近兩年，碳化硅正在成為汽車領(lǐng)域冉冉升起的新星，引發(fā)了車企及技術(shù)提供商的重視和布局。相關(guān)資料顯示，2016年，特斯拉率先在Model 3上采用意法半導體的24個碳化硅MOSFET模塊。隨后，國外車企如豐田、大眾，國內(nèi)如比亞迪、蔚來等陸續(xù)宣布將采用碳化硅方案。

 

如此短的時間內(nèi)，是什么原因?qū)е绿蓟璞蛔放酰刻蓟柙谄囶I(lǐng)域又呈現(xiàn)什么樣的發(fā)展格局？

 

 

現(xiàn)今，隨著新能源汽車高速發(fā)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?qū)▔航怠⑵骷_關(guān)速度等，尤其在高頻和高功率領(lǐng)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）具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率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。此外，由于SiC功率器件可顯著降低電子設(shè)備的能耗，因此可使新能源汽車的系統(tǒng)效率更高、重量更輕及結(jié)構(gòu)更加緊密，有助于節(jié)省成本續(xù)航里程的提升。

 

在電氣化車輛上，SiC功率半導體主要用于驅(qū)動和控制電機的逆變器、車載DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器（OBC）等。“目前，電動車中的主驅(qū)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(yè)分析人士說道。

 

而車載充電器和充電樁使用SiC器件后將充分發(fā)揮高頻、高溫和高壓三方面的優(yōu)勢，可實現(xiàn)充電系統(tǒng)高效化、小型化和高可靠性。據(jù)了解，目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用SiC功率器件。

 

圖片來源：羅姆

 

汽車電氣化趨勢已不可逆，在此背景下，碳化硅產(chǎn)業(yè)將迎來發(fā)展風口。行業(yè)巨頭Cree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。

 

 

基于碳化硅在汽車行業(yè)的向好前景，近年來，除了半導體企業(yè)不斷加碼外，車企及Tier1技術(shù)提供商紛紛展開布局。

 

■ 大量半導體廠商涌進

 

從全球SiC器件開發(fā)參與者來看，目前以美國、歐洲、日本廠商為主。當中，德國英飛凌、日本羅姆、美國Cree（科銳）三家企業(yè)目前約占據(jù)90％的SiC市場份額，處于三足鼎立的龍頭地位。羅姆曾在接受蓋世汽車采訪時表示，與2019財年（截至2020年3月31日）相比，預計2024財年（截至2025年3月31日）的羅姆的SiC生產(chǎn)能力將提升5倍以上。除了以上三家外，意法半導體、安森美等國外半導體企業(yè)亦取得不錯的進展。

 

在龐大的市場需求推動下，國內(nèi)也涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的企業(yè)，如楊杰電子、基礎(chǔ)半導體、株洲中車時代、三安集成、中電科55所、臻驅(qū)科技等。

 

■ 車企動作頻頻

 

在半導體企業(yè)為之瘋狂時，汽車廠商也安耐不住了，近年來動作頻頻。

 

據(jù)悉，豐田中央研發(fā)實驗室和電裝公司從1980年開始合作開發(fā)SiC半導體材料，2014年正式發(fā)布了基于SiC半導體器件的零部件——應用于新能源汽車的功率控制單元（PCU）。

 

另外兩大日系車企本田、日產(chǎn)均和羅姆公司就HEV／EV應用SiC半導體技術(shù)進行了多年的合作研究。本田和羅姆公司共同開發(fā)出了使用SiC半導體器件的高功率電源模塊，將轉(zhuǎn)換器和逆變器的二極管和晶體管全部由硅器件改為SiC器件。

 

大眾汽車集團于2019年與Cree簽署合作協(xié)議，通過功率模塊供應，為未來的大眾汽車集團汽車提供SiC碳化硅基解決方案。

 

國內(nèi)車企中，比亞迪漢EV車型上已開始使用自主研發(fā)的Sic MOSFET（碳化硅功率場效應晶體管）。預計到2023年，比亞迪將在旗下的電動車中，實現(xiàn)SiC基車用功率半導體對硅基的全面替代。2021年6月，蔚來首臺碳化硅（SiC）電驅(qū)系統(tǒng)C樣件下線，該SiC電驅(qū)系統(tǒng)將搭載在ET7上，為車輛提供更長的續(xù)航里程。

 

圖片來源：蔚來汽車

 

■ Tier 1企業(yè)迅速發(fā)力

 

除了車企外，不少Tier 1企業(yè)近年開始在碳化硅領(lǐng)域迅速發(fā)力。

 

博世于2019年宣布開始碳化硅相關(guān)業(yè)務。功率碳化硅半導體生產(chǎn)基地位于德國羅伊特林根，主要來生產(chǎn)碳化硅的晶圓以及MOSFET。

 

博世碳化硅功率器件

 

采埃孚與美國碳化硅半導體企業(yè)Cree宣布建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，計劃2022年前將SiC電驅(qū)動系統(tǒng)推向市場。

 

博格華納于2021年上海車展期間推出800 V碳化硅逆變器，該逆變器具有雙面散熱的能力，減少了逆變器40%的重量，縮小了30%整體尺寸，提高了25%功率密度。

 

博格華納800V碳化硅控制器

 

與此同時，緯湃科技（原大陸集團動力總成事業(yè)群）于年初宣布將為現(xiàn)代汽車集團的新型電動汽車平臺量產(chǎn)800伏碳化硅逆變器。

 

看向國內(nèi)，2019年，華為旗下的哈勃科技投資有限公司投資參股了山東天岳先進材料科技有限公司，持股10%。2020年12月，哈勃科技又投資碳化硅外延晶片供應商瀚天天成，認繳出資額超977萬元。

 

很顯然，在新能源車爆火的今天，碳化硅已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)布局的重點，不論是合作開發(fā)還是自主研發(fā)，均將碳化硅推向了技術(shù)浪潮的巔峰。

 

存在問題

 

從國內(nèi)車用場景看，盡管目前碳化硅前景向好且受到市場追捧，但在商業(yè)化進程中依然存在各類問題。

 

從技術(shù)上來看，中國科學院電工研究所研究部主任溫旭輝指出，“雖然車用碳化硅控制器功率密度大幅提升、損耗明顯下降，但快速開關(guān)帶來的電磁干擾問題同樣突出，因此寬頻域電磁干擾預測及高密度電磁干擾濾波是今后的行業(yè)研究重點之一。”此外，芯片設(shè)計、芯片篩選測試、模塊封裝、模塊熱管理、系統(tǒng)集成設(shè)計和模塊測試等技術(shù)都亟待攻關(guān)。

 

在產(chǎn)業(yè)層面，從芯片和功率模塊設(shè)計到整車層面的應用驗證這一鏈條尚未打通。芯片企業(yè)缺乏整車層面的真正需求分解和反饋，整車企業(yè)缺乏芯片層面的測評信息。此外，成本也是一大發(fā)展障礙。英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場總監(jiān)程文濤指出，碳化硅材料在加工過程中損耗非常高，加工拋光后只剩原來的1/3。生產(chǎn)成本高外加技術(shù)難度大，導致碳化硅器件價格相對較高。

 

從市場上來看，在碳化硅這條賽道上，國內(nèi)半導體企業(yè)盡管已經(jīng)取得進展，但目前與國外還存在一定差距。短板主要體現(xiàn)在四點：第一，產(chǎn)業(yè)起步晚，追趕難度大；第二，設(shè)計、開發(fā)、仿真、測試技術(shù)尚不成熟，封裝等材料不成熟；第三，從芯片設(shè)計到應用的鏈條沒有打通；第四，開放的公共研發(fā)服務平臺和規(guī)范標準支撐不足。

 

此外，從全球供需關(guān)系來看，目前SiC產(chǎn)品供不應求。中國雖然是全球最大的需求市場，但國產(chǎn)供應能力不足。在國產(chǎn)替代的需求和政策刺激下，期待國內(nèi)的SiC企業(yè)能夠承擔起滿足市場需求的重任，并有龍頭企業(yè)成長起來。