第三代半導體SiC功率器件加速新能源汽車產品升級

作為第三代半導體材料之一，碳化矽(SiC)具有耐高壓、耐高溫、能量損耗低而耐高頻運行的特點，因此使用SiC功率器件可以大幅降低終端用戶成本支出。現階段，各廠商都對新一代SiC功率器件寄予厚望，期待實現功率模塊的小型化。

近日，SiC功率半導體模塊及應用解決方案提供商忱芯科技(UniSiC)宣布完成數千萬元人民幣天使輪融資，融資資金將用於產品研發、量產等方面。目前，SiC功率器件主要用於車載設備。隨著新能源汽車行業的蓬勃發展，SiC功率器件將在其中扮演越來越重要的角色，有望為新能源汽車行業帶來新的變革。

SiC功率器件大幅提升能源轉換效率

近年來，功率器件逐漸成為眾人矚目的「焦點」。比亞迪功率器件產品總監楊欽耀告訴《中國電子報》記者，功率器件是電力電子的「CPU」，是特高壓電網、高速列車、新能源汽車充電樁及工業變頻器和伺服器的核心晶片，也是各系統電源模塊的關鍵器件，起到變頻、變流和變壓作用。

SiC功率器件作為一種新型功率器件，在新能源汽車的應用中具有極大優勢。據悉，SiC材料具有耐高壓、耐高溫、高效率、高頻率、抗輻射等優異的物理和化學特性，能夠極大地提升現有能源的轉換效率。新能源汽車系統架構中涉及到功率半導體應用的組件包括三大部分：電機驅動器、車載充電器(OBC)/非車載充電樁和電源轉換系統(車載DC/DC)，SiC功率器件憑藉其獨有的優勢在其中發揮著重要的作用。

在電機驅動領域，使用SiC器件可提升控制器效率、功率密度以及開關頻率，通過降低開關損耗和簡化電路的熱處理系統來降低成本、重量、大小及功率逆變器的複雜性。有關資料顯示，在電機驅動器中採用SiC器件可明顯降低損耗。具體來說，當使用SiC器件時，SiC BJT構成的逆變器損耗降低了53%;當頻率升高時，損耗還會進一步降低。據了解，開關頻率為15kHz時，SiCBJT逆變器的損耗會降低67%。

在車載充電器和非車載充電樁中使用SiC功率器件可提高電池充電器的工作頻率，實現充電系統的高效化、小型化，並提升充電系統的可靠性。據悉，充電模塊的工作環境具有高頻、高壓和高溫的特點，與Si基器件相比，SiC器件的特性更適合這樣的工作環境，因此SiC器件在充電模塊中大有可為。

在電源轉換系統中使用SiC功率器件可縮小電路的尺寸，降低重量，縮減無源器件的成本，在滿足冷卻系統的需求的同時大大降低整個系統的重量和體積。據了解，在電動汽車中，引擎部分需要冷卻系統保持其溫度在105℃，而功率變換器部分則要求冷卻系統使其溫度在70℃左右。為了使兩部分正常工作，必須採用兩套冷卻系統以滿足不同的需求，這無疑大大增加了電動汽車冷卻系統的體積。由於SiC功率器件的工作結溫已經達到361℃，因此在這種情況下採用SiC功率器件可以將引擎冷卻系統與功率變換器系統合二為一，大大減小功率變換器的體積。

眾多企業加入SiC功率器件賽道

基於SiC功率器件在電機驅動器、充電模塊和電源轉換系統的優異表現，不少企業都對SiC功率器件青睞有加。

現階段，眾多半導體廠商紛紛加入研發SiC功率器件的賽道。西安電子科技大學教授張玉明告訴記者，當前越來越多的廠商正在對SiC器件加大投入。國外知名廠商如ROHM、Cree、ST和Infineon等都已參與布局其中，國內也有不少廠商陸續推出SiC功率器件產品，如泰科天潤、基本半導體和楊傑科技等。

一些新能源汽車企業也在嘗試布局SiC功率器件，助力新能源汽車行業的發展。張玉明表示，全球範圍內，作為率先採用Si-C功率器件的新能源汽車企業，特斯拉發揮了很重要的示範作用。與此同時，張玉明指出，目前國內主流的車廠也都在新能源汽車行業積極地使用SiC功率器件，如比亞迪、奇瑞、北汽和中車等。但因為國內新能源汽車企業對SiC功率器件還是有些謹慎，所以在這方面的投入力度不夠，進展的速度還需要加快。

SiC器件的很多性能優於Si產品，然而其成本卻比Si產品高，這使得SiC器件目前市場滲透率極低。這種看似不太樂觀的情況在張玉明看來卻是十分正常的。他認為，SiC功率器件的規模化應用可以降低其成本，但現階段該功率器件作為一種新興產品，其規模化的發展仍需時間。「目前SiC器件成本較高，這是一個非常正常的事情，就如同Si器件早期發展時的情況一樣。我認為應用端要加大採用SiC功率器件的力度，規模效應是降低成本的一個很關鍵的因素。大家要給SiC功率器件更多的機會。」他說。

除規模效應外，如何從技術的角度降低SiC功率器件的成本?英飛凌大中華區汽車電子事業部區域市場經理張昌明指出，SiC晶圓生產工藝的改良是降低SiC功率器件成本的根本方法。他表示，雖然結合Si的成本優勢以及SiC的性能優勢來研發混合型功率器件將會擴展SiC功率器件的應用範圍，擴大其使用規模，從而降低其成本，但要想從根本上降低該功率器件的成本，就要加大對SiC晶圓技術的研究投入，比如使SiC晶圓向8英寸方向發展，或讓SiC晶圓的生長更穩定。但這並不是一件容易的事。「SiC晶圓的生長周期長，是Si晶圓的3～5倍。SiC晶圓的硬度較高，因此加工難度比Si晶圓大。」張昌明說。

張玉明還告訴記者，現階段除了SiC晶圓的尺寸和質量的提升，製造工藝柵界面調控技術和成品率也需要進一步提升。

新基建加速SiC功率器件規模化應用

SiC功率器件在新能源汽車的應用尚處於早期階段，因此其市場規模的擴大還有較大空間。張昌明告訴記者，截至2025年，SiC功率器件在新能源車上的應用將佔到約20%的市場份額。「新能源汽車為了獲得更長的行駛裡程，其電池容量會越來越大，因此需要更大功率的OBC(三相大功率OBC)來加快充電速度，縮短充電時間。三相大功率OBC需要可以支持更快速開關的功率器件，而SiC MOSFET是可以滿足此需求的首選器件。隨著SiC器件的大規模應用，其成本將會下降，因此其在電機驅動器市場所佔的份額也將進一步擴大。」他說。

作為新基建的重要內容之一，我國新能源汽車行業的發展也能夠給功率半導體器件帶來新的發展機遇。楊欽耀表示，功率半導體器件被廣泛應用於新基建各個領域，尤其是在特高壓、新能源汽車充電樁、軌道交通及工業網際網路方面更是起到了核心支撐作用。

作為新型功率半導體器件的代表之一，在新基建的助推下，SiC功率器件或可被大規模推廣，其市場前景廣闊，未來可期。除了新基建的助推作用，國外新能源汽車企業對SiC功率器件的率先使用也可為我國該產業的發展提供「借鑑之路」。

特斯拉的Model3是第一家採用SiC MOSFET來做逆變器的車廠。在使用SiC功率器件後，其續航能力顯著提升，是寬禁帶半導體應用於汽車的又一新的裡程碑。

張玉明分析了特斯拉對SiC功率器件的率先使用能夠為國內企業帶來的影響。張玉明認為，特斯拉在中國生產會加劇我國新能源車市場中的競爭，但這不一定是件壞事。「特斯拉的推出會對國產新能源汽車產生衝擊，因此市場競爭會加劇，會產生競爭效應。但是換一個角度看，這是好事情，它能加速我國相關產業的追趕和投入，使我們加快技術的投入和市場的拓展。」他說。

張玉明還表示，特斯拉在SiC器件的應用方面會對我國自主新能源汽車企業引發極大的示範效應，將因此推動自主新能源車企進一步加快SiC功率器件的應用。