碳化硅功率器件优势显著，新能源汽车多系统应用加速
碳化硅功率器件优势显著，新能源汽车多系统应用加速
碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，具有耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优良电气特性，突破了传统硅基半导体材料的物理限制。在新能源汽车领域，碳化硅功率器件的应用正日益广泛，从主驱逆变器到车载充电系统，其高效、节能的特点为电动汽车的性能提升和成本优化带来了新的可能。
碳化硅功率器件在新能源汽车中的应用，主要体现在以下几个方面：
主驱逆变器：碳化硅功率器件能够显著降低能量损耗，提高系统效率。与传统硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET的开关损耗降低70%，导通电阻降低至1/100，体积减小至1/10，从而实现更高的功率密度和更轻的重量。
车载充电系统（OBC）：碳化硅器件的应用可以有效降低开关损耗，提高极限工作温度，提升系统效率。目前，全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件。
DC/DC转换器：碳化硅功率器件的高频特性可以减小磁性元件和电容的尺寸，实现更紧凑的设计，同时保持高效率。
非车载充电桩：通过配置碳化硅功率器件，直流快速充电桩能极大简化内部电路，提高充电效率，减小散热器的体积和成本，减小系统整体的尺寸、重量。
碳化硅功率器件的优势
碳化硅功率器件相较于传统硅基功率器件，具有以下显著优势：
更高的能效：更低的导通电阻和更高的开关速度，实现更高的能效，降低能耗。
更高的工作频率：电子饱和速度高，输入电容低，工作频率可达数十兆赫。
更高的温度稳定性：热导率高，禁带宽度宽，能在更高温度下稳定工作。
更小的尺寸：高频率特性使得磁性元件和电容尺寸减小，实现更紧凑的设计。
碳化硅在新能源汽车中的关键作用
碳化硅功率器件在新能源汽车中的应用，主要体现在以下几个方面：
提升续航里程：通过降低能量损耗，提高系统效率，从而延长电动汽车的续航里程。
缩短充电时间：碳化硅器件的高效特性可以实现更快的充电速度。
减轻整车重量：更小的器件尺寸和更轻的重量有助于减轻整车质量，进一步提升能效。
提高成本效益：虽然碳化硅器件初期成本较高，但其带来的性能提升和能耗降低，最终可以实现整体成本的优化。
碳化硅功率器件的技术挑战
尽管碳化硅功率器件具有诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战：
驱动电路设计：快速开关速度对驱动电路设计提出更高要求，尤其是系统杂散电感的控制。
电气振荡：快速响应能力容易导致电流和电压的振荡，对系统稳定性和EMC（电磁兼容性）带来挑战。
成本问题：虽然长期来看碳化硅器件可以实现成本优化，但初期成本仍然较高。
碳化硅产业市场发展情况
市场规模：随着新能源汽车市场的快速发展，碳化硅功率器件的市场规模呈现快速增长趋势。
应用占比：在中国市场，新能源汽车领域是碳化硅功率器件应用占比最大的领域，达到38%。
市场竞争格局：目前，碳化硅功率器件市场仍由海外巨头主导，其中意法半导体占比超过40%。
碳化硅半导体产业链
碳化硅半导体产业链主要包括以下几个环节：
碳化硅高纯粉料：作为单晶生长的原料，其纯度直接影响单晶质量和电学性能。
单晶衬底：是产业链中技术密集型和资金密集型的关键环节，目前主要采用PVT法生长。
外延片：在衬底上生长的单晶薄膜，是器件制造的基础。
功率器件：包括功率二极管和功率开关管，具有耐高温、高频、高效的特性。
模块封装：优化器件使用性能和可靠性，目前主要沿用硅功率器件的封装类型。
终端应用：涵盖电源、服务器、光伏逆变器、新能源汽车等多个领域。
存在问题与未来展望
尽管碳化硅功率器件展现出巨大的应用潜力，但仍面临一些挑战：
大尺寸单晶衬底制备技术不成熟：国际上8英寸样品已开发，但尺寸仍偏小，缺陷水平偏高。
外延生长技术待提高：n型SiC外延生长技术需要进一步优化。
市场优势尚未形成：成本和工艺水平限制了其大规模应用。
功率模块问题：多芯片并联的电磁干扰和高温封装技术发展滞后。
驱动技术不成熟：需要进一步研发以充分发挥碳化硅器件的性能。
应用模型不完善：现有模型尚不能全面反映碳化硅器件的物理特性。
随着技术的不断进步和成本的降低，碳化硅功率器件有望在新能源汽车领域实现更广泛的应用，推动电动汽车向更高性能、更低成本的方向发展。
本文原文来自功率半导体生态圈