一个相对安全的赌注，引发了一场争夺，并将这种宽频带隙技术推向主流。

原文如此对于许多汽车应用，特别是纯电动汽车，具有很大的前景。与硅电池相比，它可以延长每次充电的行驶里程，缩短电池充电时间，并通过提供相同的续航里程，降低电池容量和重量，从而有助于提高整体效率。现在的挑战是降低这些器件的制造成本，这就是为什么SiC晶圆厂从6英寸(150毫米)晶圆迁移到8英寸(200毫米)晶圆的原因。

PowerAmerica制造美国研究所执行董事兼首席技术官Victor Veliadis表示:“这些令人信服的好处正在导致SiC在bev上的大规模采用，由于规模经济，这降低了SiC制造成本。”PowerAmerica制造美国研究所由美国能源部成立，旨在加速SiC和GaN电力电子产品的采用。“这是碳化硅制造商关注的主要批量应用，它正在推动他们的制造业扩张。这也是许多新来者进入SiC领域的原因，也是我们看到BEV设计竞争激烈的原因。”

北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)电气工程教授Veliadis表示，碳化硅已被应用于多个电动汽车系统，包括牵引逆变器、DC-DC转换器和车载充电器。这项技术还可以帮助减少电动汽车充电的时间。

他说:“高压SiC功率器件也是实现快速充电基础设施的关键，这将消除广泛电动汽车消费者接受的最后一个主要障碍。”“SiC在高电压下非常高效，可以实现与传统汽车油箱加油相当的快速充电时间。”

Yole Développement复合半导体和新兴基板团队首席分析师Ezgi Dogmus指出，继特斯拉于2017年在其主要逆变器中采用SiC之后，汽车已成为SiC的杀手级应用。“从那以后，我们见证了几乎所有汽车制造商和一级汽车制造商对SiC的兴趣。比亚迪、丰田和现代都选择了SiC作为电动汽车车型，奥迪、通用、蔚来和大众预计也会效仿。”“随着SiC解决方案设计获奖数量的显著增加，我们预测2020年至2026年期间前景一片光明。事实上，汽车市场无疑是最重要的驱动因素，因此，到2026年，汽车市场将占据SiC器件总市场份额的60%以上。”

随着电动汽车的应用，Dogmus认为在充电基础设施中采用SiC是一种趋势，它可以提高效率，减小系统尺寸。此外，预计2019年至2026年期间，SiC在铁路、电机驱动和光伏等应用领域将以两位数的复合年增长率增长。

图1:碳化硅市场细分和增长预测。来源:Yole Développement

SiC vs. GaN
与标准硅产品以及其他宽带隙半导体相比，SiC在电力电子领域具有显著优势氮化镓(甘)。

Dogmus说:“硅MOSFET经历了增量增长和几十年的改进，正在接近其理论边界。”“从历史上看，这些MOSFET产品已经足以满足其目标应用。与此同时，创新的宽带隙材料，如SiC和GaN，表现出超过硅基器件的性能特性。“宽带隙材料具有高击穿电压、高开关速度和小尺寸，是补充电力市场行业的有前途的候选材料。此外，它们还可以减少每个系统的无源组件数量，从而实现紧凑的设计。然而，与硅相比，这些材料仍然很贵。”

其他人也同意。at公司高压转换产品营销高级总监兼主管Robert Hermann表示，从高层次的角度来看，硅、碳化硅和氮化镓的定位很简单英飞凌科技．“与硅相比，碳化硅在高温、大功率和更高开关频率方面的性能最强。这将降低主逆变器和车载充电的系统成本。”

氮化镓，另一种主要的宽带隙技术，甚至有更高的效率和改进的频率行为。Hermann说:“与碳化硅相比，这两个因素将功率密度提高到更高的水平。”“然而，要释放这一好处，需要实现更大的系统变革。此外，还应提供互补的半导体和无源产品。”

图2:每种技术的优势。来源:英飞凌

Yole的Dogmus表示，目前SiC在电动汽车应用和大功率系统逆变器领域的真正竞争对手是硅。“对于SiC来说，在更高的电压下，其性价比具有吸引力。例如，在800V电池汽车上实现1200v SiC器件将代表着巨大的市场机会。与此同时，GaN将继续渗透手机应用的快速充电市场。事实上，在低功率下，GaN比SiC具有更好的成本效益。GaN还有望渗透到小于3kW系统的数据通信和电信电源市场，以及电动汽车应用中的OBC和DC-DC转换器。”

图3:SiC时间轴。来源:英飞凌

SiC的优势大于障碍
不是所有的测试和检查工艺已经完全解决了，汽车应用中零缺陷的要求对任何新材料都是一个很高的要求。但许多半导体制造商认为，这些问题可以相对较快地克服，并对碳化硅芯片在电动汽车上的前景保持极度乐观。

Rohm半导体技术营销经理Ming Su表示:“虽然SiC功率二极管已经商用多年，但SiC MOSFET是游戏规则改变者，正在迅速改变SiC功率电子产品的市场格局。”“最近市场增长的主要驱动力之一是电动汽车动力系统。自几年前SiC MOSFET技术首次应用于汽车牵引逆变器以来，SiC器件在能效和系统尺寸减小方面的优势已被汽车行业广泛接受。”

Su表示，如今，几乎所有汽车原始设备制造商和电动汽车初创公司都已经采用了SiC，或正处于产品设计阶段，将SiC用于电动汽车牵引逆变器和车载充电器。“碳化硅器件也已应用于燃料电池汽车。其他使用SiC的汽车电源转换器包括DC-DC转换器，可将电池电压降至12V或48V，以及无线电池充电器。”

在CO等政府法规的推动下，电动汽车正在经历一场大规模的繁荣₂欧盟和其他地区制定的排放限制。英飞凌的Hermann说:“人们在享受有趣的驾驶体验的同时，也强调了保护环境的强烈愿望。“这意味着增加产量，走出一个巨大的利基市场，进入未来的汽车生产大众市场，并对原始设备制造商施加更大的定价压力。在这种情况下，碳化硅发挥着非常重要的作用，因为它支持电动汽车动力应用的各种趋势。”

这反过来又为oem厂商提供了一长串新的选择，并为芯片制造商提供了同等数量的机会。

“碳化硅相对于igbt的一个技术优势是更高的能源效率。这可以很好地说明主要的汽车逆变器，其中几个百分点直接转化为更大的续航里程或/或更小的电池，”Hermann说。“随着功率损耗的降低，热管理也得到简化。这意味着，尽管与igbt相比，纯功率半导体成本更高，但SiC显著降低了系统成本。对于电动汽车购买者来说，公式很简单——续航里程更长，成本更低。”

碳化硅的效率还可以转化为更大的车内空间。他说:“碳化硅可以通过另一种应用，即汽车车载充电，直接贡献更多的空间。”“为了增加续航里程，电池容量也会增加。这意味着车载充电的功率水平需要提高，否则不可能在一夜之间完全充满电池。此外，越来越多的用例需要双向充电，如车辆到电网。如果没有设计和技术措施，车载充电器会变得更大，占用车内现有的空间。使用碳化硅，不仅效率提高，而且可以实现更高的开关频率。这导致更小的被动和减少冷却的努力。事实上，我们相信碳化硅的功率密度可以是传统硅基解决方案的两倍，实现雄心勃勃的设计目标，并减小车载充电器的尺寸。”

汽车制造商正在转向800V直流母线，以增加车辆和各种应用的可用功率，而不会扩大电连接器的尺寸，否则会给电动汽车增加不必要的重量和尺寸。SiC在这些应用中比硅更有效，减少了产生多余热量的损失。

“由于这个电压，额定为1200v的SiC mosfet是合适的设计选择，而不是使用650V，这将是400V电池和系统更合适的选择。意法半导体功率晶体管MACRO部门战略营销、创新和关键项目经理Filippo DiGiovanni说。“这意味着配备SiC的逆变器本质上更高效，这导致在给定容量的电池下行驶距离更长。此外，碳化硅的冷却要求不那么严格是另一个很大的优势。GaN晶体管(或高电子迁移率晶体管，hemt)也可以用于高压应用，因为它们的效率优势，如电动汽车中的牵引逆变器，但SiC比GaN更高效，后者具有横向结构，不像SiC mosfet那样容易产生高电压。”

onsemi电动汽车牵引电源模块事业部副总裁兼总经理Bret Zahn补充说，SiC是下一代半导体的关键材料，可在SiC功率开关器件方面提供技术优势，显著提高电动汽车、电动汽车充电和能源基础设施的系统效率。“SiC功率模块是一个流行的需求，但SiC裸模部分也在快速增长。”

电压越高，整体成本越低
向更高电压的快速充电架构转移对纯电动汽车具有广泛的影响。

Veliadis说:“在高电压下，SiC的效率优势与硅相比变得更加明显。”“如今，几乎所有电动汽车制造商的设计都是在400V电压下，硅极具竞争力。通过使用更高的电压(例如800到1000伏)，可以实现更快的充电，同时减轻重量和更好的包装，这要归功于更细的电线，因为更高的电压意味着在相同的功率水平下更少的电流安培。”

这有助于削减成本，提高整个系统的效率。“电动汽车客户希望看到与内燃机产品相当的定价。要达到这个目标，还需要做更多的工作。”“就电动汽车中SiC与硅的定价而言，目前SiC设备的更高成本被SiC带来的整体系统简化所抵消，包括更高的频率运行和更低的冷却要求。此外，较高的SiC效率减少了电池的数量，这是电动汽车的一项重大成本。所以总的来说，碳化硅在电动汽车中是有竞争力的，而且比硅解决方案更便宜。大规模SiC电动汽车插入的主要障碍是可靠性和坚固性问题，以及缺乏训练有素的劳动力来实施这些技术。”

他补充说，由于快速充电需要更高的电压架构，才能以更低的电流获得相同的功率(从而降低布线的重量、体积和成本)，SiC的价值主张将变得更加明显。

为了推动这些技术的发展，并在一定程度上提高效率，原始设备制造商正变得更加垂直整合。这反过来又给Tier 1和Tier 2供应商进一步降低成本带来了压力。它还有助于确保不间断的供应链，从最初的晶圆到制造设备，以满足高需求。

这引发了碳化硅领域的投资浪潮，包括一些并购活动。“行业收购是一种趋势，”Veliadis说。“对于新来者来说，要想有效、及时地与在SiC技术领域拥有悠久历史的公司竞争，收购与他们的专业知识互补的SiC公司会带来协同效应和市场速度。”

举个例子:今年8月，onsemi宣布已达成最终协议，收购碳化硅(SiC)晶体生长技术和衬底制造商GT Advanced Technologies。

onsemi的Zahn表示:“400V电池电压目前很普遍，但从2024年开始，800V电池系统的生产需求将越来越大。”“这些系统可能会成为标准，因为它们通过提高密度和效率，在不产生配电损耗或车内和充电站电缆尺寸增加的情况下，实现更长的每次充电行驶里程。SiC相对于硅技术的优势在800V总线所需的1200v额定电压时更加明显。SiC可以在更高的开关频率下工作，并可能在受封装限制的更高温度下工作。鉴于特斯拉在碳化硅方面的成功，以及对更高续航里程的需求，许多原始设备制造商都在积极推进实施碳化硅电动传动系统。”

结论
各国政府要求减排的压力，再加上纯电动汽车的日益普及，正将碳化硅以及其他宽带隙材料推向风口浪尖。然而，所有这些都需要时间，到目前为止，SiC和GaN是在某些汽车应用中取代硅的主要候选者。

在产量、缺陷和各种制造工艺方面，任何新材料都是要付出代价的，但碳化硅有足够的好处，让汽车制造商开始将其设计成电动汽车的各种部件。随着汽车行业将碳化硅技术推向主流，碳化硅的使用预计只会进一步增长，这将给定价带来压力，并解决工厂可能出现的任何问题。

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