第三代半导体功率器件在汽车行业的应用

来源：中国汽研政研咨询中心   

碳化硅具备耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优良电气特性，它突破硅基半导体材料物理限制，成为第三代半导体核心材料。碳化硅材料性能优势引领功率器件新变革。

功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率 器件，具有耐高压、耐高温、能量损耗低、功率密度高等优势，可实现 功率模块小型化、轻量化。相同规格的碳化硅基 MOSFET 与硅基MOSFET 相比，其尺寸可大幅减小至原来的 1/10，导通电阻可至少降 低至原来的 1/100。相同规格的碳化硅基 MOSFET 较硅基 IGBT 的总 能量损耗可大大降低 70%。

碳化硅功率器件主要应用于新能源车的电驱电控系统，相较于传统硅基 功率半导体器件，碳化硅功率器件在耐压等级、开关损耗和耐高温性方面具备许多明显的优势，有助于实现新能源车电力电子驱动系统轻量化、高 效化，它广泛应用于新能源车的主驱逆变器、OBC、DC/DC 转换器和非 车载充电桩等关键电驱电控部件。

各大主流新能源车厂商积极布局碳化硅车型。

碳化硅器件应用于车载充电系统和电源转换系统，能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率，目前全球已有超过 20 家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电速度。SiC 在新能源汽车上的应用将在保证汽车的强度和安全性能的前提下大大减轻汽车的重量，有效提升电动车 10%以上的续航里程，减少80%的电控系统体积。

应用于直流快速充电桩的碳化硅市场空间未来有望大增。由于成本的原 因，目前直流充电桩的碳化硅器件使用比例还相对较低。但通过配置碳 化硅功率器件，直流快速充电桩能极大简化内部电路，提高充电效率， 减小散热器的体积和成本，减小系统整体的尺寸、重量。随着 800V 快充技术的应用，直流充电桩碳化硅市场有望高速增长。

随着电动汽车、智能驾驶等技术的快速发展，汽车行业对半导体功率器件的需求日益增长。第三代半导体功率器件，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件，以其高效、高频率和高温度等优异性能，逐渐成为汽车行业的新宠。

一、第三代半导体功率器件的特点

相较于传统的硅（Si）半导体材料，第三代半导体材料如SiC和GaN具有诸多优点：

更高的能效：第三代半导体功率器件具有更低的导通电阻和更高的开关速度，从而实现更高的能效，降低能耗。

更高的工作频率：由于第三代半导体材料具有较高的电子饱和速度和较低的输入电容，其工作频率可达到数十兆赫甚至更高，远超过传统的硅半导体。

更高的温度稳定性：第三代半导体材料具有较高的热导率和较宽的禁带宽度，使其能在更高的温度下稳定工作。

更小的尺寸：由于第三代半导体功率器件的高频率特性，可以减小磁性元件和电容的尺寸，从而实现更紧凑的电源设计。

综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。

回到这里，碳化硅的这些优势在电子汽车领域中起到怎样的关键作用呢？

碳化硅的出现可以在一定程度上缓解电动汽车重量和耐久性之间的平衡，在动力控制单元中，碳化硅装置可以使电池更轻、更长、更强。碳化硅装置可以缩短充电时间。

随着新能源汽车渗透率的提高，碳化硅在电子汽车中的运用与地位越来越高。汽车产业是国民经济的重要支柱产业，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。随着我国经济持续快速发展和城镇化进程加速推进，今后较长一段时期内，汽车的需求量仍将保持增长势头，而随着新能源汽车渗透率的提高，碳化硅在电子汽车中的运用与地位越来越高。

与中高端手机对更高性能处理器的追求类似，碳化硅不仅可以提高新能源汽车的能量转换效率，而且还可以提高汽车的整体成本，但更高的价格将覆盖这部分成本。因此，为了获得更多的行业利润，各厂商的中高端车也将陆续配备碳化硅设备。

由于碳化硅（SiC ）材料等特点，Sic MOSFET作为属于第三代宽禁带功率半导体，相比于以Si材料为主的第二代功率半导体，SiC MOSFET有着明显的优势.它在导通电阻、开关等方面损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。如图所示（Sic和Si的对比）

不过，Sic-MOSFET也有美中不足之处。它在实际应用过程中，可以实现更快的开关速度和更高的效率，但其快速的开关速度对驱动电路的设计提出了较高的要求，尤其是整个系统的杂散电感，在快速的开关速度下会造成较大的EMC冲击。

同样的，Sic-MOSFET在电气性能方面依然存在着很大的挑战。由于其更快速的响应能力，很容易发生电流和电压的震荡。

下图为SiCMOSFET模块开关电流和电压振荡曲线，其中(a)为开通电流振荡，(b)为关断电压振荡，(c)为二极管振荡电压，其尖峰控制到了856V。从这3幅图可以明显地看出SiCMOSFET开关时刻的电气振荡要比IGBT严重得多，这些特性对于汽车级应用和EMC方面都存在很大的挑战。

碳化硅（SiC），又叫金刚砂，它是第三代化合物的半导体原材料。在新能源市场行业发展的推动下，能源的高效率利用转化，带动了碳化硅（SiC）产业市场的快速发展。

二、碳化硅（SiC）产业市场的发展情况：

中国碳化硅（SiC）功率器件应用在新能源汽车类占比第一，达38% 

通过可视化图表分析，我们可以直观的了解到碳化硅（SiC）的成本结构情况。从它的制造成本结构来看，衬底成本占比是最大，其次是外延成本的占比。可以发现这两大工序是产业发展的主要环节，而它们的制备难度非常大，技术以及成本也非常高。

碳化硅（SiC）衬底，它是一种由碳（C）和硅（Si）组成的半导体单晶原材料，可分为导电和半绝缘两种类型。下面根据网络数据显示，全球碳化硅（SiC）衬底市场规模的发展趋势。从图表的分析情况来看，呈现快速增长的趋势。

分析完碳化硅（SiC）衬底的情况后，我们再从另一外角度分析一下，碳化硅（SiC）的外延片，它的价格发展趋势如何？

碳化硅（SiC）外延片指的是在碳化硅（SiC）衬底上生长了一层有一定要求的与衬底晶相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅（SiC）片。从价格方面分析来看，碳化硅（SiC）碳化硅外延片仍然非常的高昂。但是随着碳化硅（SiC）衬底价格的下降，将来碳化硅（SiC）外延片的价格也会有所下降的趋势。

另外我们再从碳化硅（SiC）功率器件的市场规模来分析一下，碳化硅（SiC）的功率器件，它最大的特点就是高电压、高频、低消耗等，这就是它独特的优势。它可以最大限度地提高能源的转换效。随着技术突破以及成本的降底，碳化硅（SiC）功率器件将会大规模的应用于新能源电动汽车以及充电桩等不同的领域。根据网络数据显示分析来看，增长态势也是相当快速。

随着碳化硅（SiC）行业的不断发展，碳化硅（SiC）功率器件的市场规模功率器件的市场竞争格局也发生的变生。但是仍然是以海外的巨头为主要导向。下面我们通过可视化分析，可以看到。意法半导体占比较大，超过了40%。

目前在我国碳化硅（SiC）的应用规模也在不断的增长，从分析的情况来看，随着新能源工业的发展，以及充电桩等新不同领域的发展，从而带动了我国碳化硅（SiC）功率器件应用的发展。

从目前的应用结构分析来看，我国的碳化硅（SiC）功率器件从占比情况来看，应用在新能源汽车以及消费类电源还是占据主导地位。

三、第三代半导体功率器件在汽车行业的应用

电动汽车驱动系统

在电动汽车的驱动系统中，第三代半导体功率器件可应用于电机驱动器、直流/直流（DC/DC）转换器、充电器等关键环节。高效的SiC或GaN器件有助于提高电机驱动器的输出功率、减小体积和降低热损失，从而实现更高的续航里程和更快的充电速度。

汽车动力电子系统

汽车动力电子系统，如电池管理系统（BMS）、能量回收系统（ERS）等，都可以从第三代半导体功率器件的优点中受益。例如，在BMS中使用高效的GaN器件可以降低开关损耗，提高电池的充放电效率，延长电池寿命。

汽车智能驾驶系统

随着汽车智能驾驶技术的不断发展，如自动驾驶、车联网等，对于高速、高效的半导体器件的需求也日益增长。第三代半导体功率器件在雷达、激光雷达（LiDAR）、图像处理等关键环节的应用，可以实现更快的数据处理速度、更低的能耗和更高的可靠性。

汽车电子系统

汽车电子系统中，如车载信息娱乐系统、仪表盘、气候控制系统等，同样可以从第三代半导体功率器件的优势中受益。例如，在车载信息娱乐系统中，采用GaN功率放大器可以实现更高的输出功率和更宽的频率范围，提升音频和视频的质量。

新能源汽车充电基础设施

随着新能源汽车市场的蓬勃发展，充电基础设施建设也成为关键。第三代半导体功率器件在充电桩的直流/直流（DC/DC）转换器、直流/交流（DC/AC）逆变器等关键部件中的应用，有助于提高充电效率、降低能耗，缩短充电时间，为新能源汽车的普及奠定基础。

四、碳化硅半导体产业链

碳化硅半导体产业链主要包括“碳化硅高纯粉料→单晶衬底→外延片→功率器件→模块封装→终端应用”等环节。

4.1碳化硅高纯粉料

碳化硅高纯粉料是采用PVT法生长碳化硅单晶的原料，其产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量以及电学性能。

碳化硅粉料有多种合成方式，主要有固相法、液相法和气相法3种。其中，固相法包括碳热还原法、自蔓延高温合成法和机械粉碎法；液相法包括溶胶-凝胶法和聚合物热分解法；气相法包括化学气相沉积法、等离子体法和激光诱导法等。

4.2单晶衬底

单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基片。生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是单晶的生长，也是碳化硅半导体材料应用的主要技术难点，是产业链中技术密集型和资金密集型的环节。目前，SiC单晶生长方法有物理气相传输法（PVT法）、液相法（LPE法）、高温化学气相沉积法（HT-CVD法）等。

碳化硅单晶生长方法对比表

4.3外延片

碳化硅外延片，是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。实际应用中，宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上，碳化硅晶片本身只作为衬底，包括GaN外延层的衬底。

目前，碳化硅单晶衬底上的SiC薄膜制备主要有化学气相淀积法（CVD）、液相法（LPE）、升华法、溅射法、MBE法等多种方法。其中，CVD法是制备高质量碳化硅晶体薄膜材料与器件的主要方法。

4.4功率器件

采用碳化硅材料制造的宽禁带功率器件，具有耐高温、高频、高效的特性。

按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二极管和功率开关管。SiC功率器件与硅基功率器件一样，均采用微电子工艺加工而成。

从碳化硅晶体材料来看，4H-SiC和6H-SiC在半导体领域的应用最广，其中4H-SiC主要用于制备高频、高温、大功率器件，而6H-SiC主要用于生产光电子领域的功率器件。

4.5模块封装

模块封装可以优化碳化硅功率器件使用过程中的性能和可靠性，可灵活地将功率器件与不同的应用方案结合。

目前，量产阶段的相关功率器件封装类型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二极管的常用封装类型以TO220为主，碳化硅MOSFET的常用封装类型以TO247-3为主，少数采用TO247-4、D2PAK等新型封装方式。

4.6终端应用

碳化硅器件具有体积小、功率大、频率高、能耗低、损耗小、耐高压等优点。当前主要应用领域：各类电源及服务器，光伏逆变器，风电逆变器，新能源汽车的车载充电机、电机驱动系统、直流充电桩，变频空调，轨道交通，军工等。

五、碳化硅宽禁带半导体目前存在问题

1、大尺寸SiC单晶衬底制备技术仍不成熟。

目前国际上已经开发出了8英寸SiC单晶样品，单晶衬底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的SiC单晶衬底加工技术；p型衬底技术的研发较为滞后。

中国SiC单晶材料领域还存在以下问题：SiC单晶企业无法为国内已经/即将投产的6英寸芯片工艺线提供高质量的6英寸单晶衬底材料；SiC材料的检测设备完全被国外公司所垄断。

2、n型SiC外延生长技术有待进一步提高。

3、SiC功率器件的市场优势尚未完全形成，尚不能撼动目前硅功率半导体器件市场上的主体地位。

国际SiC器件领域：SiC功率器件向大容量方向发展受限制；SiC器件工艺技术水平比较低；缺乏统一的测试评价标准。

中国SiC功率器件领域存在以下3个方面差距：（1）在SiCMOSFET器件方面的研发进展缓慢，只有少数单位具备独立的研发能力，产业化水平不容乐观。（2）SiC芯片主要的工艺设备基本上被国外公司所垄断，特别是高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等，国内大规模建立SiC工艺线所采用的关键设备基本需要进口。（3）SiC器件高端检测设备被国外所垄断。

4、目前SiC功率模块存在的主要问题：

（1）采用多芯片并联的SiC功率模块，会产生较严重的电磁干扰和额外损耗，无法发挥SiC器件的优良性能；SiC功率模块杂散参数较大，可靠性不高。

（2）SiC功率高温封装技术发展滞后。

5、SiC功率器件的驱动技术尚不成熟。

6、SiC器件的应用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。  

六、未来展望

第三代半导体功率器件在汽车行业的应用还有许多发展空间。随着SiC和GaN材料制造工艺的不断优化和成本的降低，这些高性能的半导体器件将在更多的汽车电子领域得到广泛应用。

此外，随着车载电子系统功能越来越多、集成度越来越高，对半导体器件的性能要求也将不断提高。未来，第三代半导体功率器件有望在更高频率、更高温度、更高功率等方面取得更大突破，进一步推动汽车行业的创新发展。

总之，第三代半导体功率器件以其高能效、高频率、高温度等优异性能，在汽车行业中的应用越来越广泛。从电动汽车驱动系统到智能驾驶系统，从汽车电子系统到新能源汽车充电基础设施，第三代半导体功率器件正助力汽车行业迈向更高的技术水平。

审核编辑：汤梓红