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特斯拉比亚迪等重点布局 碳化硅为啥越来越吃香?

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近两年,碳化硅正在成为汽车领域冉冉升起的新星,引发了车企及技术提供商的重视和布局。相关资料显示,2016年,特斯拉率先在Model 3上采用意法半导体的24个碳化硅MOSFET模块。随后,国外车企如丰田大众,国内如比亚迪、蔚来等陆续宣布将采用碳化硅方案。

如此短的时间内,是什么原因导致碳化硅被追捧?碳化硅在汽车领域又呈现什么样的发展格局?

新能源汽车成主驱动力

现今,随着新能源汽车高速发展,此前采用较多的硅(Si)基材料基本已逼近其物理极限,如工作温度、电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等,尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性。为此,需要新的材料来替代。

作为第三代半导体材料的典型代表,碳化硅(SiC)具有宽的禁带宽度,高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,是高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。此外,由于SiC功率器件可显著降低电子设备的能耗,因此可使新能源汽车的系统效率更高、重量更轻及结构更加紧密,有助于节省成本续航里程的提升。

电气化车辆上,SiC功率半导体主要用于驱动和控制电机的逆变器、车载DC/DC转换器、车载充电器(OBC)等。“目前,电动车中的主驱逆变器仍以IGBT+硅FRD为主,但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,在车用半导体中,碳化硅一定会是未来趋势。”一位行业分析人士说道。

而车载充电器和充电桩使用SiC器件后将充分发挥高频、高温和高压三方面的优势,可实现充电系统高效化、小型化和高可靠性。据了解,目前全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用SiC功率器件。

图片来源:罗姆

汽车电气化趋势已不可逆,在此背景下,碳化硅产业将迎来发展风口。行业巨头Cree指出,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。

汽车产业链大力布局

基于碳化硅在汽车行业的向好前景,近年来,除了半导体企业不断加码外,车企及Tier1技术提供商纷纷展开布局。

■ 大量半导体厂商涌进

从全球SiC器件开发参与者来看,目前以美国、欧洲、日本厂商为主。当中,德国英飞凌、日本罗姆、美国Cree(科锐)三家企业目前约占据90%的SiC市场份额,处于三足鼎立的龙头地位。罗姆曾在接受盖世汽车采访时表示,与2019财年(截至2020年3月31日)相比,预计2024财年(截至2025年3月31日)的罗姆的SiC生产能力将提升5倍以上。除了以上三家外,意法半导体、安森美等国外半导体企业亦取得不错的进展。

在庞大的市场需求推动下,国内也涌现了一批优秀的企业,如杨杰电子、基础半导体、株洲中车时代、三安集成、中电科55所、臻驱科技等。

■ 车企动作频频

在半导体企业为之疯狂时,汽车厂商也安耐不住了,近年来动作频频。

据悉,丰田中央研发实验室和电装公司从1980年开始合作开发SiC半导体材料,2014年正式发布了基于SiC半导体器件的零部件——应用于新能源汽车的功率控制单元(PCU)。

另外两大日系车企本田、日产均和罗姆公司就HEV/EV应用SiC半导体技术进行了多年的合作研究。本田和罗姆公司共同开发出了使用SiC半导体器件的高功率电源模块,将转换器和逆变器的二极管和晶体管全部由硅器件改为SiC器件。

大众汽车集团于2019年与Cree签署合作协议,通过功率模块供应,为未来的大众汽车集团汽车提供SiC碳化硅基解决方案。

国内车企中,比亚迪汉EV车型上已开始使用自主研发的Sic MOSFET(碳化硅功率场效应晶体管)。预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现SiC基车用功率半导体对硅基的全面替代。2021年6月,蔚来首台碳化硅(SiC)电驱系统C样件下线,该SiC电驱系统将搭载在ET7上,为车辆提供更长的续航里程。

图片来源:蔚来汽车

■ Tier 1企业迅速发力

除了车企外,不少Tier 1企业近年开始在碳化硅领域迅速发力。

博世于2019年宣布开始碳化硅相关业务。功率碳化硅半导体生产基地位于德国罗伊特林根,主要来生产碳化硅的晶圆以及MOSFET。

博世碳化硅功率器件

采埃孚与美国碳化硅半导体企业Cree宣布建立战略合作关系,计划2022年前将SiC电驱动系统推向市场。

博格华纳于2021年上海车展期间推出800 V碳化硅逆变器,该逆变器具有双面散热的能力,减少了逆变器40%的重量,缩小了30%整体尺寸,提高了25%功率密度。

博格华纳800V碳化硅控制器

与此同时,纬湃科技(原大陆集团动力总成事业群)于年初宣布将为现代汽车集团的新型电动汽车平台量产800伏碳化硅逆变器。

看向国内,2019年,华为旗下的哈勃科技投资有限公司投资参股了山东天岳先进材料科技有限公司,持股10%。2020年12月,哈勃科技又投资碳化硅外延晶片供应商瀚天天成,认缴出资额超977万元。

很显然,在新能源车爆火的今天,碳化硅已经成为国内外汽车产业布局的重点,不论是合作开发还是自主研发,均将碳化硅推向了技术浪潮的巅峰。

存在问题

从国内车用场景看,尽管目前碳化硅前景向好且受到市场追捧,但在商业化进程中依然存在各类问题。

从技术上来看,中国科学院电工研究所研究部主任温旭辉指出,“虽然车用碳化硅控制器功率密度大幅提升、损耗明显下降,但快速开关带来的电磁干扰问题同样突出,因此宽频域电磁干扰预测及高密度电磁干扰滤波是今后的行业研究重点之一。”此外,芯片设计、芯片筛选测试、模块封装、模块热管理、系统集成设计和模块测试等技术都亟待攻关。

在产业层面,从芯片和功率模块设计到整车层面的应用验证这一链条尚未打通。芯片企业缺乏整车层面的真正需求分解和反馈,整车企业缺乏芯片层面的测评信息。此外,成本也是一大发展障碍。英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛指出,碳化硅材料在加工过程中损耗非常高,加工抛光后只剩原来的1/3。生产成本高外加技术难度大,导致碳化硅器件价格相对较高。

从市场上来看,在碳化硅这条赛道上,国内半导体企业尽管已经取得进展,但目前与国外还存在一定差距。短板主要体现在四点:第一,产业起步晚,追赶难度大;第二,设计、开发、仿真、测试技术尚不成熟,封装等材料不成熟;第三,从芯片设计到应用的链条没有打通;第四,开放的公共研发服务平台和规范标准支撑不足。

此外,从全球供需关系来看,目前SiC产品供不应求。中国虽然是全球最大的需求市场,但国产供应能力不足。在国产替代的需求和政策刺激下,期待国内的SiC企业能够承担起满足市场需求的重任,并有龙头企业成长起来。

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