SiC的绝佳风口

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本周,日本市调机构Fuji Keizai指出,因汽车/电子设备用需求大幅萎缩,拖累2020年全球功率半导体市场规模年减3.8%,其中硅(Si)制产品规模萎缩4.0%,SiC等第三代化合物半导体产品市场增长9.6%。

Fuji Keizai表示,2020年功率半导体市场虽陷入萎缩,不过自进入2021年以来,因车辆电子化、5G通讯相关投资增加,加上产业领域需求回复,因此预估市场将转趋扩大,预估2030年市场规模将达4兆471亿日元、将较2020年成长44.3%,其中,预估硅制产品市场规模将较2020年增长38.0%。

Fuji Keizai表示,自2021年以后,在汽车/电子设备需求加持下,预估第三代化合物功率半导体市场将以每年近20%的速度增长,预估2030年市场规模将较2020年增长3.8倍。其中,来自中国、北美、欧洲的需求上升,预估2030年SiC功率半导体市场规模将扩大至1859亿日元、将较2020年增长2.8倍;GaN功率半导体市场规模将较2020年飙增6.5倍。

SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一,令其成为新能源汽车的理想选择。与传统解决方案相比,基于SiC的解决方案使系统效率更高、重量更轻,且结构更紧凑。

在电动汽车中,SiC功率半导体主要用于驱动和控制电机的逆变器、车载充电器和快速充电桩。对于逆变器而言,800V高压运行架构下的SiC功率半导体比传统硅器件的整体系统效率高8%。SiC功率半导体也使得散热系统设计更简单,机电结构的空间更小。对于车载充电和快速充电桩,SiC功率半导体与传统硅器件相比,在充电过程中减少了能量损失,也减少了所需的电容和电感的数量。

SiC比硅更薄、更轻、更小巧,市场应用领域偏向1000V以上的中高压范围。车用半导体中,SiC是未来趋势,目前,xEV车中的主驱逆变器仍以IGBT+硅FRD为主,考虑到未来电动车需要更长的行驶里程、更短的充电时间和更高的电池容量,SiC基MOSFET将是大势所趋。SiC有望提高3%-5%的逆变器效率,从而降低电池成本。

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

目前来看,车用功率半导体器件中,仍以硅基IGBT为主,而SiC基MOSFET代表着未来,因为它性能更强,但目前推广的最大障碍就是高成本。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的优势就越显著。

要想充分发挥MOSFET的优势,就需要控制承压层深度和掺杂浓度等技术参数,以获得更高的工作电压、最大功率和综合效率。目前,SiC基MOSFET系统的综合效率(以逆变器效率计算)约为98%,在应用层面,SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征优势。

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,更高的工作频率可以有效降低电感、电容等元器件的尺寸,且更耐高温,可以减小冷却系统的尺寸,最终带来的是系统级的体积缩小和成本的降低。

SiC用在车用逆变器上,能够大幅度降低逆变器尺寸和重量,做到轻量化与节能。在相同功率等级下,全SiC模块的封装尺寸显著小于硅模块,同时也可以使开关损耗降低75%(芯片温度为150° C)。在相同封装下,全SiC模块具备更高的电流输出能力,支持逆变器达到更高功率。

特斯拉的Model 3采用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成全SiC功率模块的车企。2017年12月,罗姆为VENTURI车队在电动汽车全球顶级赛事“FIAFormula E”锦标赛中提供了采用全SiC功率模块制造的逆变器,使逆变器尺寸下降了43%,重量减轻了6kg。

逆变器已经开始使用IGBT+SiC SBD的混合方案,预计全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逆变器能够提升5-10%的续航,节省400-800美元的电池成本(80kWh电池、102美元/kWh),与新增200美元的SiC器件成本抵消后,能够实现至少 200美元的单车成本下降。据罗姆测算,到2026年,几乎所有搭载800V动力电池的车型采用SiC方案都将更具成本优势。

此外,车载OBC和DC/DC,已经开始采用SiC器件,比如PFC电路中二极管切换改为了SiC SBD,或者将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。

新能源车的功率控制单元(PCU)是汽车电驱系统的中枢神经,管理电池中的电能与电机之间的流向和传递速度,传统PCU使用硅基材料制成,强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源,而使用SiC则可大大降低这一过程中的能量损失。

将传统PCU配备的硅二极管换成SiC二极管,硅IGBT换成SiC MOSFET,就可以降低10%的总能量损耗,同时也可以大幅降低器件尺寸,使车辆更为紧凑。

SiC功率器件也在加速融入车载充电器领域,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年之前可保持44%的增长速度。

主要障碍

目前,制约SiC功率器件大规模应用的主要障碍依然是成本,受制于上游晶圆产能不足、晶圆缺陷面积较大等原因,目前SiC功率器件的价格是硅的5-10倍。

成本问题主要源于低效的晶体生长过程,传统硅晶圆制作是将多晶硅在1500℃左右融化后,将籽晶放入其中边匀速旋转边向上提拉形成约2m的硅锭,再进行切割、倒角、抛光、蚀刻、退火等操作,然后形成晶圆。而SiC晶锭的制作比硅低效很多,普遍采用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,目前Cree、ST等主流厂商都已经量产6英寸晶圆,并同步进行8英寸的研发,计划最早于2022年量产8英寸晶圆。单片8英寸晶圆芯片产量可达到6英寸的1.8倍,但同时也面临着缺陷密度变高等难题。

不过,2022年有望成为SiC价格下降的转折点,因为主流豪华车品牌开始量产采用SiC方案的车型,这将大幅提升Cree等衬底厂商8英寸线的产能利用率。到2025年,SiC器件价格有望下降到当前水平的1/4-1/3,结合电池成本的节省,SiC的性价比将显著提高。

产业链愈加成熟

Cree一直在积极扩大其SiC衬底产能并将业务重心从LED向功率器件转移,成为大众FAST(未来汽车供应链)项目合作伙伴,和安森美签署了多年期协议,为其供应6英寸衬底和外延片,并扩大了和意法半导体的合作范围,增加了订单。

其它厂商方面,丰田和电装、富士、三菱合作开发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实力,三菱电机、富士电机、东芝等3家厂商合计握有全球2成市占率。富士电机将投资约1200亿日元扩增日本国内外工厂产能,增产功率半导体;东芝计划在2023年度结束前投资约800亿日元,将功率半导体产能提高3成。

此外,Rohm也是一支重要力量,该公司在SiC功率半导体的研发上居于领先地位,在全球SiC功率半导体市场占有2成市占率,和英飞凌(Infineon)、STMicroelectronics并列为全球主要供货商之一。该公司计划在今后5年内投资600亿日元、将使用于EV的SiC功率半导体产能扩增至现在的5倍。而其产能扩增至5倍后,全球市占率有望提高至3成。Rohm生产的半导体材料已用于特斯拉的EV逆变器上。

在中国,华为战略投资了山东天岳,北方华创向天岳批量供应生产6英寸SiC晶圆的单晶炉,可以控制产品缺陷情况。此外,比亚迪也在进行SiC基功率半导体相关技术研发。

整车厂方面,从特斯拉Model 3车型销量反推,SiC基MOSFET单车价值约为1300美元,考虑到能效提升对同等工况续航条件下动力电池用量的节约作用,估计使用SiC基 MOSFET比硅基IGBT总成本提升100-150美元。

对于定位在10万元及以下的车型来说,使用SiC基MOSFET仍有一定成本压力;对于定位在30万元及更高的车型而言,鉴于消费者对工况续航、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升有很大帮助。

目前来看,Model 3是SiC基MOSFET在新能源汽车上应用的成功案例,其电控系统共搭载了24个650V、100A的SiC基MOSFET功率模块,每个模块有两个芯片并联组成。

特斯拉在设计电控过程中,充分考虑了回路电感对开关速度、开关损耗、电气可靠性和功率密度的影响,使得以SiC基MOSFET为核心的高效电控系统成为整车低电耗的有力保障。

Model 3是首款逆变器采用SiC功率器件的纯电动车型,由ST定制,耐压650V,由标准的三个半桥功率开关拓扑构成,单桥臂由4颗单管的小模块构成,每个模块由两个SiC die构成。

结语

随着纯电汽车的快速崛起,特别是诸多企业纷纷加入这一战团,使得市场规模本来就很大的汽车半导体市场,进一步拓展了增长空间,这对于新兴的第三代化合物半导体,特别是非常适合汽车应用的SiC功率器件来说,遇到了一个绝佳的发展风口,前途不可限量。

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