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汽车电动化驱动SiC市场规模增长

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:948

预计未来几年SiC市场将充分受益于新能源汽车渗透提升、电动车配套设备建设和5G通讯基站及数据中心建设,其中汽车电动化为驱动SiC市场规模增长的最主要因素。

Yole指出,采用SiC的汽车解决方案能提高系统效率,有效减轻车身重量并使得结构更加紧密,目前在新能源车上主要用于功率控制单元(PCU)、逆变器,及车载充电器等方面。
到2024年,SiC功率半导体市场规模将达到20亿美元,2018-2024年复合增长率约为50%,其中汽车成为SiC功率半导体[敏感词]的下游应用市场,占比将达到约50%;而根据Researchand Markets预测,全球SiC市场收入将达到30亿美元,2017-2023年复合增长率约为27%。
继去年8月在美国纽交所上市后,7月7日,小鹏汽车第二次IPO,在香港联交所正式挂牌上市。小鹏汽车开盘价为168港元(约140人民币),市值一度达到2800亿港元(约2332亿人民币)。本次IPO,小鹏汽车募资116亿元,将重点用于开发更多产品组合和新技术。据小鹏高管透露,他们正在积极寻找国产供应商,希望在2022年推出SiC车型。
采取SiC器件等一系列电控技术,可提高汽车续航里程。在低负荷情况下,相比IGBT,SiC器件带来的效率提升可以达到5%以上,在中大扭矩区,SiC器件效率可提升1%-2%,而绝大部分的工况都处于中低速小扭矩区,因此应用SiC器件后,车辆续航会有明显的效率提升,总续航可以提升20公里以上。
据小鹏汽车动力总成中心IPU硬件高级专家陈宏介绍,SiC技术的应用与整车续航里程的提升有着紧密的联系。相比硅基IGBT,SiC MOSFET具有耐高温、低功耗及耐高压等特点。采用SiC技术后,电机逆变器效率能够提升约4%,整车续航里程将增加约7%。
碳化硅材料特性及优点
碳化硅(SiC)由于其独特的物理及电子特性, 在一些应用上成为[敏感词]的半导体材料: 短波长光电器件, 高温, 抗幅射以及高频大功率器件,其主要特性及与硅(Si)和砷化镓(GaAs)的对比如下。
宽能级(eV):

  • 4H-SiC: 3.26
  • 6H-Sic: 3.03 
  • GaAs: 1.43 
  • Si: 1.12

由于碳化硅的宽能级, 以其制成的电子器件可在极高温下工作,这一特性也使碳化硅可以发射或检测短波长的光, 用以制作蓝色发光二极管或几乎不受太阳光影响的紫外线探测器。
高击穿电场(V/cm):

  • 4H-SiC: 2.2x10e6 
  • 6H-SiC: 2.4x10e6 
  • GaAs: 3x10e5 
  • Si: 2.5x10e5

碳化硅可以抵受的电压或电场八倍于硅或砷化镓, 特别适用于制造高压大功率器件如高压二极管、功率三极管可控硅以及大功率微波器件. 另外, 此一特性可让碳化硅器件紧密排列, 有利于提高封装密度。
高热传导率(W/cm‧K@RT):

  • 4H-SiC: 3.0-3.8 
  • 6H-SiC: 3.0-3.8 
  • GaAs: 0.5
  • Si: 1.5

碳化硅是热的良导体, 导热特性优于任何其它半导体材料。
事实上, 在室温条件下, 其热传导率高于任何其它金属,这使得碳化硅器件可在高温下正常工作。
高饱和电子迁移速度(cm/sec @E 2x105V/cm):

  • 4H-SiC: 2.0x107 
  • 6H-SiC: 2.0x107 
  • GaAs: 1.0x10 
  • Si: 1.0x107

由于这一特性, 碳化硅可制成各种高频器件(射频及微波)。
多年来,主流的功率半导体技术一直(现在仍然)是硅基,即功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

功率MOSFET被认为是[敏感词]、[敏感词]的器件,用于适配器、电源和其他产品。它们用于高达900伏的应用中。

▲SiC电源组件在电动汽车中有许多用途 
最主要的中端功率半导体器件是IGBT,它结合了MOSFET和双极晶体管的特性。IGBT用于400伏~10千伏的应用。 
问题在于,从5伏到几百伏,硅MOSFET一直都是一种很好的技术。当电压达到600伏到900伏时,硅MOSFET很好,但它开始出现能量损失。
功率MOSFET和IGBT正在达到其理论极限,并且存在不必要的能量损失。器件因传导和开关而产生能量损失。传导损耗是由器件中的电阻引起的,而开关损耗是在开关状态期间发生的。
典型混联型电力驱动系统的电路结构如下图 所示,由储能电池、双向DC-DC 变换器、逆变器/变流器、电动机、发电机、控制电路和电感电容组成。
其中,双向DC-DC变换器将储能电池的电压泵升到逆变器所需的高压直流;逆变器/变流器将直流电压转换成驱动电机的三相交流电;发电机与燃油发动机相连。
其较为理想的工作状态是:启动和低速时,燃油发动机关闭,电池向电动机供电并驱动汽车行驶;爬坡和加速时,燃油发动机和电动机可同时工作;减速和制动时,电动机和发电机均可进行再生制动,向电池充电,能量得到回收。
实际上,现在的大功率电力电子设备无论是成本、体积,还是功率密度,都不是很适应汽车工业的需求。因为传统的大功率电力电子设备主要面向一般工业和可再生能源领域,在性能上要求没有汽车行业这么苛刻。
对于新一代大功率电动汽车,其电力驱动系统需从传统工业级进入到真正的汽车工业级。
为此,美国能源局制定了2020 年HEV 的发展目标:电力电子设备的功率密度超过14.1kW/kg,体积小于13.4kW/L,效率超过98%,价格低于3.3/kW。
这个发展目标对电力电子器件和拓扑性能、控制策略、系统集成以及封装都提出了新的要求和挑战。
SiC 功率半导体器件具有Si基器件无可比拟的电气性能:
1 ) 耐压高。
临界击穿电场高达2MV/cm(4H-SiC),因此具有更高的耐压能力(10 倍于Si)。
2)散热容易。
由于SiC 材料的热导率较高(3倍于Si),散热更容易,器件可工作在更高的环境温度下。有报导,SiC 肖特基二极管在361℃的工作结温下正常工作超过1 小时。
SiC 可显著减小散热器的体积和成本。理论上,SiC 功率器件可在175℃结温下工作,因此散热器的体积可以显著减小。
▲采用 Si 和SiC SBDs 的散热对比
上图为采用SiC SBDs的小功率EV 车载逆变器散热片体积和采用传统Si基半导体器件散热片体积的对比,可看出,采用SiCSBDs 器件散热片的体积大大减小。
对于主流的大功率HEV,一般包含两套水冷系统,一套是引擎冷却系统,冷却温度约105℃,另一套是电力电子设备的冷却系统,冷却温度约为70℃。
如果采用SiC 功率器件,由于其具有3 倍于Si 的导热能力,可以使器件工作于较高的环境温度中。
长期以来,HEV 设计者一直希望将两套水冷系统合二为一,其直接效益是大大降低了HEV 驱动系统的成本。
此外,SiC 功率器件的高导热性也使风冷在未来的中、大功率电动汽车中成为可能。
3)导通损耗和开关损耗低。
SiC 材料具有两倍于Si 的电子饱和速度,使得SiC 器件具有极低的导通电阻(1/100 于Si),导通损耗低;SiC 材料具有3倍于Si 的禁带宽度,泄漏电流比Si 器件减少了几个数量级,从而可以减少功率器件的功率损耗;关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低,可大大提高实际应用的开关频率(10 倍于Si)。
4)可以减小功率模块的体积。
由于器件电流密度高(如Infineon 产品可达700A/cm²),在相同功率等级下,全SiC 功率模块(SiC MOSFETsSiC SBD)的封装尺寸显著小于Si IGBT 功率模块。
▲三菱电机 Si 和SiC 功率模块封装对比
由于开关损耗的降低,SiC 器件能工作于20kHz 以上开关频率,将够显著减小无源器件的体积和成本。
▲三菱电机 11kW Si 和SiC 逆变器体积对比,其中SiC逆变器的功率密度达到10W/cm³

▲典型的电动汽车电源架构 
随着电动汽车以及其他系统的增长,碳化硅(SiC)功率半导体市场正在经历需求的突然激增。
这便是SiC的用武之地。基于氮化镓(GaN)的功率半导体也正在出现。GaN和SiC都是宽带隙技术。硅的带隙为1.1 eV。相比之下,SiC的带隙为3.3 eV,GaN的带隙为3.4 eV。
SiC是一种基于硅和碳的复合半导体材料。在生产流程中,专门的SiC衬底被开发出来,然后在晶圆厂中进行加工,得到基于SiC的功率半导体。

许多基于SiC的功率半导体和竞争技术都是专用晶体管,它们可以在高电压下开关器件的电流。它们用于电力电子领域,可以实现系统中电力的转换和控制。


▲碳化硅智能功率模块

与传统硅基器件相比,SiC的击穿场强是传统硅基器件的10倍,导热系数是传统硅基器件的3倍,非常适合于高压应用,如电源、太阳能逆变器、火车和风力涡轮机。
另外,SiC还用于制造LED。碳化硅材料各项指标均优于硅,其禁带宽度几乎是硅的3倍,理论工作温度可达600℃,远高于硅器件工作温度。技术成熟度[敏感词],应用潜力[敏感词]。
碳化硅器件具有更低的导通电阻。
在低击穿电压 (约 50V 下),碳化硅器件的比导通 电阻仅有 1.12uΩ,是硅同类器件的约 1/100。
在高击穿电压 (约 5kV 下),比导通电 阻提高到 25.9mΩ, 却是硅同类器件的约 1/300。 
更低的导通电阻使得碳化硅电力电子器件具有更小的导通损耗,从而能获得更高的整机效率。
商业化的硅肖特基二极管通常耐压在 300V 以下,而[敏感词]商业化的碳化硅肖特基二极管的电压定额就已近达到了600V ; [敏感词]商业化的碳化硅 MOSFET 电压定额为 1200V ,而常用的硅 MOSFET大多在 1kV 以下。
▲典型的EV/HEV电路框图及适用于SiC/GaN的可能性
碳化硅器件的极限工作温度有望达到 600℃以上, 而硅器件的[敏感词]结温仅为 150℃。
碳化硅器件抗辐射能力较强,在航空等领域应用可以减轻辐射屏蔽设备的重量。
碳化硅器件对电动车充电模块性能的提升主要体现在三方面:
(1)提高频率,简化供电网络;
(2)降低损耗,减少温升。
(3)缩小体积,提升效率。
▲混合动力汽车/电动汽车中的英飞凌主逆变器框架图
(图片来源:英飞凌)
政策支持VS产业成熟度提升
◆ 全球对第三代半导体均展开全面战略部署
2014年初,美国宣布成立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”,期望通过加强第三代半导体技术的研发和产业化,使美国占领下一代功率电子产业。
这个正出现的规模[敏感词]、发展最快的新兴市场,并为美国创造出一大批高收入就业岗位。
日本建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”由大阪大学牵头,协同罗姆、三菱电机、松下电器等18家从事SiC和GaN材料、器件以及应用技术开发及产业化的知名企业、大学和研究中心;欧洲启动了产学研项目“LAST POWER”,由意法半导体公司牵头,协同来自意大利、德国等六个欧洲国家的私营企业、大学和公共研究中心,联合攻关SiC和GaN的关键技术。
◆ 国内政策支持持续加强
我国的“中国制造2025”计划中明确提出要大力发展第三代半导体产业。2015年5月,中国建立第三代半导体材料及应用联合创新基地,抢占第三代半导体战略新高地;国家科技部、工信部、北京市科委牵头成立第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA),对推动我国第三代半导体材料及器件研发和相关产业发展具有重要意义。
◆ 制约产业发展的主要瓶颈在于成本和可靠性验证
行业发展的瓶颈目前在于SIC衬底成本高:目前SIC的成本是Si的4-5倍,预计未来3-5年价格会逐渐降为Si的2倍左右,SIC行业的增速取决于SIC产业链成熟的速度,目前成本较高,且SIC器件产品参数和质量还未经足够验证。
SIC MOS的产品稳定性需要时间验证:根据英飞凌2020年功率半导体应用大会上专家披露,目前SiC MOSFET真正落地的时间还非常短,在车载领域才刚开始商用(Model 3中率先使用了SIC MOS的功率模块),一些诸如短路耐受时间等技术指标没有提供足够多的验证,SIC MOS在车载和工控等领域验证自己的稳定性和寿命等指标需要较长时间。
根据Yole预测,SIC和GaN电力电子器件(注意是GaN在电力电子中的应用,不包括在高频射频器件)2023年在整体功率器件渗透率分别为3.75%和1%;驱动因素是新能源汽车新能源发电以及快充。
目前国内外SIC产业链日趋成熟,成本持续下降,下游接受度也开始提升,目前整个产业链处于行业爆发的前夜。
SiC 器件:10年20倍成长,国内全面布局
◆ 应用:新能源车充电桩和光伏等率先采用
SiC具有前述所说的各种优势,是高压/高功率/高频的功率器件相对理想的材料,所以SiC功率器件在新能源车、充电桩、新能源发电的光伏风电等这些对效率、节能和损耗等指标比较看重的领域,具有明显的发展前景。
高频低压用Si-IGBT,高频高压用SiC MOS,电压功率不大但是高频则用GaN。当低频、高压的情况下用Si的IGBT是[敏感词],如果稍稍高频但是电压不是很高,功率不是很高的情况下,用Si的MOSFET是[敏感词]。如果既是高频又是高压的情况下,用SiC的MOSFET[敏感词]。电压不需要很大,功率不需要很大,但是频率需要很高,这种情况下用GaN效果[敏感词]。
以新能源车中应用SIC MOS为例,根据Cree提供的测算:将纯电动车BEV逆变器中的功率组件改成SIC时,大概可以减少整车功耗5%-10%;这样可以提升续航能力,或者减少动力电池成本。
同时SIC MOS在快充充电桩等领域也将大有可为。快速充电桩是将外部交流电,透过IGBT或者SIC MOS转变为直流电,然后直接对新能源汽车电池进行充电,对于损耗和其自身占用体积问题也很敏感,因此不考虑成本,SIC MOS比IGBT更有前景和需求,由于目前SIC的成本目前是Si的4-5倍,因此会在高功率规格的快速充电桩首先导入。
在光伏领域,高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势,因此基于性能更优异的SIC材料的光伏逆变器也将是未来重要的应用趋势。
SIC肖特基二极管的应用比传统的肖特基二极管同样有优势。碳化硅肖特基二极管相比于传统的硅快恢复二极管(SiFRD),具有理想的反向恢复特性。
在器件从正向导通向反向阻断转换时,几乎没有反向恢复电流,反向恢复时间小于20ns,因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率,在相同频率下具有更高的效率。
另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数,随着温度的上升电阻也逐渐上升,这使得SIC肖特基二极管非常适合并联实用,增加了系统的安全性和可靠性。
总结来看,SIC肖特基二极管具有的特点如下:
1)几乎无开关损耗;
2)更高的开关频率;
3)更高的效率;
4)更高的工作温度;
5)正的温度系数,适合于并联工作;
6)开关特性几乎与温度无关。
根据CASA的统计,业内反应SiC SBD实际的批量采购成交价已经降至1元/A以下,耐压600-650V的产品业内批量采购价约为0.6元/A,而耐压1200V的产品业内批量采购价约为1元/A。
如上表所示,2019年部分SIC肖特基二极管产品价格实现了20%-35%的降幅,SIC二极管价格的持续降低以及和Si二极管价差的缩小将进一步促进SIC二极管的应用。
◆ 门槛:SIC 器件的壁垒和难点
SIC难度大部分集中在SIC晶片的长晶和衬底制作方面,但是要做成器件,也有一些自身的难点,主要包括:
1、外延工艺效率低:碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题,温度不能太高,一般不能超过1800℃,因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高,但产量较低。
2.欧姆接触的制作:欧姆接触是器件器件制作中十分重要的工艺之一,要形成好的碳化硅的欧姆接触在实际中还是有较大难度;
3.配套材料的耐高温:碳化硅芯片本身是耐高温的,但与其配套的材料就不见得能够耐得住600℃以上的温度。所以整体工作温度的提高,需要不断的进行配套材料方面创新。
SIC的优异性能大家认识的较早,之所以最近几年才有较好的进展主要是因为SIC片和SIC器件两个方面相比传统的功率器件均有一些难点,器件生产的高难度高成本加上碳化硅片制造的高难度(后面会提及),两者互为循环,一定程度上制约了过去几年SIC应用的推广速度,随着产业链逐渐成熟,SIC正处于爆发的前夜,拐点渐行渐近。
◆ 空间&增速:SIC 器件未来 5-10 年复合 40%增长
IHS预计未来5-10年SIC器件复合增速40%:根据IHSMarkit数据,2018年碳化硅功率器件市场规模约3.9亿美元,受新能源汽车庞大需求的驱动,以及光伏风电和充电桩等领域对于效率和功耗要求提升,预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元,18-27年9年的复合增速接近40%。

渗透率角度测算 SIC MOS 器件市场空间:(SIC MOS 只是 SIC 器件的一种) SIC MOS 器件的下游和 IGBT 重合度较大,因此,驱动 IGBT 行业空间高成长驱动因素如车载、充电桩、工控、光伏风电以及家电市场,也都是 SIC MOS 功率器件将来要涉足的领域;根据我们之前系列行业报告的大致测算,2019 年 IGBT 全球 58 亿美金,中国22亿美金空间,在车载和充电桩和工控光伏风电等的带动下,预计 2025 年 IGBT 全球 120 亿美金,中国 60 亿美金。
SIC MOS器件的渗透率取决于其成本下降和产业链成熟的速度,根据英飞凌和国内相关公司调研和产业里的专家的判断来看,SIC MOS渗透IGBT的拐点可能在2024年附近。
预计2025年全球渗透率25%,则全球有30亿美金SIC MOS器件市场,中国按照20%渗透率2025年则有12亿美金的SIC MOS空间。

即不考虑SIC SBD和其他SIC功率器件,仅测算替代IGBT那部分的SIC MOS市场预计2025年全球30亿美金,相对2019年不到4亿美金有超过7倍成长,且2025-2030年增速延续。




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