SiC MOSFET为何替代不了IGBT？

近年来，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等材料为代表的化合物半导体因其宽禁带、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等优异的性能而饱受关注。SiC和Si来竞争制造功率半导体无论是在科学和实践上都得到了实力上的体现，尤其是随着新能源电动车的普及和发展，主机厂开始转向800V高压平台，对SiC的需求量越来越大，其在汽车上的应用步伐也在加快。这就对硅基的IGBT带来了一定的冲击。

在SiC如日中天的大环境下，IGBT又为何还能如此香？联想近日特斯拉的一些做法，让我们再来重新审视一下IGBT和SiC这两者的存在意义。

SiC MOSFET为何替代不了IGBT？

诚然，SiC虽然具有一些优越的特性，但并不适用于所有应用场景。SiC晶体管具有更高的开关速度、更低的导通电阻和更高的耐压能力等优点，这使得它们非常适合高频、高压等应用场景，在600–1,700V范围应用上SiC功率器件具有很大的优势，尤其是新能源汽车领域，传统硅基IGBT芯片在高压快充车型中已经达到了材料的物理极限，所以新能源汽车开始纷纷拥抱SiC。

但是，SiC晶体管的劣势在于，其价格相对较高，SiC生产过程也更加复杂。SiC价格较高的主因是因为SiC衬底导致：SiC晶体生长的速度缓慢，SiC晶体长1cm大约需要7天，相比之下，拉出一根2米左右的8英寸硅棒仅需要2-3天时间；SiC的硬度也很高，不仅切削时间长，而且良率还低，一般来说，硅片的切割只需要几个小时，而SiC则需要数百小时。因此，SiC产业链的实际控制权掌握在衬底供应商中。除此之外，其他生产成本也比Si高，但相对衬底所占的比重则较小，SiC加工生产需要更高的温度及更昂贵的耗材。SiC晶体管也存在一些缺点，比如容易受到损坏、温度敏感等问题。综合这些特点来看，SiC并不适用于一些低成本、低功率的应用场景。

IGBT的制造成本低于SiC MOSFET，因为IGBT使用的硅基材料成本低，生产技术成熟，硅的价格仅为宽禁带材料的三分之一至四分之一。其次，IGBT的可靠性比SiC MOSFET高，因为IGBT的结构相对简单，故障率较低。同时，IGBT具有更好的电容性能和更好的抗过压能力，适用于大功率、大电流的应用场景。譬如在DC-DC这种对环境要求不是很高、对重量和空间要求也不高的充电桩领域，想要替代成本具有优势的IGBT有很大的难度。

因此，SiC并不能完全替代IGBT。

此前有业内人士透露，“SiC就像一个聪明而又个性极强的少年，优点突出，缺点同样突出。IGBT更像一个持重而成熟的青年，可以扛起功率器件的重担。”

英飞凌科技高级副总裁、汽车电子事业部大中华区负责人曹彦飞在近日的一次媒体沟通会上也表示：“对于许多把顶尖性能和外形因素放在次要位置的应用，硅基仍然颇具竞争力。我们认为在汽车领域，Si跟SiC在中长期一定会是并存的。”

事实确实如此，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）作为一种新型功率半导体器件，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是工业控制及自动化领域的核心元器件，IGBT 被称为电力电子行业里的“CPU”。IGBT在很多应用场景中仍然是最佳选择，IGBT被广泛应用于变频器、风力发电、太阳能发电等领域，而这些领域的发展速度非常快，导致了IGBT的需求量也快速增长。

特斯拉减少SiC，继续拥抱硅

SiC上车的第一枪是特斯拉打响的，在过去五年中，SiC市场的增长在很大程度上取决于特斯拉，它是第一家在电动汽车中使用SiC材料的汽车制造商，也是现在最大的买家。但是由于成本太高的问题，特斯拉在前段时间召开的AI投资日上宣布在下一代车型上将SiC含量减少75%，这引起了行业的一波震动。75%可不是一个小数字！通过减少SiC在内的多个硅材，特斯拉将在下一代电动汽车中减少1000美元的成本。

图源：特斯拉

特斯拉目前正在研发一款新的入门级车型——Model 2或Model Q，它将比现有车辆更便宜、更紧凑，在特斯拉看来，对于这种功能较少的小型汽车将不需要那么多的SiC器件来为其提供动力。

行业分析，特斯拉将采取的做法是，采用低功率硅基IGBT+SiC MOSFET的方法来替代之前的SiC，用于低端车型。目前，特斯拉Model S/X和Model 3/Y平台使用的逆变器中相同，根据 SystemPlus consulting拆解报告，Model 3的主逆变器上共有24个SiC模块，每个模块包含2颗SiC裸片（Die），共48颗SiC MOSFET，这48颗SiC MOSFET替代了84颗IGBT。特斯拉的新动力总成的目标是仅使用12个SiC MOSFET。

特斯拉的这一做法有两层深远意义：一个是，这对SiC来说是积极的消息，特斯拉此举扩大了SiC的潜在市场，使其可适用于低端市场；另外一个，特斯拉的做法也可能被其他原始设备制造商效仿，或再引发对IGBT的需求。Yole Intelligence的分析师表示，2023年，硅基IGBT用于EV逆变器在容量和成本方面在行业内处于有利地位。

结语

总的来说，IGBT和SiC甚至是GaN都是当下市场应用中十分重要的半导体器件，他们在电力电子领域和其他多个领域中都有着广泛的应用。虽然IGBT存在一些缺陷和不足，但随着技术的不断发展和创新，SiC和IGBT在竞争中互补，在竞争中联合。未来，IGBT将继续为电子电力领域发光发热。

编辑：黄飞