新能源车碳化硅应用交流纪要

会议嘉宾:前任 某新能源车厂 资深专家

【专家发言】
一、 新能源汽车市场情况以及IGBT换为SiC的原因
新能源车近年来发展较好，过去十年的年增长率在60%左右，21 年销售新能源车350万辆，市占率13%左右，22年新能源车销售量将超600万，市占率介22%~23%，预计至2025年，新能源车(混动+电动)年产量预计为1900万辆，2035年年产量将接近4000万辆，所以很明显可以看出新能源汽车对功率半导体的需求量极大。
目前，国内电动汽车厂商已经完成了1.0的转型，电动汽车的关键零部件已实现自主可控。近几年英飞凌的市占率从60%下降到 30%，而这些份额给到了中车、斯达等国内半导体公司。
国内电动汽车厂商将要迎来20快充时代，充电时间需要从40分钟减少到20分钟甚至5 分钟，对快充功率的要求不断增强，2.0 主要解决的是 SiC 功率器件和充电电压平台的升高(800V)这两个技术。其中充电电压升高可以在提升充电的功率的同时降低充电电流，不会导致电池过热且效率提升，将硅基IGBT换为SiC则更加适合高压场景。传统的硅基半导体也可以高压情况下工作，但是效率下降、损耗上升这两点较为明显。
电动车 2.0时代主要的特征为 SiC 的使用以及 800V 平台的建立。目前已经有比亚迪 e3.0，汉 EV 都是从 450V 的平台提升到 800V，现在奥迪、小鹏、通用、奔驰等主机厂都有推出800V平台的计划，基本上都相应配套SiC功率半导体，预计800V平台会在25年前后上量。

二、 SiC在新能源车上的应用场景，SiC在这些场景下的优缺点
SiC特别适合高效能的转化，断能源车上的三大应用场景分别是:电控、OBC车载克电、DCDC。
在电控应用场景下，SiC主要发挥特性是较高的能量转化率，传统的硅基电控综合效率约为 94%(峰值可达 99%，但是实际参考意义不大)，SiC的效率综合则可达97%，相当于能量损耗减少一半，对一些低功率状态，可减少 70%~80%的能量损耗。使用 SiC 后行驶效率续航可以提升5%左右，电池使用量也可以减少5%，如80度的电池，可节约4度电，每1度电价值约180美元，可节省720 美元相当于4000 多人民币，虽然180KW的SiC比硅基本身要贵2000元，但是总体成本可以下降1000-2000元人民币，这也车企格外关注Sic技术的原因。
OBC 与 DCDC 两者比较相似，以 OBC 举例。OBC 是利用了Sic的高效和高频的特点，Sic是单极性器件，由于单极性器件电子的产生和消除较快，更适用于高频和高速的开关过程。在传统的基于硅基的拓扑结构中，OBC 在DCDC端使用的是三电平结构，使用sic之后，三电平使用的 16 颗器件可以减少到8 颗器件，在体积减小的同时，整体效率可以提升1%2%，同时开关频率的提升可以减少被动器件如磁体、电感、电容的使用量。最后虽然三电平器件的总体价值量上涨，但是与功率半导体相关的驱动电路、隔离芯片、driver 和控制板的数量基本减半，且在 OBC 端，半导体的规格不高价格较低，那么如果厂商的议价能力较高。基于SiC的OBC就可以实现降本。所以总体来说SiC在0BC的使用有体积小、效率高和成本下降的优点。DCDC 优点类似。

三、 使用SiC后有哪些技术需要更新
SiC最核心的是功率器件的替换，所以功率模块封装技术要求需要得到提升。
驱动电路方面有相对应的隔离器件，隔离同时也要保证信号传输不失真，对隔离器的要求较高，以往一直使用的是光耦隔离，但是因其是LED 发光传输容易老化，将来更偏向联隔离与电容隔离驱动芯片需要加入新的功能，由于 IGBT 开关频率较慢，所以功能相对简单，对驱动的要求较低，但是SiC的DI/DT比IGBT快了将近10倍，所以要求驱动提供更好的保护作用，同时，也对汽车的诊断功能提出了更高的要求。
使用SiC后会出现一些电磁干扰和电磁兼容的问题，为了符合国家标准，由于硅基系统较慢。只需要1级滤波器或者2级滤波器就可以满足标准，SiC出现之后，对滤波器的登记就提出了更高要求，会对滤波器中磁芯和控制板的使用量提出要求。电池为 400V 时，只要求500~550V的薄膜电容，转 800V电压系统后，电池最高电压可以达到 900~920V，则需要1000V的薄膜电容。

四、 国内外SiC厂商产品布局及最新进展 SiC目前主要还是以国外为主，SiC四巨头分别为英飞凌、意法、安森美、罗姆，去年 博世也进入了这个业务领域，经测试其性能非常优越，可以位列第一梯队。相对来说，国内 SiC 技术则起步较晚，国内可以规模生产SiC 器件尤其是MOS 器件的公司凤毛麟角。
从产业布局来说，国外的布局在材料端、器件端、设计端、代工等方面都很完善，相较于国内更成熟，CREE 纽约的生产线原本预计在24/25年开通，但是实际上已于今年通线，并预计今年年底到明年年初线上产品就可以销售，且这条线是8寸线，村底产能可达72 万片，相当于150万片6寸片。国内主流SiC衬底还主要是4寸和6寸线。
因为硅基中衬底价值量较低，所以国外厂商英飞凌、安森美等一般都是直接购买衬底，但是在SiC 中村底+外延的价值量超 60%，所以英飞凌、安森美、罗姆等都有在衬底和外延上进行了布局。就制造端而言，国际上有两个代工工厂:一是美国德州 X-Fab，其生产线已转化为SiC的代工线，近年来的产能约为 10 万件;二是台湾汉磊，整体来说其技术工艺水平相对差一些，性价比较低。
国内厂商中，就衬底来说，截止2020年，国内已有30家衬底厂，国内的衬底厂有“四大”和“四小”。“四大”指的是天科合达、山东天岳、山西烁科、河北同光，“四小”指的是露笑科技、东尼电子、中科钢研、中电化合物。“四大”预计 2025 年产能能达到100~150万片，将来放量后衬底的价格会有所下降。就外延来说，国内主要有瀚天天成和东莞天域，他们在数量、订单、交付、出货方面比较稳定。以往天科合达只专注于外延，但是近年来它也有了衬底业务，它的业务较为完整。目前国内比较欠缺制造端，国内具备二极管、MOS两个完整产线的只有上海积塔一家，且其产量较小，年产量不足3万片，扩产后也只能达到5万片远未满足市场需求。

【问答环节】
Q:SiC应用后对电驱系统、电源系统生产上是否有新要求?SiC 应用后单车价值量如何变化，对充电桩有什么要求吗?
Sic 应用后，对生产而言变化不大，只是对绝缘的要求更高，但是以往的标准都是以2500V做绝缘的，所以整体的影响不大。
Sic 使用后价值量会上升，以最常见的150~180KW为例，IGBT与SiC的差价约为2000~2500 元。就电控来说，硅基电控的价格约为 3000 元，其中功率模块的价格介于1200~1400之间，其余模块的价值约为1600~1800元，更换为SiC之后其余模块的价值基本不变，功率模块价值上升为 3000 元左右，整个成本提高到 5000 元上下。功率半导体模块价值占电控整个模块的价值超 60%。
传统的充电桩最高电压一般是600V左右，导致 800V电池只能充7-8成的电，所以将来会要求适配充电桩1000V~1200V。2020年已经在开始建造1000V的充电桩，但建设量仍然跟不上需求。由于很多主机厂规划在22年~25年期间建造750V的充电桩，25年之后1000V的充电桩才会成为主流。
Q:超结MOS在充电桩应用趋势未来会被SiC替代吗?
OBC 和DCDC 都是偏高频，基本都是用超结 MOS 器件。这两个场景功率不太高，硅mos加三电平结构，峰值验率94~95%。SiC替代以后，雅率提升、体积变小且结构会变简单，未来取代是硅基是必然趋势。

Q:Wolfspeed与英飞凌、罗姆等比，器件水平如何?
Wolfspeed之前的销售是偏军品，后来开始先后做衬底和功率器件。CREE 本质上是材料供应商，是真正想推广SIC市场，而英飞凌和安森美开发比较慢。Wolfspeed在14~15年前后推出了第三代 SiC产品，是目前他们主推的产品。
技术水平来看，CREE 的技术在一些工艺上是领先的，对材料的理解更深入一些，Mos器件相对简单。在接下来的 3~5 年，英飞凌路线图更激进，可能会重回领先地位。安森美、意法和罗姆这三家公司，未来不会太差，但应该不会超过CREE

Q:后续SiCMOS器件结构是否还是从平面型往沟槽型过渡?
平面型比沟槽型好做，设计和工艺简单，而且平面型没有专利壁垒。罗姆、博世和英飞凌这三家都是沟槽型，目前表现的性能还可以。如果短时间内还没找到提高SiC沟道迁移率的方法，那么沟槽栅会出现且会慢慢占据主流，但如果从制备工艺、材料等环节找到移率的方法，那么沟槽栅会出现且会慢慢占据主流，但如果从制备工艺、材料等环节找到了方法，可能沟槽栅不一定会成为未来的发展方向，因为工艺复杂，成本高且良率低。