【哔哥哔特导读】在电动汽车市场的激烈竞争中，碳化硅(SiC)器件正成为关键制胜因素。究竟谁能抢占SiC高地，成为这场角逐的最终赢家？
随着电动汽车行业的快速发展，对高性能、高续航里程要求和高效率的需求不断增加，SiC器件正在逐渐成为提高车辆性能的关键技术之一。
据乘联会最新数据，1-8月期间，狭义乘用车市场累计零售销量达到1346.5万辆，较去年同期微增1.8%。新能源领域，比亚迪驱逐舰05、五菱宏光MINIEV及秦PLUS EV等车型跻身前十，五菱缤果则以超10万辆的销量位列第12。
在近几年的车展上，SiC在电动汽车上的应用越来越普遍。不管是新势力的造车厂，还是传统汽车厂，SiC在电动汽车上的使用率都大为增加。
如在第21届广州国际车展上，共有1132辆展车亮相，其中至少包含了15款以SiC为特色的新车型。此次车展上，不仅有下半年将上市的热门车型如仰望U8、智己LS6、华为问界M9等，还有尚未上市的车型如奥迪Q6 e-tron和仰望U9等也悉数登场。这些车型价格区间广泛，多款售价位于20万元至30万元区间，也有下探至15万元左右的。
作为第三代半导体，尽管成本较高于传统硅基器件，但SiC功率器件带来的性能增益，包括提高能源利用率、减少系统损耗、改善热管理效能和支持更高的工作电压，使得越来越多的汽车制造商开始在其产品中引入SiC。
一、SiC 在电动汽车上的三大应用
数据显示，SiC功率器件在电动汽车中的渗透率约为一半。预计在2023年至2035年间，SiC MOSFET的需求将增长10倍，主要得益于其高效率、高耐压和高温工作的特性，尤其是较多应用于高端电动汽车的车载充电器(OBC)、DC-DC转换器和主驱逆变器等核心组件中。
(一)电机驱动系统逆变器
目前，SiC逆变器已占据BEV市场的28%，并逐渐成为主流。
主逆变器作为牵引逆变器，负责将电池的直流电转换为驱动电动引擎的交流电。其性能及体积、重量直接影响车辆续航范围和可靠性。目前，电动车中的主驱逆变器仍以硅基 MOSFET 和硅基 IGBT为主，但随着新能源汽车向高集成度、小尺寸、低损耗的系统发展，SiC器件加速渗透。
罗姆认为，由于牵引逆变器处理的功率比OBC和DC-DC更大，而采用SiC分立器件会使逆变器尺寸变大，因此市场上越来越多地使用SiC模块。
如典型的特斯拉Model 3和比亚迪 “汉”EV高性能四驱版本等部分车型已经使用了碳化硅功率器件的电机驱动控制器。相比硅基器件，引入碳化硅后，逆变器输出功率可增至2.5倍，体积缩小1.5倍，功率密度为原有3.6倍。
(二)车载充电机(OBC)
在车载充电机方面，SiC器件能实现更快充电速度和更高效率。
车载充电机为电动汽车的高压直流电池组提供从基础设施电网充电的关键功能，决定充电功率和效率。通过车载充电器可将电网中的交流电转换为直流电对电池进行充电。
双向逆变技术是未来OBC标配功能之一，使 OBC不仅可将AC转化为DC为电池充电，还能将电池的DC转化为AC对外进行功率输出。
SiC二极管及MOSFET器件用于车载充电机PFC和DC-DC次级整流环节，推动车载充电机向双向充放电、集成化、智能化、小型化、轻量化、高效率化等方向发展。以22kW双向OBC为例，SiC系统成本与Si相比，减少了15%；同时能量密度是Si系统的1.5倍，通过减少能耗每年可减少单位成本40美元左右。
采用全SiC MOSFET方案的车载充电机，可使功率器件和栅极驱动数量减少30%以上，开关频率提高一倍以上，实现系统轻量化和整体运行效率提升。
而传统Si器件由于耐压和开关频率限制，不能满足日益增长的性能需求。以6.6kW车载充电机为例，SiC肖特基二级管在AC-DC和DC-DC电路中发挥重要作用，可提高功率因数，得到宽范围母线电压，实现极短反向恢复时间，降低开关损耗，提高开关频率，对车载充电机减小发热量、提高工作电压、能量密度和效率至关重要。
(三)DC-DC 转换器
在DC-DC转换器中，SiC器件同样具有显著优势。
DC-DC转换器是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器，实现车内高压电池和低压电瓶之间的功率转换，主要给车内低压用电器供电。随着整车智能化、电气化的发展，对DC-DC的供电功率及安全性提出了更高的要求。
采用SiC功率模块的DC-DC转换器与传统IGBT技术相比，提供更低的开关损耗。例如在额定功率为500kW的DC-DC转换器设计中，变压器得益于SiC功率模块的低开关损耗和高开关频率，可以使用铁氧体制成的磁芯，提供经济高效的解决方案。在输出为400V/16A的变频器中，SiC功率器件性能优于Si基功率器件，在500kHz时的转换器峰值效率接近98.5%。
基于碳化硅研制的功率器件，为氢能汽车燃料电池DC/DC变换器带来革命性的创新。此外，800V高压平台有望为OBC/DC-DC带来新增量。为适配原有400V直流快充桩，搭载800V电压平台新车须配有额外DC-DC转换器进行升压，进一步增加对DC-DC的需求。
当然，SiC在充电模块、压缩机、变换器和电机驱动中也有广泛应用。如英飞凌与英飞源合作，为其提供1200V CoolSiC? MOSFET功率半导体器件提升电动汽车充电站效率。SiC技术可提高压缩机工作效率和响应速度，降低系统损耗和噪音；在变换器中能提升转换效率、减少热损失和降低成本；在电机驱动中，采用碳化硅功率器件可提高驱动系统性能，汽车厂商希望通过应用碳化硅功率器件实现驱动系统小型轻量化，碳化硅器件优势众多，可将电驱动控制器体积减小80%以上。
二、SiC 器件普及的难点在哪里？未来前景如何？
目前，SiC器件在在市场上的应用并未得到大规模地普及，尤其是SiC MOSFET 。
相比传统的硅基器件，SiC MOSFET的成本较高主要源于SiC晶圆生长缓慢，制造工艺复杂以及高硬度SiC材料加工处理更为困难。据相关数据，在碳化硅器件的制造中，最费钱的部分是衬底，占整个成本的47%。
此外，在极端操作条件下的长期可靠性仍需进一步验证。尽管SiC具有优良的热导特性，在高功率密度应用中的有效散热依然是设计中的一大考量，必须确保有高效的冷却系统支持，以维持器件的最佳性能和延长使用寿命。
针对上述挑战，安森美碳化硅技术专家Jiahao Niu认为，随着8英寸晶圆技术的成熟和成本的降低，SiC器件的市场主流将从6英寸转向8英寸，而SiC产品的性能也将持续提升。
安森美通过不断改进SiC MOSFET的结构，减少导通电阻和开关损耗，提高器件的工作效率和可靠性，以满足新能源汽车、充电桩、光伏新能源等领域的高要求。在产业链方面，规模化生产将成为SiC产业链的重要发展方向，并且未来SiC产业链将更加注重垂直整合，实现产业链的优化配置，提高整体竞争力。
虽然目前SiC MOSFET面临成本高、衬底生长缓慢等问题，但很多厂家对其成本的降低都有着很乐观的预期。预计在2035年成本会大幅降低，可以达到Si器件价格的 1.5 倍左右，届时 SiC器件将会迎来大规模的应用。
在市场上大部分厂家很难确保完整产业链的8英寸晶圆，在能够内制的企业有限的情况下，罗姆认为能够内制SiC衬底和晶圆这一点是非常有利的。据了解，罗姆从最初的3英寸到现在已量产的6英寸，积累了非常多SiC晶圆大口径化的技术经验，目前在8英寸晶圆的开发中，取得了比6英寸开发时更好的结果。
未来，随着SiC器件成本的降低、技术的不断成熟以及产业链的不断完善，SiC在电动汽车领域的应用前景将更加广阔。它将为电动汽车带来更高的性能、更长的续航里程、更快的充电速度以及更小的体积和重量，推动电动汽车产业的快速发展。
三、800V高压平台之下，SiC器件的发展空间如何?
随着800V高压平台的兴起，高性能的电动汽车只会对更高能效、更小体积和更轻重量系统的需求日益增长。从当前的应用现状可以看到，SiC器件在车载充电器(OBC)、DC-DC转换器、主驱逆变器等关键部件中展现出的增长潜力不言而喻。
图源安森美
安森美针对电动汽车SiC市场加速创新，计划2030年前推多代新产品。EliteSiC M3e MOSFET降关断损耗50%，与智能电源组合可优化系统方案并缩短上市时间，不仅能在高开关频率和电压下运行，提供超低导通电阻和抗短路能力，而且采用先进封装可提升主驱逆变器输出功率或减少SiC材料。
此外，一系列SiC产品和技术包括功率模块和分立器件、高耐压器件、封装和散热技术、栅极驱动器解决方案，均可适用于电动汽车部件。安森美追求车规级SiC零偏移、零缺陷质量目标，还将推出仿真工具，参与认证标准研究，与车企合作推动碳化硅大规模上车。
据透露，2024年4月的北京国际车展上，新发布并使用SiC的800V平台的车型中，60%设计采用了安森美的方案。部分采用800V架构的国产电动汽车已具备“充电5分钟，续航200公里”的超快补能能力，这背后离不开SiC器件在主驱逆变器中的广泛应用。研究显示，由IGBT向SiC的切换可使逆变器效率提升2%至5%。
安森美通过SiC MOSFET芯片技术创新降低成本。平面栅SiC MOSFET迭代至M3e，元胞结构改变且长度缩小65%，结合晶圆减薄降导通电阻。M3e在平面架构上降低导通和开关损耗，与前代相比，导通损耗降30%、关断损耗降50%，具低导通电阻和短路能力。
结合先进封装技术，可提升主驱逆变器输出功率20%或减少20% SiC用量。目前，M3e已获众多头部客户认可，如与大众汽车集团签约。2030年前，安森美将加快推出新EliteSiC产品，从第四代转向沟槽栅SiC MOSFET。
四、半导体厂商未来的发展机遇与空间
未来，电动汽车上的应用无疑是SiC的天下。
特别是在电动汽车大力推行之下，面对续航问题、充电问题等难点时，SiC器件的性能优势显得愈发重要。目前SiC模块的成本随着生产工艺和技术的进步，成本优势也在日增。如果电动汽车与人工智能、物联网等技术的深度融合，那么将会有更多的创新应用实现落地。
据预计，到2030年，电动汽车市场的复合年增长率将达到20%，届时xEV的销量预计将达到64万辆，是2022年电动汽车销量估计的四倍。
目前价值约2亿美元的SiC器件市场预计将在2030年达到11亿至14亿美元，估计复合年增长率为 26%。鉴于电动汽车销量的激增以及SiC对逆变器的适用性，预计70%的SiC需求将来自电动汽车。
图源包图网
对于半导体厂商而言，这意味着巨大的发展机遇和广阔的发展空间。
目前，生产SiC器件的半导体企业就包括意法半导体、英飞凌、安森美、罗姆等，这些国外大厂纷纷早已布局，占据了全球电动汽车SiC市场的绝大部分份额。数据显示，作为全球第一大汽车SiC器件厂家，意法半导体市场占有率超过60%；安森美2023年市场占有率约为24%；罗姆的目标是到2025年之后占据全球SiC份额的30%。
在国内，士兰微、新洁能、扬杰科技、安世半导体等功率器件企业也已研发出自有的技术和产品，并与头部车企建立深度合作。
安森美(onsemi)视新能源汽车市场为一个充满活力且极具潜力的领域，不仅在SiC技术上拥有深厚的积累，还致力于提供从衬底到模块的端到端解决方案，以满足不同应用场景的需求。
鉴于SiC器件优势，安森美在电动汽车SiC领域有明确市场策略和发展规划。例如，通过垂直整合生产链保证质量和供应链稳定且领先性能与供应能力；计划产能扩张，推8英寸晶圆提升产量供应全球客户；与汽车制造商战略合作，提供SiC技术加强市场地位并带来技术共享和市场扩展机会；提供多样化产品组合满足不同需求；拥有庞大开发团队，紧密联系客户确保技术符合市场需求，持续研发推出新一代产品保持领先；通过全球布局构建弹性供应网络增强市场适应能力。
同样，英飞凌科技大中华区汽车电子事业部高级总监仲小龙此前表示，未来三到五年将重点投资下一代更高效、更高电流密度的半导体技术，包括Si及SiC，以提供更高功率密度、更高集成度、更多更灵活的封装模式的新产品。值得一提的是，英飞凌采用的先进冷切割技术进行原材料的后续生产，在确保成品率的同时极大地提升原材料的利用率，在节能增效方面先人一步。
罗姆半导体(上海)有限公司深圳分公司技术中心高级经理苏勇锦认为，如果电池电压增加，系统需要处理相应的大功率转换，但是使用SiC分立器件的系统构成方案往往会使逆变器尺寸变大，因此可以使系统更加小型化、更高效率的SiC模块的采用越来越多。
值得关注的是，中国是全球电动汽车普及速度最快的市场之一。罗姆非常看好这一市场，积极强化支持和合作，目前已与多家中国厂商合作，包括尚未发布的厂商在内，有相当数量的合作正在进行。
小结：
目前电动汽车是SiC器件的主战场。在整个电动汽车应用中，主驱系统所用到的SiC模块相对更多，而这一核心部件目前主要由意法半导体、安森美和英飞凌等国外大厂占据主要份额。对于国内半导体厂商而言，在主驱系统领域实现国产替代的前景非常可观。其次，OBC、DC-DC转换器和充电桩等领域，也有相当一部分的替代和占领空间。
尽管相比硅基器件，SiC器件的性能优越性和特性都相差一定的距离。随着SiC器件的成本下降和生产工艺水平的提高，其在电动汽车上的渗透率会越来越高，且逐渐成为应用主流。纵观整个电动汽车市场，谁抢占了SiC器件的创新应用，谁就是电动汽车市场的受益者。
