碳化硅和氮化鎵在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，似乎正在“漸入佳境”。
其中，碳化硅功率器件加速“上車”趨勢已十分明朗，近年來，越來越多的新能源新車型導(dǎo)入了碳化硅技術(shù)，而在近期，星途品牌全新純電SUV星紀(jì)元STERRA ES、第二代AION V埃安霸王龍、鴻蒙智行首款豪華旗艦轎車享界S9、2025款海豹、2025款極氪007、嵐圖汽車旗下嵐圖知音SUV等搭載碳化硅的新車型密集發(fā)布，碳化硅和新能源汽車組“CP”已蔚然成風(fēng)。
與此同時，氮化鎵在車用場景的應(yīng)用探索持續(xù)取得新進(jìn)展。圍繞車載充電器、車載激光雷達(dá)等場景，英飛凌、EPC等廠商紛紛推出了相關(guān)產(chǎn)品，推動著氮化鎵車規(guī)級應(yīng)用熱度上漲。
碳化硅/氮化鎵功率器件龍頭角逐車用場景
當(dāng)前，業(yè)界普遍認(rèn)為碳化硅/氮化鎵功率器件在新能源汽車領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力，因此各大頭部廠商正在積極布局車用場景。
意法半導(dǎo)體、英飛凌、安森美等國際半導(dǎo)體大廠在碳化硅功率器件領(lǐng)域深耕多年，在技術(shù)和市場方面占據(jù)了先發(fā)優(yōu)勢，有利于更好地拓展全球業(yè)務(wù)，其中就包括中國市場。
近年來，隨著國內(nèi)新能源汽車市場持續(xù)爆發(fā)式增長，車用碳化硅需求水漲船高，國際巨頭們紛紛加碼中國業(yè)務(wù)，而與車企合作是搶占市場份額最便捷的方式之一。僅2024年以來，圍繞車用碳化硅功率器件和模塊，國際廠商和本土汽車制造商達(dá)成了一系列新的合作，包括意法半導(dǎo)體與長城汽車達(dá)成碳化硅戰(zhàn)略合作、英飛凌與小米達(dá)成協(xié)議、安森美與理想汽車簽署長期合作協(xié)議等。
為降低供應(yīng)鏈成本，意法半導(dǎo)體還與國內(nèi)碳化硅頭部玩家三安合作，斥資數(shù)十億美元在國內(nèi)投建碳化硅器件合資工廠。意法半導(dǎo)體將碳化硅器件產(chǎn)能本地化，不僅有助于降低供貨成本，也有利于其通過產(chǎn)能保障進(jìn)一步開拓中國車用碳化硅業(yè)務(wù)。
降本增效有利于拓展市場，強(qiáng)化技術(shù)優(yōu)勢同樣有助于吸引客戶目光，進(jìn)而達(dá)成合作。例如：2024年上半年，英飛凌推出新一代碳化硅MOSFET溝槽柵技術(shù)，在確保質(zhì)量和可靠性的前提下，將MOSFET的主要性能指標(biāo)提高了20%，在一定程度上提升了整體能效。
目前，產(chǎn)能建設(shè)和技術(shù)迭代升級都是國際巨頭們關(guān)注的焦點，未來各大廠商有望在這兩個方向持續(xù)取得突破。
在國內(nèi)新能源汽車市場，國際碳化硅功率器件大廠正在加速導(dǎo)入相關(guān)產(chǎn)品，本土相關(guān)企業(yè)則奮起直追，想要分一杯羹。
在PCIM Asia 2024國際電力元件、可再生能源管理展覽會期間，集邦化合物半導(dǎo)體分別和英飛凌、安森美、EPC、賽米控丹佛斯、Soitec和斯達(dá)半導(dǎo)體進(jìn)行了交流，了解到6家國內(nèi)外功率器件知名廠商在碳化硅、氮化鎵車用場景的布局及進(jìn)展情況。
英飛凌
國際廠商方面，英飛凌目前致力于從性價比、可靠性、效率等三個方面全面提升碳化硅功率器件產(chǎn)品競爭力，疊加作為國際IDM大廠在技術(shù)、市場等方面的深厚積累，使其能夠更好地響應(yīng)包括車用在內(nèi)的功率器件各類市場需求。
在PCIM Asia 2024國際電力元件、可再生能源管理展覽會上，在電動交通出行展區(qū)，英飛凌首次向國內(nèi)市場展示了旗下汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域的HybridPACK? Drive G2 Fusion模塊和Chip Embedding功率器件，其中HybridPACK? Drive G2 Fusion模塊融合了IGBT和碳化硅芯片，在有效減少碳化硅模塊成本的情況下同時顯著提升了模塊的應(yīng)用效率，而Chip Embedding則可以直接集成在PCB板中，做到極小的雜散和高集成度的融合。
針對汽車電控，英飛凌電控系統(tǒng)解決方案采用第二代HybridPACK? Drive碳化硅功率模塊的電機(jī)控制器系統(tǒng)進(jìn)行演示，該系統(tǒng)集成了AURIX? TC4系列產(chǎn)品、第二代1200V SiC HybridPACK? Drive模塊、第三代EiceDRIVER?驅(qū)動芯片1EDI30XX、無磁芯電流傳感器等。
針對OBC（車載充電器）/DC-DC應(yīng)用，英飛凌展示了其完整的頂部散熱方案：7.2kW磁集成Tiny Box頂部散熱解決方案，實現(xiàn)了高功率密度的電氣以及高集成結(jié)構(gòu)方案的有效融合。
安森美
安森美現(xiàn)場應(yīng)用工程師Sangjun Koo表示，安森美在碳化硅領(lǐng)域的布局具備兩大優(yōu)勢，其一是針對碳化硅功率器件的市場需求反應(yīng)速度快，能夠快速針對產(chǎn)品布局做出決策；其二是作為全球第二大碳化硅功率器件供應(yīng)商，具備規(guī)?；a(chǎn)能力，能夠保障供貨，基于這些優(yōu)勢，安森美能夠更好地滿足包括車用在內(nèi)的市場需求。目前，安森美還積極布局AI數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，有望與車用業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展。
為滿足800V架構(gòu)下的充電需求，高功率OBC逐漸走向市場。安森美的OBC方案采用碳化硅產(chǎn)品，在11kW時的峰值系統(tǒng)效率達(dá)到97%，功率密度高達(dá)2.2?kW/l。此外，這一設(shè)計還可減少使用無源器件，從而減少PCB面積，有助于實現(xiàn)汽車輕量化。
為應(yīng)對主驅(qū)逆變器高功率的需求，安森美推出了1200V碳化硅半橋功率模塊B2S，支持最高400kw的輸出功率。該模塊采用了轉(zhuǎn)模注塑封裝方式，同時芯片連接采用銀燒結(jié)工藝，實現(xiàn)了高可靠性和低熱阻。模塊雜散電感約4nH，內(nèi)部集成onsemi最新的M3碳化硅技術(shù)，確保模塊的高性能。
EPC
EPC公司可靠性副總裁張盛科表示，EPC的低壓GaN器件能夠覆蓋所有48V至12V服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換器、激光雷達(dá)（LiDAR）以及與太空相關(guān)的應(yīng)用需求。他們還在探索人形機(jī)器人和太陽能場景。EPC的LiDAR GaN器件也適用于汽車應(yīng)用。
在PCIM Asia 2024國際電力元件、可再生能源管理展覽會上，EPC展示了一款人形機(jī)器人樣品。該機(jī)器人中的一些關(guān)節(jié)組件很可能采用GaN技術(shù)。此外，EPC還帶來了一輛無人駕駛電動小車，配備了采用EPC GaN功率器件的激光雷達(dá)組件。
賽米控丹佛斯
據(jù)賽米控丹佛斯大中華區(qū)方案和系統(tǒng)銷售總監(jiān)&大中華區(qū)技術(shù)總監(jiān)Norbert Pluschke介紹，賽米控丹佛斯作為碳化硅模塊封裝領(lǐng)先廠商之一，擁有兩種專為碳化硅優(yōu)化設(shè)計的封裝形式：一是全橋功率模塊eMPack?平臺，擁有極低的雜散電感（2.5nH），有助于實現(xiàn)碳化硅的高開關(guān)速度；二是為嚴(yán)苛的汽車牽引逆變器應(yīng)用而開發(fā)的直接冷卻注塑半橋模塊DCM平臺，這項技術(shù)也適用于未來氮化鎵領(lǐng)域。
在PCIM Asia 2024國際電力元件、可再生能源管理展覽會上，賽米控丹佛斯展示了在工業(yè)能源和汽車領(lǐng)域的解決方案，其中包括采用eMPack?和DCM碳化硅模塊的雪鐵龍、伊控動力等公司的新能源汽車電機(jī)控制器產(chǎn)品。
Soitec
Soitec公司業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Gonzalo Picun表示，大尺寸碳化硅（SiC）襯底是當(dāng)前SiC行業(yè)的關(guān)鍵發(fā)展趨勢，能夠有效提升SiC功率器件的生產(chǎn)效率并降低成本。同時，新的材料技術(shù)也在涌現(xiàn)，例如我們SmartSiC襯底產(chǎn)品線中使用的多晶SiC（poly-SiC），它提高了單晶材料的利用效率，同時提升了器件的性能和可靠性。
此外，Soitec還發(fā)現(xiàn)多種創(chuàng)新的SiC生長方法正在開發(fā)中，如液相生長（Liquid Phase growth）和高溫化學(xué)氣相沉積（HT-CVD），這些方法有助于提升單晶SiC的質(zhì)量，從而應(yīng)用于SmartSiC襯底。在此背景下，Soitec正在積極開發(fā)高質(zhì)量的襯底技術(shù)，包括大尺寸襯底。
在產(chǎn)能方面，Soitec位于法國Bernin的新工廠于2023年10月完工，總投資額為3.8億歐元（約合30億元人民幣），占地2,500平方米。該工廠在全面投產(chǎn)后，每年可生產(chǎn)50萬片晶圓，其中80%為SmartSiC晶圓。
Soitec獨特的技術(shù)——Smart Cut，能夠?qū)⒁粚颖〉母哔|(zhì)量單晶SiC與多晶SiC襯底結(jié)合起來。由此生成的SmartSiC襯底最大限度地提高了SiC材料的利用率，并顯著提升了生產(chǎn)產(chǎn)量。總體而言，Soitec具備在新能源車輛（NEVs）SiC應(yīng)用中占據(jù)重要地位的實力。
斯達(dá)半導(dǎo)體
斯達(dá)半導(dǎo)體在車用領(lǐng)域進(jìn)展較快，據(jù)斯達(dá)半導(dǎo)體副總經(jīng)理湯藝博士介紹，2022年，斯達(dá)半導(dǎo)體成為國內(nèi)首家碳化硅模塊批量進(jìn)入車企（用于小鵬G9車型）的廠商；2023年，其自研碳化硅芯片向北汽等多家車企批量供貨；斯達(dá)半導(dǎo)體自建產(chǎn)線今年也已開始供貨，應(yīng)用范圍覆蓋主驅(qū)逆變器、電源及車載空調(diào)。
斯達(dá)半導(dǎo)體等國內(nèi)碳化硅器件廠商正在持續(xù)推進(jìn)碳化硅“上車”進(jìn)程，各大廠商大有與國際巨頭分庭抗禮之勢。
在碳化硅功率器件加速“上車”的同時，氮化鎵“上車”也已經(jīng)被各大頭部玩家提上日程。其中，意法半導(dǎo)體、英飛凌、安森美等雙管齊下，同時挖掘車用碳化硅和車用氮化鎵的機(jī)會。其中，意法半導(dǎo)體碳化硅產(chǎn)品已經(jīng)或即將導(dǎo)入理想汽車、長城汽車等新能源汽車頭部廠商旗下車型中，同時，其PowerGaN系列產(chǎn)品，在功率更高的應(yīng)用中，也適用于電動汽車及其充電設(shè)施。
EPC公司已經(jīng)開發(fā)了基于氮化鎵的飛行時間（ToF）/激光雷達(dá)參考設(shè)計，這些設(shè)計利用了氮化鎵場效應(yīng)晶體管（GaN FETs），在激光雷達(dá)電路中提供了快速切換速度、更小的占地面積、高效率和卓越可靠性等優(yōu)勢。目前，EPC公司的eGaN FET已經(jīng)在汽車應(yīng)用中積累了數(shù)十億小時的成功經(jīng)驗，包括激光雷達(dá)及雷達(dá)系統(tǒng)。
氮化鎵的汽車應(yīng)用目前還處于早期階段，在車載激光雷達(dá)產(chǎn)品的應(yīng)用相對成熟，并正在往其他車用場景滲透。預(yù)計到2025年左右，氮化鎵會小批量地滲透到低功率的OBC和DC-DC中，再遠(yuǎn)到2030年，OEM或考慮將氮化鎵引入到主驅(qū)逆變器。
碳化硅/氮化鎵車用趨勢
在國內(nèi)外碳化硅、氮化鎵功率器件廠商的共同努力下，全球汽車產(chǎn)業(yè)尤其是新能源汽車領(lǐng)域正在發(fā)生革命性的轉(zhuǎn)變。
目前，新能源汽車領(lǐng)域正在經(jīng)歷由400V電壓系統(tǒng)向800V電壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，在各大廠商最新發(fā)布的新能源車型中，800V高壓碳化硅平臺幾乎成為標(biāo)配，這一轉(zhuǎn)變主要是為了提升電池充電速度、減少電池發(fā)熱、提高電機(jī)工作效率、提升車輛續(xù)航里程并降低制造成本。在這個過程中，碳化硅功率器件發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
在車用領(lǐng)域，1200V甚至是1700V碳化硅功率器件正在成為主流，以便更好地匹配800V或更高電壓等級的車用平臺需求。
400V向800V的轉(zhuǎn)變過程，也是新能源汽車加速普及的過程，從近期主流新能源車企發(fā)布的數(shù)據(jù)情況來看，各大廠商在8月份普遍實現(xiàn)了銷量大幅增長，并有望延續(xù)增長態(tài)勢，碳化硅功率器件廠商也將持續(xù)受益。
同時，伴隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對減少能量損耗和可靠性的要求越來越高，碳化硅模塊的集成化需求越來越多。
總結(jié)
近年來，隨著合成技術(shù)的進(jìn)步以及生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，碳化硅襯底、外延成本呈下降趨勢，推動器件、模塊等相關(guān)產(chǎn)品價格持續(xù)下探，有利于其向各類應(yīng)用場景進(jìn)一步滲透，尤其是正在大批量導(dǎo)入的新能源汽車領(lǐng)域，規(guī)模效應(yīng)之下，價格降低更有助于車企加大碳化硅“上車”力度。
與此同時，碳化硅產(chǎn)業(yè)正在由6英寸向8英寸轉(zhuǎn)型。盡管目前主流產(chǎn)品仍然為6英寸，但8英寸在降本增效方面的效果是顯著的，已成為各大廠商爭相布局的重點方向。未來，隨著8英寸產(chǎn)能逐步釋放，也有望進(jìn)一步推動碳化硅在包括新能源汽車、光儲充等領(lǐng)域的普及應(yīng)用。
目前，碳化硅在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用大多數(shù)集中在中高端車型，隨著成本和價格的下降，其有望向新能源汽車中低端車型持續(xù)滲透，進(jìn)一步提升在新能源汽車領(lǐng)域的參與度。
此外，在產(chǎn)業(yè)整合趨勢下，越來越多的碳化硅功率器件廠商選擇與新能源車企合作開發(fā)車用碳化硅產(chǎn)品，以市場和用戶需求為導(dǎo)向，從產(chǎn)業(yè)鏈源頭入手，實現(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)定制化，縮短產(chǎn)品從研發(fā)、驗證到批量應(yīng)用的流程，在實現(xiàn)降本增效的同時，更好地抓住市場機(jī)遇。
氮化鎵方面，在新能源汽車領(lǐng)域，氮化鎵器件目前主要占據(jù)400V以下應(yīng)用，但部分廠商正在推進(jìn)氮化鎵器件的高壓應(yīng)用研發(fā)，其中包括博世正在開發(fā)一種用于汽車的1200V氮化鎵技術(shù)。未來，氮化鎵功率器件將由低壓車載激光雷達(dá)應(yīng)用，逐步向需要更高電壓的主驅(qū)逆變器等應(yīng)用延伸。（文：集邦化合物半導(dǎo)體Zac）
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