SiC 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)起飛 電動(dòng)車為主要驅(qū)動(dòng)力

在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的大背景下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，而其中電動(dòng)車的崛起尤為引人注目。電動(dòng)車的快速普及，正成為 SiC(碳化硅)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)騰飛的核心驅(qū)動(dòng)力。SiC 功率半導(dǎo)體憑借其卓越的性能優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)車領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，推動(dòng)著整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)張。

SiC 功率半導(dǎo)體的特性優(yōu)勢(shì)

SiC 作為第三代半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的硅(Si)材料相比，具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。首先是高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，SiC 材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為 Si 材料的 10 倍，這使得 SiC 功率器件能夠在更高的電壓下工作，并且在相同耐壓要求下，SiC 器件可以采用更薄的漂移層和更低的摻雜濃度，從而有效降低導(dǎo)通電阻，減少導(dǎo)通損耗。

其次，SiC 具有高電子飽和漂移速度，約為 Si 的 2 倍 - 3 倍，這使得 SiC 功率器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而減小系統(tǒng)中磁性元件和電容的尺寸，降低系統(tǒng)成本和重量，提升系統(tǒng)的功率密度。再者，SiC 的禁帶寬度約為 Si 的 3 倍，導(dǎo)熱率約為 Si 的 3 倍 - 4 倍，這賦予了 SiC 功率器件出色的耐高溫性能，能夠在更高的溫度環(huán)境下穩(wěn)定工作，減少對(duì)散熱系統(tǒng)的依賴，提高系統(tǒng)的可靠性。

電動(dòng)車對(duì) SiC 功率半導(dǎo)體的需求推動(dòng)

主驅(qū)逆變器

主驅(qū)逆變器是電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件之一，其作用是將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在傳統(tǒng)的電動(dòng)車主驅(qū)逆變器中，硅基 IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)應(yīng)用較為廣泛。然而，隨著電動(dòng)車向高電壓、高功率密度方向發(fā)展，SiC MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)逐漸展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)速度更快，幾乎不存在電流拖尾現(xiàn)象，能夠有效降低開(kāi)關(guān)損耗，提高逆變器的效率。研究表明，在相同的行駛條件下，采用 1200V SiC MOSFET 的逆變器相比傳統(tǒng)硅基 IGBT 逆變器，能耗可降低 60% 以上，整車能耗降低 7% 左右。這不僅有助于提升電動(dòng)車的續(xù)航里程，還能減少電池容量需求，降低整車成本。特斯拉在其 Model 3 車型中率先采用了 SiC MOSFET 逆變器，實(shí)現(xiàn)了 5% - 8% 的逆變器效率提升，顯著改善了車輛的續(xù)航表現(xiàn)，為 SiC 功率半導(dǎo)體在主驅(qū)逆變器領(lǐng)域的應(yīng)用樹(shù)立了典范。

車載充電機(jī)(OBC)

車載充電機(jī)負(fù)責(zé)將外部交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為電動(dòng)車電池充電。傳統(tǒng)的硅基 OBC 在功率密度和效率方面存在一定局限。SiC 功率器件的應(yīng)用能夠有效提升 OBC 的性能。由于 SiC 器件可以實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率，使得 OBC 中的磁性元件和電容體積得以減小，從而實(shí)現(xiàn) OBC 的小型化和輕量化。

同時(shí)，SiC 器件的低導(dǎo)通電阻和高開(kāi)關(guān)速度有助于降低 OBC 的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，提高充電效率。采用全 SiC MOSFET 方案的 22kW 雙向 OBC，相比硅基方案，功率器件和柵極驅(qū)動(dòng)數(shù)量可減少 30% 以上，開(kāi)關(guān)頻率提高一倍以上，系統(tǒng)效率從 95% 提升至 97%，功率密度從 2kW/L 提升至 3kW/L。此外，雖然 SiC 基功率器件的單顆成本相對(duì)較高，但由于其性能優(yōu)勢(shì)減少了系統(tǒng)中其他元件的使用數(shù)量，整體全 SiC 方案的 OBC 成本反而可節(jié)約 15% 左右。

DC - DC 轉(zhuǎn)換器

DC - DC 轉(zhuǎn)換器在電動(dòng)車中用于將電池的高電壓轉(zhuǎn)換為適合車載低壓系統(tǒng)(如車燈、音響、控制系統(tǒng)等)使用的低電壓。SiC 功率半導(dǎo)體的應(yīng)用可以使 DC - DC 轉(zhuǎn)換器在實(shí)現(xiàn)高效功率轉(zhuǎn)換的同時(shí)，減小自身的體積和重量。SiC 器件的高開(kāi)關(guān)頻率特性允許使用更小的電感和電容等無(wú)源元件，從而優(yōu)化了 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。并且，SiC 器件的低導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗有助于提高 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的整體效率，減少能量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的浪費(fèi)，進(jìn)一步提升電動(dòng)車的能源利用率。

SiC 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

得益于電動(dòng)車市場(chǎng)的強(qiáng)勁需求，SiC 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展態(tài)勢(shì)。根據(jù) TechInsights 的研究報(bào)告，預(yù)計(jì)到 2025 年，汽車碳化硅市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 20 億美元。越來(lái)越多的半導(dǎo)體企業(yè)加大在 SiC 領(lǐng)域的研發(fā)和產(chǎn)能投入。意法半導(dǎo)體作為全球 SiC 功率 MOSFET 領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，推出了第四代 SiC MOSFET 技術(shù)，該技術(shù)在功率效率、功率密度和耐用性方面樹(shù)立了新標(biāo)桿，其涵蓋的 750V 和 1200V 兩個(gè)電壓等級(jí)的產(chǎn)品，將為 400V 和 800V 的電動(dòng)車牽引逆變器提供更高的能效，助力中型和緊湊型電動(dòng)車性能提升。

為了滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，行業(yè)正積極推動(dòng) SiC 晶圓制造技術(shù)的升級(jí)，逐步向 200 毫米晶圓生產(chǎn)技術(shù)過(guò)渡。這一轉(zhuǎn)變不僅能夠大幅提高生產(chǎn)能力，還將有效降低制造成本，為 SiC 功率半導(dǎo)體的更廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的逐步降低，SiC 功率半導(dǎo)體在電動(dòng)車領(lǐng)域的滲透率將持續(xù)提升。除了在主驅(qū)逆變器、車載充電機(jī)和 DC - DC 轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵部件中的應(yīng)用不斷深化外，未來(lái)還將拓展至電動(dòng)車的更多系統(tǒng)中。在未來(lái)，SiC 功率半導(dǎo)體有望在電動(dòng)車無(wú)線充電、電池管理系統(tǒng)等方面發(fā)揮重要作用，進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)車技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，提升電動(dòng)車的整體性能和用戶體驗(yàn)。

SiC 功率半導(dǎo)體憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)下，正迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。電動(dòng)車市場(chǎng)對(duì)高效、高功率密度功率半導(dǎo)體的迫切需求，將持續(xù)推動(dòng) SiC 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)張和技術(shù)的創(chuàng)新升級(jí)。隨著產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善和成本的有效控制，SiC 功率半導(dǎo)體將在電動(dòng)車領(lǐng)域乃至更多新能源領(lǐng)域中扮演愈發(fā)重要的角色，成為推動(dòng)全球能源轉(zhuǎn)型和科技進(jìn)步的關(guān)鍵力量。