SiC会取代IGBT吗?它的大规模商用面临哪些难点

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SiC会取代IGBT吗?

我们知道,车用功率模块(当前的主流是IGBT)决定了车用电驱动系统的关键性能,同时占电机逆变器成本的40%以上,是核心部件。

目前,IGBT约占电机驱动器成本的三分之一,而电机驱动器约占整车成本的15~20%,也就是说,IGBT占整车成本的5~7%。2018年,中国新能源汽车销量按125万辆计算的话,平均每辆车大约消耗450美元的IGBT,所有车共需消耗约5.6亿美元的IGBT。

但SiC的出现,让业内人士抓住了新的机会。甚至有业者认为,未来,SiC将会彻底取代IGBT。那么,那么,市场为什么会如此青睐SiC呢?

编者整理部分业者的看法,总结了以下三点:

1、SiC器件的工作结温在200℃以上,工作频率在100kHz以上,耐压可达20kV,这些性能都优于传统硅器件;

2、SiC器件体积可减小到IGBT整机的1/3-1/5,重量可减小到40-60%;

3、SiC器件还可以提升系统的效率,进一步提高性价比和可靠性。

在电动车的不同工况下,SiC器件与IGBT的性能对比情况如下图所示,不同工况下,SiC的功耗降低了60-80%,效率提升了1-3%,SiC的优势可见一斑。

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整体来看,SiC想要取代IGBT,还需要解决良率、成本及可靠性等多方面难题。换句话说,如果SiC的性价比比不上IGBT,那么想要取而代之,可能性很小。

当然,SiC的未来前景还是可以期待的,毕竟它的整体性能远超IGBT太多,如果大规模用于新能源汽车后,将会极大程度提升其充电效率、续航里程及减轻整车重量(最明显的例子便是特斯拉Model3)。至于取代IGBT只不过是时间问题,目前的市场状态是,SiC会逐渐取代IGBT在新能源汽车领域的部分市场,这种趋势还会随着SiC规模化量产逐渐加大。

SiC大规模商用面临哪些难点?

从产业链角度看,碳化硅包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节,但目前全球碳化硅市场基本被在国外企业所垄断。

在全球市场中,单晶衬底企业主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel等,外延片企业主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon等,器件方面,全球大部分市场份额被Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等少数企业瓜分。

由于碳化硅产业环节如芯片性能与材料、结构设计、制造工艺之间的关联性较强,不少企业仍选择采用IDM模式,如罗姆和Cree均覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件、模组全产业链环节,其中Cree占据衬底市场约40%份额、器件市场约23%份额。

事实上,目前整个碳化硅产业尚未进入成熟期,但国际厂商已实现多个环节规模量产技术瓶颈的突破,并已摩拳擦掌、即将掀起一场大战,而国内碳化硅产业仍处于起步阶段,与国际水平仍存在差距。

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就目前来看,SiC芯片目前面临的挑战主要包括:

1、成品率低,成本高。SiC在效能上较IGBT优良,但制造成本偏高,由于SiC在磊晶制作上有材料应力上的不一致性,造成晶圆尺寸放大时,会有磊晶层接合面应力拉伸极限的问题,导致晶格损坏影响良率,故晶圆尺寸主流仍维持4寸或6寸,无法取得大尺寸晶圆成本优势。

2、SiC MOSFET缺少长期可靠性数据,这一点还需要不断实验与改进。

很明显的体现就是,SiC芯片载流能力低,而成本过高,同等级别的SiC MOSFET芯片,其成本是硅基IGBT的8-12倍。功耗方面,SiC MOSFET先于硅基IGBT开通,后于IGBT关断,而IGBT可以实现ZVS(零电压开关),可大幅降低损耗。

总体来看,硅基IGBT的电气特性接近SiC MOSFET芯片的90%,而成本则是SiC MOSFET的25%,由于硅便宜又好用,因此,SiC和硅混合开关模块会有很大的市场应用前景,而纯SiC芯片及器件要想在汽车功率系统当中普及,还需要时间。

总结

整体而言,由于制造成本与产能等因素,初期SiC功率元件在新能源汽车市场的渗透率不高。但随着技术的不断提升,预估2023年前后市场会有显著成长,对IDM大厂而言,持续拓展产品线多元化应用、降低制造成本并提升产能,将是拓展市场的重点。

在新能源汽车强势需求的推动下,提前布局SiC已成为大势所趋。国内企业需通过自主创新突破技术壁垒,掌握自主的核心技术,在实现国产化的基础上,借助发展新能源汽车的东风将国产SiC推向世界。

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