SiC+800V正在聯(lián)袂而來，碳化硅終于迎來“爆發(fā)元年”

導｜語

2021，碳化硅爆發(fā)“元年”。2022年，800V爆發(fā)“元年”。

作者丨王小西

責編丨羅超

編輯丨朱錦斌

10月份，美國《華爾街日報》報道，全球汽車行業(yè)正把數(shù)以十億美元計的資金投向以碳化硅（SiC）材料制成的芯片。

比如通用汽車公司，其副總裁希爾潘·阿明就表示：“電動汽車用戶正追求更長的續(xù)航里程，我們把碳化硅視為電力電子設(shè)計中的一種重要材料?！?/p>

在說這話之前，通用汽車已經(jīng)與總部位于達勒姆（北卡羅來納州）的沃爾夫斯皮德公司達成了一項協(xié)議，將使用后者生產(chǎn)的碳化硅器件。

而相輔相成的是，碳化硅的崛起，跟汽車行業(yè)正在推進的800V高壓平臺系統(tǒng)算是“絕配”。在800V高壓平臺趨近的趨勢下，行業(yè)預(yù)計，未來幾年SiC功率元器件將隨著800V平臺的大規(guī)模上車進入快速爆發(fā)階段。

為什么這么說？因為，在800V甚至更高水平的平臺上，原本的硅基IGBT芯片達到了材料極限，碳化硅則具備耐高壓、耐高溫、高頻等優(yōu)勢，無疑是IGBT最佳的替代方案。

作為今年熱炒的第三代功率半導體材料，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）應(yīng)用在更高階的高壓功率元器件以及高頻通訊元器件領(lǐng)域，代表5G時代的主要材料。特別是碳化硅，可謂集“萬千寵愛于一身”。

當然，碳化硅面臨的一大挑戰(zhàn)是它高企的價格。而如何確保以碳化硅芯片實現(xiàn)的成本節(jié)約效益，蓋過碳化硅芯片較高生產(chǎn)成本這一不利因素，就成為當下最重要的任務(wù)。

俗話說，榜樣的力量是無窮的，就像特斯拉所做的那樣——特斯拉數(shù)年來在功率控制芯片中使用碳化硅，效果是能量損失減少，造就更強大的發(fā)動機，提升續(xù)航里程，從TCO（總體擁有成本）的角度來講，單車成本反而下降了不少。

實際上，當下SiC＋800V大熱，說不清是碳化硅成就了800V，還是800V成就了碳化硅，我們能確定的是，接下來，碳化硅替代IGBT正在成為主流。

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碳化硅的優(yōu)勢

從價格方面來說，目前國際上SiC價格是對應(yīng)硅基產(chǎn)品的5～6倍，并以每年10％的速度下降。據(jù)預(yù)測，隨著未來2～3年市場供應(yīng)加大，預(yù)計價格達到對應(yīng)硅基產(chǎn)品的2～3倍時，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢，將推動SiC逐步替代硅基IGBT等產(chǎn)品。

按照《華爾街日報》的報道，“研究者估計，根據(jù)電動車種類的不同，碳化硅相關(guān)技術(shù)可以幫助一輛車最終節(jié)約出750美元的電池成本。”也有人測算，最終使用SiC合計大約會產(chǎn)生約2000元左右的成本降低。不過，碳化硅材料的成本要接近硅基材料，估計還要等幾年。

而碳化硅價格高的原因很簡單，因為難造。碳化硅為什么那么難造？可以這么說，鉆石有多硬，它就有多硬。所以，碳化硅的制造成本在短期內(nèi)依然高企。

但是，碳化硅的優(yōu)勢卻是非常明確的。比如，體積縮小是其一，豐田的碳化硅元器件體積就要比硅基的縮小80％。此外，據(jù)相關(guān)分析數(shù)據(jù)，續(xù)航方面，與使用硅基芯片的電動汽車相比，搭載SiC芯片的電動汽車行駛距離平均延長6％。

舉個國內(nèi)的例子，想比亞迪漢EV的SiC模塊同功率情況下體積較硅IGBT縮小一半以上，功率密度提升一倍。而且，根據(jù)比亞迪公司計劃，到2023年比亞迪旗下所有電動車會用SiC功率半導體全面替代IGBT。碳化硅的趨勢真是勢不可擋啊。

不過，若論及碳化硅的大規(guī)模應(yīng)用，則始于特斯拉。

2018年，特斯拉在Model 3中首次將IGBT模塊換成了碳化硅模塊。使用下來，在相同功率等級下，碳化硅模塊的封裝尺寸明顯小于硅模塊，并且開關(guān)損耗降低了75％。而且，換算下來，采用SiC模塊替代IGBT模塊，其系統(tǒng)效率可以提高5％左右。

當然，從成本來講，這樣并不劃算。因為逆變器的功率器件由IGBT替換成碳化硅之后，采購成本上升將近1500元。但是，因為整車效率的提升，導致電池裝機量的下降，從電池端把成本又省回來了。

從發(fā)展歷史來說，全球首款碳化硅功率半導體SiC MOSFET的推出，是在2011年。而在這之前，美國科銳（Cree）公司經(jīng)過了將近二十年的研發(fā)，可謂“難產(chǎn)”。十年之后，SiC才終于迎來“爆發(fā)元年”。

而Cree首席執(zhí)行官Gregg Lowe還確認，公司有望在2022年初建成世界上最大的碳化硅工廠，使其能夠充分利用未來幾十年的增長機遇。