近兩年，碳化硅正在成為汽車領(lǐng)域冉冉升起的新星，引發(fā)了車企及技術(shù)提供商的重視和布局。相關(guān)資料顯示，2016年，特斯拉率先在Model 3上采用意法半導(dǎo)體的24個(gè)碳化硅MOSFET模塊。隨后，國外車企如豐田、大眾，國內(nèi)如比亞迪、蔚來等陸續(xù)宣布將采用碳化硅方案。
如此短的時(shí)間內(nèi)，是什么原因?qū)е绿蓟璞蛔放酰刻蓟柙谄囶I(lǐng)域又呈現(xiàn)什么樣的發(fā)展格局？
新能源汽車成主驅(qū)動(dòng)力
現(xiàn)今，隨著新能源汽車高速發(fā)展，此前采用較多的硅（Si）基材料基本已逼近其物理極限，如工作溫度、電壓阻斷能力、正向?qū)▔航怠⑵骷_關(guān)速度等，尤其在高頻和高功率領(lǐng)域更顯示出其局限性。為此，需要新的材料來替代。
作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，碳化硅（SiC）具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，是高溫、高頻、大功率應(yīng)用場(chǎng)合下極為理想的半導(dǎo)體材料。此外，由于SiC功率器件可顯著降低電子設(shè)備的能耗，因此可使新能源汽車的系統(tǒng)效率更高、重量更輕及結(jié)構(gòu)更加緊密，有助于節(jié)省成本續(xù)航里程的提升。
在電氣化車輛上，SiC功率半導(dǎo)體主要用于驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的逆變器、車載DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器（OBC）等。“目前，電動(dòng)車中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+硅FRD為主，但考慮到未來電動(dòng)車需要更長(zhǎng)的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，在車用半導(dǎo)體中，碳化硅一定會(huì)是未來趨勢(shì)。”一位行業(yè)分析人士說道。
而車載充電器和充電樁使用SiC器件后將充分發(fā)揮高頻、高溫和高壓三方面的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)高效化、小型化和高可靠性。據(jù)了解，目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用SiC功率器件。
圖片來源：羅姆
汽車電氣化趨勢(shì)已不可逆，在此背景下，碳化硅產(chǎn)業(yè)將迎來發(fā)展風(fēng)口。行業(yè)巨頭Cree指出，預(yù)計(jì)到2022年，SiC在電動(dòng)車用市場(chǎng)空間將快速增長(zhǎng)到24億美元，是2017年車用SiC整體收入（700萬美元）的342倍。
汽車產(chǎn)業(yè)鏈大力布局
基于碳化硅在汽車行業(yè)的向好前景，近年來，除了半導(dǎo)體企業(yè)不斷加碼外，車企及Tier1技術(shù)提供商紛紛展開布局。
■ 大量半導(dǎo)體廠商涌進(jìn)
從全球SiC器件開發(fā)參與者來看，目前以美國、歐洲、日本廠商為主。當(dāng)中，德國英飛凌、日本羅姆、美國Cree（科銳）三家企業(yè)目前約占據(jù)90％的SiC市場(chǎng)份額，處于三足鼎立的龍頭地位。羅姆曾在接受蓋世汽車采訪時(shí)表示，與2019財(cái)年（截至2020年3月31日）相比，預(yù)計(jì)2024財(cái)年（截至2025年3月31日）的羅姆的SiC生產(chǎn)能力將提升5倍以上。除了以上三家外，意法半導(dǎo)體、安森美等國外半導(dǎo)體企業(yè)亦取得不錯(cuò)的進(jìn)展。
在龐大的市場(chǎng)需求推動(dòng)下，國內(nèi)也涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的企業(yè)，如楊杰電子、基礎(chǔ)半導(dǎo)體、株洲中車時(shí)代、三安集成、中電科55所、臻驅(qū)科技等。
■ 車企動(dòng)作頻頻
在半導(dǎo)體企業(yè)為之瘋狂時(shí)，汽車廠商也安耐不住了，近年來動(dòng)作頻頻。
據(jù)悉，豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和電裝公司從1980年開始合作開發(fā)SiC半導(dǎo)體材料，2014年正式發(fā)布了基于SiC半導(dǎo)體器件的零部件——應(yīng)用于新能源汽車的功率控制單元（PCU）。
另外兩大日系車企本田、日產(chǎn)均和羅姆公司就HEV／EV應(yīng)用SiC半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行了多年的合作研究。本田和羅姆公司共同開發(fā)出了使用SiC半導(dǎo)體器件的高功率電源模塊，將轉(zhuǎn)換器和逆變器的二極管和晶體管全部由硅器件改為SiC器件。
大眾汽車集團(tuán)于2019年與Cree簽署合作協(xié)議，通過功率模塊供應(yīng)，為未來的大眾汽車集團(tuán)汽車提供SiC碳化硅基解決方案。
國內(nèi)車企中，比亞迪漢EV車型上已開始使用自主研發(fā)的Sic MOSFET（碳化硅功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。預(yù)計(jì)到2023年，比亞迪將在旗下的電動(dòng)車中，實(shí)現(xiàn)SiC基車用功率半導(dǎo)體對(duì)硅基的全面替代。2021年6月，蔚來首臺(tái)碳化硅（SiC）電驅(qū)系統(tǒng)C樣件下線，該SiC電驅(qū)系統(tǒng)將搭載在ET7上，為車輛提供更長(zhǎng)的續(xù)航里程。
圖片來源：蔚來汽車
■ Tier 1企業(yè)迅速發(fā)力
除了車企外，不少Tier 1企業(yè)近年開始在碳化硅領(lǐng)域迅速發(fā)力。
博世于2019年宣布開始碳化硅相關(guān)業(yè)務(wù)。功率碳化硅半導(dǎo)體生產(chǎn)基地位于德國羅伊特林根，主要來生產(chǎn)碳化硅的晶圓以及MOSFET。
博世碳化硅功率器件
采埃孚與美國碳化硅半導(dǎo)體企業(yè)Cree宣布建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，計(jì)劃2022年前將SiC電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推向市場(chǎng)。
博格華納于2021年上海車展期間推出800 V碳化硅逆變器，該逆變器具有雙面散熱的能力，減少了逆變器40%的重量，縮小了30%整體尺寸，提高了25%功率密度。
博格華納800V碳化硅控制器
與此同時(shí)，緯湃科技（原大陸集團(tuán)動(dòng)力總成事業(yè)群）于年初宣布將為現(xiàn)代汽車集團(tuán)的新型電動(dòng)汽車平臺(tái)量產(chǎn)800伏碳化硅逆變器。
看向國內(nèi)，2019年，華為旗下的哈勃科技投資有限公司投資參股了山東天岳先進(jìn)材料科技有限公司，持股10%。2020年12月，哈勃科技又投資碳化硅外延晶片供應(yīng)商瀚天天成，認(rèn)繳出資額超977萬元。
很顯然，在新能源車爆火的今天，碳化硅已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)布局的重點(diǎn)，不論是合作開發(fā)還是自主研發(fā)，均將碳化硅推向了技術(shù)浪潮的巔峰。
存在問題
從國內(nèi)車用場(chǎng)景看，盡管目前碳化硅前景向好且受到市場(chǎng)追捧，但在商業(yè)化進(jìn)程中依然存在各類問題。
從技術(shù)上來看，中國科學(xué)院電工研究所研究部主任溫旭輝指出，“雖然車用碳化硅控制器功率密度大幅提升、損耗明顯下降，但快速開關(guān)帶來的電磁干擾問題同樣突出，因此寬頻域電磁干擾預(yù)測(cè)及高密度電磁干擾濾波是今后的行業(yè)研究重點(diǎn)之一。”此外，芯片設(shè)計(jì)、芯片篩選測(cè)試、模塊封裝、模塊熱管理、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和模塊測(cè)試等技術(shù)都亟待攻關(guān)。
在產(chǎn)業(yè)層面，從芯片和功率模塊設(shè)計(jì)到整車層面的應(yīng)用驗(yàn)證這一鏈條尚未打通。芯片企業(yè)缺乏整車層面的真正需求分解和反饋，整車企業(yè)缺乏芯片層面的測(cè)評(píng)信息。此外，成本也是一大發(fā)展障礙。英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場(chǎng)總監(jiān)程文濤指出，碳化硅材料在加工過程中損耗非常高，加工拋光后只剩原來的1/3。生產(chǎn)成本高外加技術(shù)難度大，導(dǎo)致碳化硅器件價(jià)格相對(duì)較高。
從市場(chǎng)上來看，在碳化硅這條賽道上，國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)盡管已經(jīng)取得進(jìn)展，但目前與國外還存在一定差距。短板主要體現(xiàn)在四點(diǎn)：第一，產(chǎn)業(yè)起步晚，追趕難度大；第二，設(shè)計(jì)、開發(fā)、仿真、測(cè)試技術(shù)尚不成熟，封裝等材料不成熟；第三，從芯片設(shè)計(jì)到應(yīng)用的鏈條沒有打通；第四，開放的公共研發(fā)服務(wù)平臺(tái)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)支撐不足。
此外，從全球供需關(guān)系來看，目前SiC產(chǎn)品供不應(yīng)求。中國雖然是全球最大的需求市場(chǎng)，但國產(chǎn)供應(yīng)能力不足。在國產(chǎn)替代的需求和政策刺激下，期待國內(nèi)的SiC企業(yè)能夠承擔(dān)起滿足市場(chǎng)需求的重任，并有龍頭企業(yè)成長(zhǎng)起來。
