作者簡介：陳東坡，中國科學院電氣工程研究所博士，高級工程師，研究領域包括第三代半導體、光伏、新型顯示、LED等泛半導體領域，擅長產業與市場研究、技術路線研究、競爭對手分析、企業戰略規劃、投資價值分析。E-mail: 498542228@qq.com。

北京三安光電有限公司 副總經理 陳東坡

1   使用優勢

1.1 助力新能源汽車提升加速度

新能源汽車的加速性能與動力系統輸出的最大功率和最大扭矩密切相關，碳化硅（SiC）技術允許驅動電機在低轉速時承受更大輸入功率，且不怕電流過大導致的熱效應和功率損耗，這就意味著車輛起步時，驅動電機可以輸出更大扭矩，強化加速能力。特斯拉發布了全球現階段最快的量產車型，2.1 s 就可完成0 ～ 100 km 加速，速度超越了布加迪；而比亞迪漢采用SiC 模塊后，輸出功率可達200 kW，0 ～ 100 km 加速度僅為3.9 s[1-2]。

1.2 助力新能源汽車降低系統成本

雖然SiC 器件成本略高于硅基器件，但采用SiC器件實現了電池成本的大幅下降和續航里程的提升，從而有效降低了整車成本。數據顯示，在新能源汽車使用SiC MOSFET 的（90 ～ 350）kW 驅動逆變器，使用SiC 器件增加的成本為75 ～ 200 美元（1 美元約為人民幣6.5 元），然而從電池、無源元器件、冷卻系統節省的成本在525 ～ 850 美元，系統性成本顯著下降，相同里程條件下，采用SiC 逆變器單車可節省至少200 美元。

圖1 新能源汽車中使用SiC產品帶來的收益 來源：作者自己整理

1.3 助力新能源汽車增加續航里程

SiC 器件通過導通/ 開關兩個維度降低損耗，從而實現增加電動車續航里程的目的。SiC 的禁帶寬度（3.3eV）遠高于Si（1.1eV），可實現高濃度摻雜，導致漂移區寬度大幅縮短，在SiC MOS 器件導通時，正向壓降和導通損耗都小于Si-IGBT；同時，Si-IGBT 通常會集成快恢復二極管（FRD），關斷時存在反向恢復電流及拖尾電流，導致其開關速度受到限制，造成較大的關斷損耗，而SiC-MOSFET 屬于單極器件，像一個剛性開關，不存在拖尾電流；而且SiC 的載流子遷移率是Si 的3 倍左右，可以提供更快的開關速度，以降低開關損耗。結合英飛凌的研究數據，在25 ℃結溫下，SiC MOS 關斷損耗大約是Si-IGBT 的20%；在175 ℃的結溫下，SiC-MOS 關斷損耗僅為Si-IGBT 的10%。

1.4 助力新能源汽車實現輕量化

輕量化是整車廠的不懈追求，由于SiC 材料載流子遷移率高，能提供較高的電流密度，相同功率等級下封裝尺寸更小，以IPM 為例，SiC 功率模塊體積可縮小至硅功率模塊的2/3 ～ 1/3[3]。SiC 能夠實現高頻開關，減少濾波器和無源器件如變壓器、電容、電感等的使用，從而減少系統體系和重量；SiC 禁帶寬度寬且具有良好的熱導率，可以使器件工作于較高的環境溫度中，從而減少散熱器體積；同時SiC 可以降低開關與導通損耗，使系統效率提升，同樣續航范圍內，可以減少電池容量，有助于車輛輕量化。以羅姆公司設計的SiC 逆變器為例，使用全SiC 模組后，主逆變器尺寸降低43%，重量降低6 kg（如圖2）。

圖2 電機控制器中使用SiC產品帶來的收益 來源：羅姆公司

2   應用現狀

2.1 相關企業正在加速布局

自從特斯拉推出Model3，首次采用以24 個SiCMOSFET 為功率模塊的逆變器后，這類新型半導體材料越來越受重視，整車廠及Tier 1 積極引入SiC 功率半導體。據了解，比亞迪、北汽新能源、吉利汽車、上海大眾、尼桑在其部分車型中的OBC 和DC-DC 中使用了SiC 器件；比亞迪、特斯拉上海工廠、宇通客車、吉利汽車在電機控制器中使用了SiC 器件；傳統車企江淮汽車、紅旗、現代、本田、寶馬、奧迪以及造車新勢力如蔚來、小鵬、理想等企業即將在其主驅逆變器中采用SiC。除此之外，多家零部件供應商也發布了開發、量產SiC 電驅動系統的計劃，例如國外的博世、德爾福、采埃孚、法雷奧，國內典型企業包括精進電動、上海電驅動、緯湃科技等（如圖3）。

圖3 整車廠與tier1 導入SiC情況（部分企業） 來源：自己整理

2.2 市場滲透率目前仍然不高

SiC 芯片在新能源汽車領域的應用前景被業界廣泛看好，目前，各汽車整車廠和供應商都開始布局SiC 芯片的研發和產業化。但從功率半導體市場占有率來看，硅基半導體產品在新能源汽車領域仍是主流，SiC 芯片的應用尚未普及。根據Yole 預測，SiC 電力電子器件2024 年在功率器件滲透率為9%（如圖4），SiC 芯片的市場份額短期內很難達到硅基半導體的水平^[4]，硅基方案和SiC 方案預計將在汽車領域長期共存，來實現傳動系統的最佳性價比。

2.3 國產化預期變得更為強烈

車規芯片中有40% 是功率半導體，單車平均價值在300 美元左右，該類芯片在環境條件、可靠性、耐久性等指標方面均高于工業級和消費級半導體，導致開發時間長、難度大，技術壁壘高，國外廠商占據大部分市場份額，已成為我國汽車產業的“卡脖子”環節，而疫情、連續極端天氣則進一步加劇了該類芯片的危機，自2020 年末開始，汽車行業面臨芯片斷供風險。中國作為世界最大的新能源汽車產銷國深受汽車芯片短缺困擾，國內不少車企因此生產受阻，甚至停產減產。據悉，今年以來大眾、豐田、本田、通用、沃爾沃等企業都因芯片短缺出現過短暫停產，車規芯片國產化預期變得更為強烈，而國內汽車技術加速向電動化發展，汽車電氣化程度逐步加深將導致SiC 量價齊升。

2.4 性價比與可靠性急需提升

SiC 行業發展的瓶頸主要在于SiC MOS 產品的性價比目前比較低。價格方面，由于SiC 襯底生產效率低，成本比硅晶片高出許多，再加上后期外延、芯片制造及器件封裝的低成品率，導致SiC 器件價格居高不下，根據行業預測，目前批量化價格仍舊是硅基IGBT 的3~5 倍。產品性能方面，SiC MOS 制造工藝中高質量、低界面態的柵界面調控技術還需加強，批量制造技術與成品率也需進一步提升。同時，SiC MOS 真正落地的時間還非常短，從芯片和功率模塊設計到整車層面的應用驗證這一鏈條尚未打通，一些諸如短路耐受時間等技術指標沒有得到足夠多的驗證，而且國產SiC MOS 器件沒有裝車上路的數據，SiC MOS 在車載領域的穩定性和壽命等指標還需要時間與實踐驗證。

3   導入路徑

3.1 導入領域：從OBC導入過渡到電機控制器

SiC 功率器件主要用于控制器、OBC（車載充電機）和DC-DC 車載電源轉換器，其中，用于電機控制器的功率模塊是增長空間最大的車用SiC 產品，預計占SiC 芯片市場的50% 左右。從導入時序來看，國外不少公司已在2018 年開始將SiC 肖特基勢壘二極管和MOS 管用在OBC 上，SiC 在車載電源領域OBC和DC-DC 中的市場滲透率逐步提升，通過這些場景的應用帶動SiC 產品技術成熟與成本下降，然后再滲透到可靠性要求更高的電機控制器，預計到2022 年以后才會出現SiC MOS 管的實質性應用^[5-6]。

3.2 導入車型：長續航里程電動車最先導入

續航里程提升有助于推動電動車銷量增長，新能源汽車企業普遍靠提高電池容量來增加續航里程，但受限于電池技術和成本，新能源汽車企業已很難再通過此方法顯著提升續航，而在電機控制器中引入SiC技術成為一種有效路徑，這促使SiC 在長續航新能源汽車市場加速滲透。據預測，續航里程大于500 km 的電機控制器中SiC 滲透率到2024 年預計達到100%；續航里程（400 ～ 500）km 的電機控制器預計在2023年開始使用SiC，整體滲透率在40% 左右；續航里程400 km 以下車型的電機控制器將在2025 年以后使用SiC，整體滲透率將小于10%^[3]（如圖6）。

3.3 導入時間：預計到2025年之后才會爆發

隨著SiC 產品性價比與可靠性提升，SiC 產品的滲透率穩步提高，國內外部分車企已開始在電機控制器中導入SiC 產品，其中特斯拉推出的Model3，就采用了基于SiC MOSFET的功率控制模塊；比亞迪的“漢”也搭載了SiC MOSFET 功率控制模塊。目前，幾乎所有的新能源汽車企業都把SiC 電機控制器開發列入到新項目開發的時間表中，而應用SiC 模塊的車廠會越來越多。從全球市場來看，預估2025 年會成為SiC在新能源汽車市場的一個爆發點，SiC 的供應有可能會進入到全面供不應求的階段。

3.4 導入產品：從分立器件向全SiC模組過渡

SiC 功率器件包括二極管和晶體管，二極管通常以分立器件形式使用，也可以在混合模組或者全SiC模組中使用；晶體管也是以分立器件或者在全SiC 模組中使用^[4]。目前SiC功率器件市場仍由分立器件主導，二極管產品已經產業化，并實現大規模商用，混合模組也已經在一些應用中滲透，分立的晶體管和全SiC 還在進一步研發和積極推廣之中，全SiC模組的研發與推廣預計將會花費更長的時間，但全SiC 模組的市場會更大（如圖8）。

圖8 SiC產類型 來源：Power SiC 2019：Materials，Devices and Applications

參考文獻：

[1] 寬禁帶半導體開啟新能源汽車新篇章[N/OL].中國電子報,[2021-6-28]. https://b a i j i a h a o . b a i d u . c om/s?id=170381625775841.

[2] Yole Développement.Power SiC 2019:Materials,Devices and Applications[R/OL].[2019-7-21].https://www.sohu.com/a/328251230_256868.

[3] 材料深一度.國內新能源汽車應用前景明確,SiC有效產能供給不足[R/OL].[2021-8-

17].http://www.casmita.com/news/202108/17/5716.html.

[4] Yole Développement.Power SiC 2019:Materials,Devices and Applications[R/OL].[2019-9-17].http://www.ncap - c n . c o m /news/report/2019/2156.html.

[5] 小熹.行研|功率之王——碳化硅[R/ O L ] . 信熹資本,[2019-09-30]. https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1632628844&ver=3337&signature=AEuEP2MtGnXopob-4retNUQMe-HjCVrb7XeRM4-p6MomHfOWAPN5YTN21NKx0nxr5xKTCvkZs61J4l6hxqhRynHhuzPoDfV2N5gvSR1pFuXE6ea7MgD38Jr8tx07GYiG&new=1.

[6] 第三代半導體聯合創新孵化中心.汽車電氣化制勝法寶——碳化硅（SiC）[R/OL]. 半導體材料與工藝設備,[2021-1-28].https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1632628874&ver=3337&signature=0mxm6mzHYjmZbjeUc5MGhNcYE2abEzmAzNxQmdmMJ4iO1ZYIqIChB2SZAx0q5l1PWNODIHAH7k6QyCSGBJ-zilOIH7ZBtUXowbXMjhHHG0Rgfto10lx6moLehuYsZl4n&new=1.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年10月期）