碳化硅新能源汽车

刺状树蕨

汽车行业投巨资用于研发控制功率芯片的碳化硅，但成本挑战依然存在汽车行业在控制功率芯片的碳化硅研发方面投入巨大，但成本挑战依然存在。

新能源汽车对碳化硅的热需求

现在很多新能源汽车已经到了技术瓶颈，如何进一步提高车辆的经济性成为工程师们挠头的问题。全球汽车行业已经向碳化硅制成的芯片行业投资了数十亿美元，因为该行业认为这种技术可以帮助他们制造高性能的电动汽车，例如用于新能源汽车的半导体及其零部件。

碳化硅是什么？这种材料的优点是什么？碳化硅是一种无机物，化学式为SiC。它是由石英砂、石油焦(或煤焦)、锯末等原料在电阻炉中高温熔炼而成。

我们常用的半导体材料，尤其是各种电子产品中的处理器和存储芯片，通常都是由硅晶体(单晶硅或多晶硅)制成的。其实还有一种基于化合物晶体的半导体，SiC半导体就是其中之一。

与硅基半导体相比，SiC(碳化硅)半导体具有比硅基半导体更好的高频、大功率、高辐射性能，这使得前者广泛应用于航空航天等高科技领域。随着这种材料技术的普及，电力机车、混合动力汽车等使用大功率半导体元件的车辆也开始得到应用。

丰田中央RD实验室(CRDL)和著名元件制造商电装公司自20世纪80年代以来一直在合作开发碳化硅半导体材料。5月中旬，他们正式发布了基于碳化硅半导体材料的组件，应用于新能源汽车的动力控制单元(PCU)。由于功率控制单元负责能量转换(包括大家熟悉的逆变器)，会有大量的能量损失——25%，也就是说——PCU通常有四分之一的能量损失在转换中，其中80%来自半导体元器件。

新的SiC半导体器件大大降低了半导体器件造成的能量损失。预计新技术成熟应用后，总能量损失可以降低10%，也就是说，对于混合动力汽车来说，可以节省10%的燃油，这在现有的技术框架下还是一个相当大的进步。

基于SiC半导体、与电动机整合为一体的逆变器技术，我们并不陌生，大多产品来自日本电器制造巨头三菱电器。由于碳化硅半导体零部件更为紧凑，以它开发的逆变器尺寸也更小，所以与电动机能很好地整合到一起。除开逆变器尺寸更小之外，还简化了逆变器到电动机的连接电路，同时系统的散热设计也更简单，可谓一举多得。

电动车上的SiC功率模块基于SiC半导体和电机集成的变频技术，我们并不陌生。大部分产品来自日本电器制造巨头三菱电机。因为碳化硅半导体部分更紧凑，所以用它开发的逆变器体积也更小，可以和电机很好的集成。除了变频器体积更小，变频器与电机的连接电路简化，系统散热设计更简单，可谓一石多鸟。电动汽车上的碳化硅功率模块

新材料替代需要更高的成本。

随着新能源汽车的快速发展，之前使用的很多硅(Si)基材料已经基本接近其物理极限，比如工作温度、电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等。，尤其是在高频大功率领域。因此，需要新的材料来替代它们。

作为第三代半导体材料的典型代表，碳化硅(SiC)具有较宽的带隙、高击穿电场、高热导率、高电子饱和率和较高的抗辐射能力，是高温、高频和大功率应用的理想半导体材料。由于SiC功率器件可以显著降低电子设备的能耗，因此可以使新能源汽车的系统效率更高，重量更轻，结构更紧凑，有助于节省成本，增加续航里程。

“目前电动汽车中的主驱动逆变器仍然主要是IGBT+硅FRD，但考虑到未来电动汽车需要更长的里程、更短的充电时间和更高的电池容量，碳化硅肯定会是未来汽车半导体的趋势。”一位行业分析师表示。此外，SiC器件用于车载充电器和充电桩，高频、高温、高压的优势将得到充分发挥，充电系统可以实现高效、小型化和高可靠性。据了解，目前全球已有20多家汽车厂商在车辆充电系统中使用了SiC功率器件。

汽车电动化的趋势不可逆转。在此背景下，碳化硅产业的发展走到了最前沿。行业巨头Cree指出，到2022年，预计电动汽车市场SiC将快速增长至24亿美元空，是2017年汽车SiC总收入(700万美元)的342倍。

事实上，新能源汽车的发展很大程度上受到基础技术的制约，碳化硅半导体元件的应用已经能够提高车辆的性能——尽管离量产车还有一段距离。如果能在电池等方面有所突破，那将是革命性的进步。

“电动汽车的客户正在寻求更长的续航里程，我们认为碳化硅是我们电力电子设计中必不可少的材料。”通用汽车公司副总裁切尔平·阿明(Cherpin Amin)近日表示，通用汽车公司达成使用碳化硅设备的协议后，将会移交给北卡罗来纳州达勒姆的沃尔夫斯比公司。

碳化硅虽然有很多优点，但是现在面临着很大的挑战。行业观察人士表示，碳化硅的成本要接近硅的成本还需要几年时间。

法国研究公司Yole Développement研究人员克莱尔·特雷达奇表示，基于碳化硅设备的价格可能是普通硅的五倍，碳化硅更硬更脆，意味着在不破坏碳化硅晶片的情况下抛光碳化硅晶片的表面工艺要求更高。

應用材料公司用于从碳化硅制造半导体的工具法国研究公司Yole dédevelopment的研究员克莱尔·特雷达奇(Claire Tredach)表示，基于碳化硅的设备价格可能是普通硅的5倍。碳化硅更硬更脆，这意味着在不损坏碳化硅晶片的情况下抛光碳化硅晶片的表面工艺要求更高。材料公司用碳化硅制造半导体的工具

全球生产力竞争

今年8月，半导体公司Corey扩大了与欧洲stmicroelectronics的交易，将在未来几年内提供价值超过8亿美元的碳化硅晶片。10月中旬，该公司还宣布将投资10亿美元，于明年初在纽约尤蒂卡附近开设全球最大的碳化硅工厂。这些动作都代表了未来汽车半导体技术的迭代方向。

现代汽车的半导体数量，从点火到刹车系统，可以超过一千个。随着全球芯片短缺的推迟，从通用汽车到特斯拉的汽车制造商发现自己被迫调整生产，并重新思考整个供应链。

根据当前电动汽车的类型，碳化硅相关技术可以为汽车制造商节省高达750美元的电池成本。例如，特斯拉是第一家销售碳化硅芯片的公司。近几年大众市场卖的最便宜的Model 3用的是碳化硅芯片。

根据Yole dédevelopment的报告，意法半导体目前是特斯拉的碳化硅供应商。业内人士认为，特斯拉Model 3首次使用的碳化硅组件，大幅提升了其续航里程等性能，远超目前市场上的其他电动汽车。

一些类型的芯片，如运行智能手机的微处理器，通常不需要在极端条件下工作，所以使用普通硅。但是在芯片控制电流的时候，碳化硅的优势是非常重要的，尤其是在电动车逆变器中，将电动车电池产生的直流电转化为交流电，为电机提供动力，使车轮转动。

如果从技术上量化，可以参考美国能源局2020年为HEV(混合动力汽车)制定的标准:电力电子(功率半导体)设备的功率密度应超过14.1kW/kg，效率应超过98%，价格应低于3.3美元/kW。这对电力电子器件的拓扑性能、控制策略、系统集成、封装和测试提出了新的要求。

新能源厂商加速出台刺激政策，导致SiC功率组件消费激增，进而影响SiC衬底和外延片需求同步激增。据计算，这两种材料占总量的70%。其中，SiC衬底的成本占比最高(43%)。虽然技术难度比外延环节低，但也相当高，比如切片和研磨，难度极高。

在全球SiC外延片市场，美国Cree、DowCorning、II-VI的份额达到近80%；在SiC衬底市场，美国Cree和II-VI与日本昭和电气的市场份额之和超过75%。

在这个环节上，我国整体技术水平落后于国外3-4年。幸运的是，代际差异(代与代之间的差异)已经缩小到半代。目前中国主要从Cree、Rohm、II-VI等国外巨头购买SiC衬底。我国这一环节的技术处于较高水平(工程准备和小批量生产)，但总体而言，我国在SiC衬底和外延片领域的技术相对落后，产能有待快速提升。