了解更多详情

关注公众号

您当前所在位置:首页 > 行业新闻 > 汽车电子成 SiC 功率市场未来十年主要驱动力
汽车电子成 SiC 功率市场未来十年主要驱动力
信息来源:新能源自动驾驶 发布日期:2022-03-01
1、功率器件下游应用分布广泛,需求景气度抬升化合物半导体主要应用于(1)光电子,如 LED、激光器等;( 2)射频通信,如 PA、LNA。开关、滤波器等;(3)电力电子,如二极管、 MOSFET、 IGBT 等。

GaAs、 GaN 受益于 5G 终端及基站, SiC 受益于新能源汽车。第二代化合物 GaAs 相对成熟,主要用于通讯领域,全球市场容量接近百亿美元,受益于射频芯片尤其是 PA 升级驱动。GaN 大功率、高频性能更出色,主要应用于军事领域, 受益于基站 PA 对高频、高压需求;SiC 主要作为高功率半导体材料应用于汽车以及工业电力电子,在大功率转换应用中具有巨大的优势,有望受益于新能源汽车。

第三代半导体市场成长速度快,国产器件仍有待突破。根据 CASA 统计, 2018 年国内市场 SiC 和 GaN 电力电子器件的规模约为 28 亿元,同比增长 56%,预计未来五年复合增速为 38%。SiC、 GaN 在电力电子领域渗透率约 1.5~1.9%, SiC、 GaN 电力电子 90%依赖于进口,主要为 Cree、英飞凌、 Rohm,国产的功率器件目前仅在 SiC 二极管有量产销售突破。GaN 微波射频应用市场规模约为 24.49 亿元,未来 5 年复合增速有望达 60% 。

第三代半导体材料器件在太阳能光伏、新能源汽车和工业及商业应用三个领域取得较大进展。我国第三代半导体电力电子器件领域主要应用于工业及商业电源、消费类电源( PFC)、光伏逆变器、不间断电源( UPS)、新能源汽车和工业电机等。

其中, 电源领域是第三代半导体电力电子器件领域最大的市场,规模约为 16.2 亿元,占到整个第三代半导体电力电子器件市场规模的近58%。光伏逆变器中 SiC 渗透率也逐年提升,目前规模达到 6.8 亿元,渗透率有望到 20%。2018 年新能源汽车领域第三代电力电子器件市场规模 1.5 亿元,同比增长 87%,主要来自于充电桩贡献,新能源整车市场仍未起航,器件的渗透率有待进一步提升。

据 CASA测算, 2018 年我国新能源汽车上功率电子器件的市场规模高达 6 亿元,而第三代半导体电力电子器件的市场规模仅 1700 万元。直流充电桩为例,电动汽车充电桩中的 SiC 器件的平均渗透率达到 10%。

2、 碳化硅:高压、大功率器件核心材料

SiC 作为第三代化合物半导体,相比 Si 具有大禁带宽度、高临界击穿场强、高热导率三个最显著特征。4H-SiC 的禁带宽度是 Si 的 3 倍,因此 SiC 材料能够在更高温(如汽车电子)下稳定工作。SiC 的临界击穿场强可以达到 Si 的 10 倍,与 Si 器件相比, SiC 可以在更高杂质浓度、更薄漂移层厚度的情况下制作出高耐压功率器件。从而同时实现“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”三个特性。SiC 的导热率可达 Si 的 3 倍,因此能够提高热传导能力。随着电子元器件集成度提升,功率和密度增大,单位体积发热量增加,高导热率的材料有利于元器件向更小型化发展。

SiC 在高电压、高功率领域应用具有优势。由于 SiC 材料具有耐高温、耐高压、低导通电阻(低开关损耗)、高频等优良特性,因此应用于汽车电子、光伏、轨道交通、工业控制等领域将带来比 Si 材料更显著的优势。

目前 SiC 半导体仍处于发展初期。SiC 衬底处于行业上游, 1970 年代 SiC 单晶生长方法取得突破, 1990 年代 SiC 衬底实现产业化。SiC 衬底本身具有较高的成本。SiC 外延材料和 SiC 基电力电子器件性能及其可靠性仍然受到衬底结晶缺陷、表面加工质量的制约。晶圆生长过程中易出现材料的基面位错,以致 SiC 器件可靠性下降。另一方面,晶圆生长难度导致 SiC 材料价格昂贵,预计想要大规模得到应用仍需一段时期的技术改进。

目前市场上 SiC 产品主要包括 SiC 二极管、 SiC MOSFET、 SiC 二极管与 SiC MOSFET构成的全 SiC 模块、以及 SiC 二极管与 Si IGBT 构成的混合模块这四大类产品。SiC 裸片目前主要出售给大客户。SiC 二极管在挖矿机、 数据中心电源、充电桩中有批量的商业应用。SiC MOSFET 应用于 PV 逆变器、充电桩、电动汽车充电与驱动、电力电子变压器等。
SiC 二极管在功率因素校正( PFC)中应用较广,是 SiC 器件主要的应用领域。当前的SiC 器件主要包括纯肖特基接触的 SBD 器件和带有 p 型注入的结势垒型 JBS 器件。电压集中在 650V、 1200V。

SiC MOSFET 兼具耐高压和无尾电流的优点。Si 材料器件会随着电压增加, 单位面积导通电阻增加,因此 600V 以上的电压中主要采用 IGBT, IGBT 导通电阻比 MOSFET 还要小, 但缺点在于关断时会产生尾电流,从而造成极大的开关损耗。SiC 器件漂移层电阻比Si 器件低, SiC MOSFET 能够实现高耐压和低导通电阻, 且 MOSFET 原理上不产生尾电流,所以用 SiC-MOSFET 替代 IGBT 能够明显地减少开关损耗,并且实现散热部件的小型化。

SiC MOSFET 相比 IGBT,还能在高频条件下驱动,从而实现无源器件的小型化。与600V~ 900V 的 Si MOSFET 相比, SiC MOSFET 芯片面积更小(可实现小型封装),且体二极管的恢复损耗非常小,适用于工业机器电源、高效率功率调节器的逆变器或转换器中。目前 SiC 基电力电子器件已经广泛应用于光伏、功率因子校正电源、汽车、风电及牵引机车行业。

汽车领域已经较为广泛搭载 SiC SBD 和 SiC MOSFET。据 Yole 统计, 2018 年,国际上有 20 多家汽车厂商已经在车载充电机( OBC)中使用 SiC SBD 或 SiC MOSFET。此外,特斯拉 Model 3 的逆变器采用了意法半导体生产的全 SiC 功率模块,该功率模块包含两个采用创新芯片贴装解决方案的 SiC MOSFET,并通过铜基板实现散热。目前针对车用电机控制器的 SiC 模块主要包括:650V、 900V 和 1200V 三个电压等级,电流从几十安培到几百安培不等。

SiC 和 GaN 这两种第三代半导体材料均可作为 MOSFET 器件材料。基于其自身特性的差异, 600~900V 应用采用 GaN 器件的居多, 900V 以上应用采用 SiC 器件的居多。此外,当前已有较多的 GaN FET 器件应用在高端的 DC-DC 转化器中, SiC MOSFET 的使用也会逐渐增多,但分别应用在不同的场景和领域:SiC MOSFET 主要应用在高压大电流的模块, GaN FET 主要应用在高频的模块。在高压、超高压器件, SiC 的优势尤为明显。目前 600V、 1200V、 1700V SiC 器件已实现商业化,预期未来 3300V(三菱电机已经生产出来)和 6500V 级、甚至万伏级以上的应用需求将快速提升。

SiC 混合模块的电流可以做到 1000A 以上,与相同电流电压等级的 Si 模块比较,性能优势较为明显,成本和可靠性方面相对于全 SiC 模块较易被用户接受,因此,在要求有高电能转换效率的领域具有较大的应用市场。随着 SiC 产品向高压大容量方向发展, SiC 产品的应用领域、应用量都会越来越多。但在 600V 及以下小容量换流器中,在面临现有 Si MOSFET 强有力竞争之外,还可能会受到 GaN 器件的冲击。

受益于电动车、光伏,第三代半导体电力电子器件快速增长。根据 Yole, 2018 年全球电力电子分立器件市场规模约 390 亿美元,其中分立器件约 130 亿美元。全球 SiC 电力电子器件市场规模约 3.9 亿美元, GaN 电力电子市场规模约 0.5 亿美元,两者合计占全球电力电子市场规模分立器件比重约 3.4%。据 Yole 预测,在汽车等应用市场的带动下,到 2023 年 SiC 电力电子器件市场规模将增长至 14 亿美元,复合年增长率接近 30%。根据 IHS, SiC 和 GaN 电力电子器件在 2020 年预计将近 10 亿美元,主要受益于混合动力、电力、光伏逆变器等需求增长,在 2027 年有望达到 100 亿美元。

国内在电力电子应用领域的渗透率持续提升。根据 CASA 统计, 2018 年国内市场 SiC、GaN 电力电子器件的市场规模约为 28 亿元,同比增长 56%。预计未来五年复合增速为38%,到 2023 年 SiC、 GaN 电力电子器件的市场规模将达到 148 亿元。未来 5 年内驱动 SiC 器件市场增长的主要因素将由 SiC 二极管转变为 SiC MOSFET。
目前, SiC 电力电子器件市场的主要驱动因素是功率因数校正( PFC)和光伏应用中大规模采用的 SiC 二极管。然而,得益于 SiC MOSFET 性能和可靠性的提高, 3~5 年内, SiCMOSFET 有望在电动汽车传动系统主逆变器中获得广泛应用,未来 5 年内驱动 SiC 器件市场增长的主要因素将由 SiC 二极管转变为 SiC MOSFET。
根据 Rohm 预测, 2025 年 SiC 功率半导体的市场规模有望达到 30 亿美元。在未来的10 年内, SiC 器件将开始大范围地应用于工业及电动汽车领域。纵观全球 SiC 主要市场,电力电子占据了 2016-2017 年最大的市场份额。该市场增长的主要驱动因素是由于电源供应和逆变器应用越来越多地使用 SiC 器件。

Die Size 和成本是 SiC 技术产业化的核心变量。我们比较目前市场主流 1200V 硅基IGBT 及 SiC 基 MOSFET,可以发现 SiC 基 MOSFET 产品较 Si 基产品能够大幅减少 Die Size,且表现性能更好。但是目前最大阻碍仍在于 Wafer Cost,根据 yole development测算,单片成本 SiC 比 Si 基产品高出 7~8 倍。

目前 SiC 主流尺寸处于 4 英寸向 6 英寸过渡阶段。单晶尺寸的增加往往会伴随结晶质量的下降, SiC 衬底从 1~8 英寸不等,主流尺寸为 4~6 英寸。由于尺寸越大,生产效率越高,但生产品质控制难度越高,因此目前 6 英寸主要用于二极管, 4 英寸主要用于 MOSFET。
由于 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造成用于生产 SiC 器件,所以预计 6 英寸 SiC 衬底的高市占率会维持较长时间。SiC 成本下降依赖于尺寸增加、可用厚度增加和缺陷密度下降。伴随大直径衬底占比不断提高,衬底单位面积生长成本下降。单晶可用厚度在不断增加。以直径 100mm 单晶为例, 2015 年前大部分单晶厂商制备单晶平均可用厚度在 15mm 左右, 2017 年底已经达到 20mm 左右。伴随衬底结晶缺陷密度下降的同时,工艺复杂程度增加。在大部分衬底提供商完成低缺陷密度单晶生长工艺及厚单晶生长工艺研发后,衬底单位面积价格会迎来相对快速的降低。

3、 汽车电子是 SiC 器件最重要驱动力
新能源汽车将是 SiC 器件需求规模大幅增长的主要推动力。按照 SiC 功率器件应用发展来看,初期 SiC 器件主要用于 PFC 电源领域,过去十年 SiC 在光伏及一些能源储存系统中被广泛,未来十年,新能源汽车、充电设施、轨道交通将是 SiC 器件需求规模大幅增长的主要推动力。根据 Yole, 2019 年 SiC 全球市场规模超过 5.4 亿美元,到 2025 年将达到 25.6 亿美元, CAGR 30%,其中新能源汽车占比最高, 2025 年市场规模将达到 15.5亿美元, CAGR 38%,充电桩增速高达 90%。

新能源汽车系统架构中涉及到 SiC 应用的系统主要有电机驱动器、车载充电器( OBC)/非车载充电桩和电源转换系统(车载 DC/DC)。Si IGBT 具有导通压降小、耐压高、开关速度快的优势,目前大量应用于新能源汽车的 OBC、 DC/DC 和电机控制器中。未来 SiC 器件将在新能源汽车应用中具有更大优势。IGBT 是双极型器件,在关断时存在拖尾电流,因此关断损耗大。MOSFET 是单极器件,不存在拖尾电流, SiC MOSFET 的导通电阻、开关损耗大幅降低,整个功率器件具有高温、高效和高频特性,能够提高能 源转换效率。

电机驱动:电机驱动中使用 SiC 器件的优势在于提升控制器效率,提升功率密度和开关频率,减少开关损耗以及简化电路散热系统,从而降低成本、大小,改善功率密度。丰田的 SiC 控制器将电驱动控制器体积减小 80%。

电源转换:车载 DC/DC 变换器的作用是将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电,从而为动力推进、 HVAC、车窗升降、内外照明、信息娱乐和一些传感器等不同系统提供不同的电压。使用 SiC 器件可降低功率转换损耗并实现散热部件的小型化,从而减小变压器体积。
充电模块:车载充电器和充电桩使用 SiC 器件,能够发挥其高频、高温和高压的优势,采用 SiC MOSFET,能够显著提升车载/非车载充电机功率密度、减少开关损耗并改善热管理。根据 Wolfspeed,汽车电池充电机采用 SiC MOSFET 在系统层面的 BOM 成本将降低 15%;在 400V 系统相同充电速度下, SiC 充电量较硅材料可以翻倍。

- 非车载直流快速充电机:将输入的外部 AC 转换为电动汽车所需的 DC 电源,并将其存储在电池中。SiC 的高开关速度是新型快速充电器的核心。

- 车载蓄电池充电机( OBC):将来自电池子系统的 DC 电源转换为主驱动电机的 AC 电源。在插入外部电源充电时, OBC 的整流电路将 AC 电源转换为 DC 电源,为蓄电池充电。OBC 系统还可以通过再生制动收集车辆动量产生的动能,并送到电池。与硅相比, SiC OBC 体积小 60%,器件热量和能量损失都更少。

特斯拉引领行业潮流,率先在逆变器上使用 SiC。特斯拉 Model 3 的电驱动主逆变器采用意法半导体的全 SiC 功率模块,包含 650V SiC MOSFET,其衬底由科锐提供。目前特斯拉仅在逆变器中引用了 SiC 材料,未来在车载充电器(OBC)、充电桩等都可以用到 SiC。

大陆电动车龙头厂比亚迪汉四驱版是国内首款在电机控制器中使用自主研发SiC模块的电动汽车。借助 SiC 的低开关及导通损耗及高工作结温特性, 汉 EV 的 SiC 模块同功率情况下体积较硅 IGBT 缩小一半以上,功率密度提升一倍。根据比亚迪,公司计划到 2023年,在旗下所有电动车中用 SiC 功率半导体全面替代 IGBT。2020 年 12 月,比亚迪半导体公布目前在规划自建 SiC 产线,预计 2021 年建成自有 SiC 产线。

目前汽车 SiC 模块供应链厂商主要从四个维度进军市场。
➢ SiC 模组厂商与 Tier 1 厂商合作:以罗姆为代表, 2020 年 6 月,罗姆与大陆集团( Continental) 动力总成事业群纬湃科技( Vitesco Technologies)达成合作协议,共同开发 SiC 动力解决方案, 纬湃科技将首选合作伙罗姆提供的 SiC 功率器件, 提升电动汽车功率电子效率;
➢ 领先功率器件及模块厂商:在全球 Si 功率器件领先的英飞凌、安森美、ST 意法半导体等厂商在 SiC 材料功率器件同样具备优势。
➢ 衬底厂商垂直整合:以 II-VI 为代表,通过收购 SiC 器件厂商,及 GE 的SiC IP 授权,垂直整合 SiC 业务;
➢ 电动汽车 OEM 厂商同时也是 Tier 1:例如比亚迪,不仅是整车厂,比亚迪半导体具备自主研发 SiC 模块能力。

车用 SiC 器件渗透率提升有望带来市场规模快速扩张。据 Yole 统计, 新能源汽车是 SiC功率器件下游最重要的应用市场,预计到 2024 年新能源车用 SiC 功率器件市场规模将达到近 12 亿美元。2018 年国际上有 20 多家汽车厂商已经在车载充电机( OBC)中使用SiC SBD 或 SiC MOSFET。目前以特斯拉 Model 3、比亚迪汉为代表的车型在逆变器中采用 SiC 功率模块只是车用 SiC 器件的起步,未来随着 SiC 在车载充电器、 DC/DC 转换以及充电桩中渗透率提升,市场空间有望快速扩大。

仅考虑逆变器的使用, 新能源车将消耗绝大部分 SiC 衬底产能;如果考虑车载 OBC、充电桩、 DC/DC 的 SiC 使用渗透提升,需求量将更大。从产能角度来看,以特斯拉 Model3 为例估算,根据拆解图,主逆变器中有 24 个 SiC 模块, 每个模块 2 个 SiC MOSFET,共需要 48 颗芯片。一个 6 寸片面积约为 8.8 辆车所消耗的 SiC MOSFET 芯片面积, 假设10%边缘损耗和 60%良率, 则单个 6 寸片足够供应约 4.7 辆车。Model 3/Y 2019 年交货量 30 万辆,消耗 6.4 万片 SiC,约占当年全球产能 24%。尽管 SiC 产业链在快速扩产,预计 2025 年产能为 2019 年的 10 倍, 中期测算, 仅考虑逆变器的搭载, 新能源汽车将占 SiC 衬底产能 50%。

根据 Yole 及科锐业务情况, 科锐预计到 2024 年,其 SiC 晶圆可服务市场规模约 11 亿美元, SiC 器件可服务市场规模达到 50 亿美元。考虑降价因素中期新能源汽车 SiC 需求中枢在 66~80 亿美元。

我们假设中长期全球新能源汽车出货量 2500 万~3000 万辆,考虑 SiC 晶圆随着技术成熟价格下降,假设单价约 2000 美元/片,则中长期新能源汽车仅逆变器 SiC 需求空间弹性中枢在 66~80 亿美元。此外,新能源汽车 DC/DC、车载充电器系统及充电桩中 SiC 的应用将进一步提升新能源车用 SiC 市场规模!
版权声明

本站内容除特别声明的原创文章之外,转载内容只为传递更多信息,并不代表本网站赞同其观点。转载的所有的文章、图片、音/视频文件等资料的版权归版权所有权人所有。本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如涉及作品内容、版权和其它问题,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以便迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。联系电话:18618257367;邮箱:SiC@yuanhengliye.com。

网站主办:碳化硅二极管行业垂直门户 京ICP备10013935号-2 京公安网备 1110580000号

版权所有:碳化硅二极管行业垂直门户

技术支持:碳化硅二极管行业垂直门户 邮箱: SiC@yuanhengliye.com

关注公众号

关于我们|联系我们Copyright © 2012 - 2022 碳化硅二极管行业垂直门户. All Right Reserved