新能源汽车时代的半导体材料宠儿——SiC（碳化硅）

前  言  

1824年，一种全新的材料被瑞典科学家，贝采里乌斯合成出来，这是一种名为碳化硅的黑色粉末，平平无奇的样子，仿佛是随处可见的灰烬，也许谁也没能想到，就是这一小撮杂质般的黑色颗粒，将会在近200年后，在其之上长出绚烂的花朵，帮助人类突破半导体的瓶颈。

在人类半导体产业的起步初期，基于硅（Si）芯片的技术发展速度卓越，无论是成本还是性能都达到了完美的平衡，自然对于碳化硅（SiC）没有过多的注意。直到20世纪90年代，Si基电力电子装置出现了性能瓶颈，再次激发了相关机构对SiC材料的研究兴趣。    

相比于传统的Si材料，SiC优势主要有以下六点：

1 更高的额定电压，无论是单极性还是双极型器件，SiC基器件的额定电压远高于Si基同类型器件；

2 更低的导通电阻，在1kV电压等级下，SiC基单极性器件的导通电阻是Si基器件的1/60；

3 更高开关频率，设定最大结温在175°C、10kV条件下，SiC基器件仍能达到33kHZ的最大开关频率；

4 更低热阻，SiC基热导率是Si的3倍，期间内部更易散热，减小器件过温失效风险，提高可靠性；

5 理论上，SiC基器件极限工作结温能达到600°C，远高于Si基器件，但是受限于封装材料；

6 具备极强抗辐射性，过量辐射不会导致SiC器件出现性能衰退，在航空领域应用较广。

SiC的优势

SiC在新能源汽车领域需求巨大  

近年来，新能源汽车的增长速度堪称恐怖，2021年，全球新能源汽车销售约675万辆，同比增长1.08倍，市场渗透率大幅提升到8%左右。而在我国，2021年新能源汽车销量约为352万辆，占全球销量的近一半，而到了2022年上半年，中国新能源汽车销量达260万辆，同比增长1.2倍，同时新能源汽车保有量突破1000万辆。而在可以遇见的未来，新能源汽车的增长也是势不可挡的。根据市场的预期：全球新能源汽车市场将在未来5年至10年继续保持较高15-35%规模的增速。预计到2025年中国市场规模将突破1500万辆，保持约35%的年均增长率。而对于SiC需求最大的领域，恰恰就是新能源汽车。

新能源汽车相比于传统燃油汽车，其中所使用的功率半导体器件成倍增加，根据Strategy Analytics的数据，传统燃油车的车均半导体用量为338美元，而功率半导体仅占21%，为71美元。混合动力汽车新增的半导体中76%是功率半导体，车均增量达到283美元，功率半导体价值为传统汽车的4倍，纯电动汽车中的功率半导体价值量则比混合动力汽车中更多。

新能源汽车中各类半导体占比

上文提到，SiC拥有更高的热导性能和电子性能，因此，SiC的化学特性使其特别擅长处理高频、高功率和高温负载的使用场景。对于新能源汽车来说，电机驱动系统通常要求体积更小、重量更轻，且能忍受恶劣的工况，而SiC恰恰具备高性能尺寸比、耐高温和耐辐射，可帮助系统减少尺寸、降低重量提高系统可靠性，这是提高电动汽车效率的关键因素。不仅如此，对于车载逆变器，SiC也是目前的最优解，以著名新能源汽车厂商特斯拉为例，在2018年，特斯拉将Model 3车型的主驱动逆变器中已经使用了SiC MOSFET，将Si IGBT替换为SiC器件后，新能源汽车逆变器效率可以大幅提升，相同续航下对电池容量需求降低，以及实现系统冷却体积和重量的优化，有效降低SiC器件本身带来的成本增加。

Si 模块，SiC混合模块和全SiC模块方案三相逆变器损耗

新能源汽车的爆发式增长，其配套的充电桩自然也会随之水涨船高，据麦肯锡统计及预测，2020年中美欧新能源汽车充电需求约为180亿千瓦时，预计到2030年，伴随新能源汽车渗透率的提升，新能源汽车充电需求将高达2710亿千瓦时。

中美欧2020-2030年充电桩数量（单位：百万座）

但是，就以目前的形势来看，充电桩的增长速度远没有新能源汽车来得快。从新能源汽车增量与公共充电桩增量角度看，车桩比在2020年为4.7：1，2021年-2022年连续两年车桩比均超过10：1。导致目前这种“车多桩少”的情况。笔者认为是充电桩越来越多地建在交通便利，但地段昂贵的商业城区，同时还要面对恶劣的工况。因此，充电桩的设计方向是追求高密度、高电压、高功率和高可靠。还是作为新能源汽车充电桩的核心零部件，SiC的有关特性又让它成了绕不开的材料。三安集团北京公司副总经理就陈东坡认为，SiC凭借耐高压、耐高温、更高频率的优势，性能非常优越，前景明朗。虽然现在对于SiC快速充电桩还处于起步阶段，但是在未来随着需求的大幅增加，SiC一定会被大量应用。

结  论  

不仅仅是新能源汽车领域，对于5G基站的通信电源，大数据中心或工业互联网的服务器电源，城际高铁和城际轨道交通的电力电子装置都能看到SiC这种材料的应用前景。随着SiC市场前景的逐步明确，已经有越来越多的厂商开始投入对于SiC材料的研发和制造中来。

作为SiC生产的基石，衬底的尺寸直接影响了SiC生产的成本，目前全球SiC市场6英寸量产线正走向成熟，领先公司已进军8英寸市场，包括罗姆、II-VI、Wolfspeed已具备成熟6英寸SiC衬底产线，正在向8英寸市场进行开拓，而我国国内，包括泰科天润、华润微、三安光电等厂商也在积极探索，虽然目前还是以4英寸产线为主，逐步在探索6英寸，但我国独有的巨大经济规模很可能会加速SiC研发，逐步追上甚至领跑SiC领域也绝不是痴人说梦。

从4英寸、6英寸到8英寸的芯片数量

笔者相信，在未来会有越来越多的SiC功率器件出现，让我们身边的电子产品功耗更低，体积更小，同时，也会有越来越多的国产SiC材料，来服务我们未来的科技生活。