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二号站登录测速碳化硅器件迎来上车元年,碳化硅“热潮”下也需“冷观”

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2021年碳化硅很“热”。比亚迪半导体、派恩杰、中车时代电气、基本半导体等国内碳化硅功率器件供应商的产品批量应用在汽车上,浙江金华、安徽合肥等地碳化硅项目开始投建,我国初步形成了从衬底、外延片到器件、模块较为完整的产品供应链。

但记者在采访中了解到,国内碳化硅功率器件行业2号站线路测速呈现“小”“散”特征,未来五年将是整合期,车规级碳化硅功率器件与国外公司2号站线路测速有较大差距。此外,碳化硅功率器件技术仍在演进过程中,2号站线路测速需关注二号站登陆测速链接中风险,“热潮”下也要“冷观”。

碳化硅器件上车元年

2021年号称国产碳化硅器件上车元年。2021年8月1日,比亚迪半导体发文称,比亚迪汉电机控制器首次使用了比亚迪自主研发制造的高性能碳化硅功率模块,这是全球首家、国内唯一实现在电机驱动控制器中大批量装车的碳化硅三相全桥模块。

12月,国内碳化硅功率器件供应商派恩杰半导体碳化硅MOSFET拿下新能源龙头企业数千万订单。12月26日,中车时代电气发布C-Power220s产品,号称国内首款基于自主碳化硅的大功率电驱产品。12月30日,车规级碳化硅功率半导体厂商基本半导体发布公告称,二号站登陆测速链接位于无锡的汽车级碳化硅功率模块制造基地正式通线运行,首批碳化硅模块产品下线,并已通过国内头部车企的选型和测试。

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基本半导体Pcore6

基于二号站登陆测速链接良好的市场前景预期,去年我国碳化硅投资相关项目几十起。二号站登陆测速链接中有十几笔投资与碳化硅器件相关。2021年7月18日,世纪金光项目与浙江省金华市金义新区正式签约,该项目总投资35亿元,将建设年产22万片6-8英寸碳化硅芯片生产线,项目分三期完成建设,全部达产后可实现年产值约40亿元。

12月30日,钧联电子宣布,他们在合肥经开区举行“车用800V多融合碳化硅动力域控制器项目”启动仪式。项目总投资约10亿元,主要从事基于碳化硅材料的多融合动力域控制器(包括MCU、OBC、DCDC、DCAC、PDU、智能控制软件、车联网等产品)的研发、销售与服务。目前已完成第二代车用800V多融合碳化硅动力域控制器产品开发。

从产业结构来看,我国覆盖全产业链的碳化硅产业发展格局初步形成。从衬底到外延片到器件、模块,我国已形成了较为完整的产品供应链。在衬底和外延片方面,我国部分企业已经能够实现向国际大厂供货,二号站登陆测速链接中不乏意法半导体等全球车用半导体大厂。

详解碳化硅功率器件

碳化硅功率器件主要包括:SiC二极管,SiC开关管和SiC功率模块。SiC二极管又分为SBD二极管和PiN二极管。SiC开关管分为SiCMOSFET、SiCJFET和SiCIGBT等;SiC功率模块分为全SiC功率模块和混合SiC功率模块。

碳化硅功率器件分类

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1.SiCSBD

肖特基势垒二极管(简称SBD),二号站登陆测速链接特点为反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通压降仅0.4V左右。多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管,也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在国内,泰科天润于2014年生产了涵盖600——3000V中高压范围的SiCSBD,二号站登陆测速链接中600V/10A、1200V /20 A等4H-SiCSBD成品率达到国际领先水平。

2.SiCMOSFET

SiCMOSFET具有正向导通电阻低、开关速度快、驱动电路简单等优点,用于开关目的和电子设备中电子信号的放大。二号站登陆测速链接中,比亚迪微电子团队于2017年自主研发出了适合于新能源汽车使用的两款SiC功率MOSFET器件;2019年,深圳基本半导体有限公司率先推出国内首款通过工业级可靠性测试的1200V SiCMOSFET,进入小批量生产。

3.SiC功率模块

功率模块是功率电力电子器件按一定的功能组合再灌封成一个模块。作用:具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。2017年,比亚迪微电子团队研制开发了1200V/200 A和1200V/400 A 全SiC功率模块。2019年,世纪金光半导体有限公司成功开发出规格为1200V /600 A的大功率SiC模块产品。同年,深圳基本半导体有限司对1200V /200 A车规级全SiC功率模块。

碳化硅器件优势

1.助力新能源汽车提

升加速度新能源汽车的加速性能与动力系统输出的最大功率和最大扭矩密切相关,碳化硅技术允许驱动电机在低转速时承受更大输入功率,且不怕电流过大导致的热效应和功率损耗,这就意味着车辆起步时,驱动电机可以输出更大扭矩,强化加速能力。特斯拉发布了全球现阶段最快的量产车型,2.1 s 就可完成 0 —— 100 km 加速,速度超越了布加迪;而比亚迪汉采用 SiC 模块后,输出功率可达200 kW,0 —— 100 km 加速度仅为 3.9 s。

2.助力新能源汽车降低系统成本

虽然碳化硅功率器件成本略高于硅基器件,但采用碳化硅功率器件实现了电池成本的大幅下降和续航里程的提升,从而有效降低了整车成本。数据显示,在新能源汽车使用 SiC MOSFET 的(90 —— 350)kW 驱动逆变器,使用碳化硅功率器件增加的成本为 75 —— 200 美元(1 美元约为人民币 6.5 元),然而从电池、无源元器件、冷却系统节省的成本在 525 —— 850 美元,系统性成本显著下降,相同里程条件下,采用 SiC 逆变器单车可节省至少 200 美元。

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3.助力新能源汽车增加续航里程

碳化硅功率器件通过导通 / 开关两个维度降低损耗,从而实现增加电动车续航里程的目的。碳化硅的禁带宽度(3.3eV)远高于 Si(1.1eV),可实现高浓度掺杂,导致漂移区宽度大幅缩短,在 SiC MOS 器件导通时,正向压降和导通损耗都小于 Si-IGBT;同时,Si-IGBT 通常会集成快恢复二极管(FRD),关断时存在反向恢复电流及拖尾电流,导致二号站登陆测速链接开关速度受到限制,造成较大的关断损耗,而 SiC-MOSFET 属于单极器件,像一个刚性开关,不存在拖尾电流;而且碳化硅的载流子迁移率是 Si 的 3 倍左右,可以提供更快的开关速度,以降低开关损耗。结合英飞凌的研究数据,在 25 ℃结温下,SiC MOS 关断损耗大约是 SiIGBT 的 20%;在 175 ℃的结温下,SiC-MOS 关断损耗仅为 Si-IGBT 的 10%。

4.助力新能源汽车实现轻量化

轻量化是整车厂的不懈追求,由于碳化硅材料载流子迁移率高,能提供较高的电流密度,相同功率等级下封装尺寸更小,以 IPM 为例,碳化硅功率模块体积可缩小至硅功率模块的 2/3 —— 1/3。碳化硅能够实现高频开关,减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用,从而减少系统体系和重量;碳化硅禁带宽度宽且具有良好的热导率,可以使器件工作于较高的环境温度中,从而减少散热器体积;同时碳化硅可以降低开关与导通损耗,使系统效率提升,同样续航范围内,可以减少电池容量,有助于车辆轻量化。以罗姆公司设计的 SiC 逆变器为例,使用全 SiC 模组后,主逆变器尺寸降低 43%,重量降低 6 kg(如图 2)。

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对市场前景期待极高

碳化硅很“热”,这几乎是行业共识。新能源汽车的发展为国内碳化硅器件厂商发展车规级产品提供了难得机遇。由于碳化硅材料具备的载流子迁移率高、击穿场强高等优点,碳化硅MOSFET在中低功率段的热损耗远低于硅基IGBT。也正是基于这个原因,各大半导体供应商对碳化硅MOSFET的市场前景抱有极高的期待。

基本半导体公司汽车行业总监文宇在接受采访时表示,预计到2025年,全国新能源汽车的年销量将有望超过1000万辆。二号站登陆测速链接中估计将约有40%——50%的汽车使用碳化硅电机控制器。即,使用碳化硅功率模块的汽车将达到400万——500万辆。

三安光电副总经理陈东坡同样对碳化硅向汽车功率器件渗透抱有乐观态度。他认为,碳化硅将在长续航里程的车型中实现优先渗透,因为长续航里程的车型的导入驱动力比较强。预计在2023-2024年,高于500公里续航里程的车型中将有80%——90%导入碳化硅器件。400公里——500公里续航里程的车型,预计将在2024年之后开始导入,这一类车整体渗透率将达到40%左右。对于400公里以下的这一类车型,预计2025年以后才会逐步跟进,而且这一类车型,整体渗透率也不会很高,预估在10%左右。

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碳化硅模块上车测试

整体看成本或不是问题

当前,限制碳化硅在车规级产品中应用的主要阻碍有人认为是成本太高。根据供应链企业报价,当前,一台新能源汽车上使用的进口硅基IGBT模块的价格约为1500——1700元。而碳化硅MOSFET功率模块的价格则是硅基IGBT模块的2.5——3倍。这相当于若要用碳化硅MOSFET模块替换硅基IGBT模块,每辆车将需要提高2200——3400元左右的成本。

对于这一数据文宇表示,碳化硅MOSFET模块上车与硅基IGBT模块所带来的整车成本差距并不大。同一电压平台下,IGBT换成碳化硅MOSFET模块,能够实现整车3%——5%的效能提升,这就意味着在相同续航里程的车上,使用碳化硅MOSFET比使用硅基IGBT的车辆所需电池容量可以减少3%——5%,以400Km约60度电的车为例,大概可以少用3度电的电池,折算成电池成本约下降3000元左右,与碳化硅模块的成本提升相近。这2号站线路测速不包括使用碳化硅之后在电线、散热、体积等方面所带来的成本下降。

由此来看,碳化硅MOSFET也不会带来整车成本上升。且随着碳化硅MOSFET产量进一步增长,单片碳化硅价格将有望下降。

碳化硅“热潮”要“冷观”

纵使我国碳化硅产线较为完善,但在器件制备方面仍存在短板。文宇在接受采访时表示,我国企业和国外大厂使用的设备、原材料等差别不大。

在这样的情况下,生产出来的芯片存在差距,主要是由生产工艺导致。基于碳化硅材料的特殊性,二号站登陆测速链接制作难度很大程度上取决于所采用的工艺技术和水平。工艺的差距带来了性能和可靠性方面的差距,这也是当前国产碳化硅功率半导体上车难度较大的原因之一。

缺乏相关工艺技术、专业人才,是当前我国发展车规级碳化硅功率器件所面临的困境之一。此外,2号站线路测速受到我国集成电路全行业现阶段发展阻碍的限制:高端设备、高性能材料的缺乏。

赛迪顾问高级分析师吕芃浩在接受采访时表示,当前正处于碳化硅晶圆片从6英寸向8英寸升级的过渡期。8英寸设备的供应对于国内企业来说将是个难关。此外,碳化硅制备过程中所需的高端材料,例如光刻胶、高纯气体,将依然存在依赖进口的问题。

投资市场的红火体现了相关企业、各地政府对碳化硅产线的重视。然而综览全国,能够发现我国车规级碳化硅功率器件、模块的企业虽入局者众多,但规模都不大,“小”“散”特征明显。车规级碳化硅功率器件领域入局企业更是凤毛麟角。

深圳大学微电子研究院院长、半导体制造研究院院长王序进表示,车规级产品相比消费级、工业级产品对可靠性、安全性要求更高,需要长期投入。在王序进看来,国内车规级芯片公司是“游击队”,而海外都是“集团军”作战。如果想要实现国内车规级功率半导体更广泛的应用,需要对“游击队”进行整合,未来五年将是二号站登陆测速链接整合期。

即便整个行业对车规级碳化硅市场前景看好,但也不建议厂商大批量投入。吕芃浩表示,毕竟当前车载碳化硅市场空间有限,整体来看,当前仅有十几亿到二十几亿的体量,需要缓慢释放二号站登陆测速链接市场潜能。

王序进亦表示,碳化硅功率器件的技术仍在演进过程中,中国企业达到国际领先水平较难,2号站线路测速需关注二号站登陆测速链接中风险。

上下游之间要深度合作

面对我国车规级碳化硅功率半导体上车遇到的问题,文宇提出三点破局之道。

首先,继续进行人才培养和储备。要做成车规级碳化硅晶圆流片线和模块封装线,需要培养大量具备专业技能的人才。面对国内车规级碳化硅产品仍在继续追赶海外大厂技术水平的情况,文宇认为,要想实现我国的碳化硅产业化,2号站线路测速需要引进大量的海外人才。

二号站登陆测速链接次,要保证设备和原材料供应不受制约。在采用海外设备和原材料的同时,要加大国内生产、测试设备的开发和产业化应用及国内高性能衬底、外延材料的技术、质量和产能提升。

第三,产业上下游之间要深度合作。对于车规级产品来说,上车验证是二号站登陆测速链接一大关卡。若能尽早实现产品上下游合作,将能够帮助碳化硅供应企业少走很多弯路。包括意法半导体、英飞凌、罗姆在内的国际车规级功率半导体企业,均与国内外车企建立有良好的伙伴关系。我国车企与碳化硅功率半导体企业的合作虽已开展,但仍需加大推进产业链上下游的合作更深入开展。

本文来源:中国电子报,粉体圈,半导体在线


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