碳化硅和氮化鎵在汽車產(chǎn)業(yè)的應用，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入了碳化硅技術，而在近期，星途品牌全新純電SUV星紀元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。
與此同時，氮化鎵在車用場景的應用探索持續(xù)取得新進展。圍繞車載充電器、車載激光雷達等場景，英飛凌、EPC等廠商紛紛推出了相關產(chǎn)品，推動著氮化鎵車規(guī)級應用熱度上漲。
碳化硅/氮化鎵功率器件龍頭角逐車用場景
當前，業(yè)界普遍認為碳化硅/氮化鎵功率器件在新能源汽車領域有較大的應用潛力，因此各大頭部廠商正在積極布局車用場景。
意法半導體、英飛凌、安森美等國際半導體大廠在碳化硅功率器件領域深耕多年，在技術和市場方面占據(jù)了先發(fā)優(yōu)勢，有利于更好地拓展全球業(yè)務，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，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成了一系列新的合作，包括意法半導體與長城汽車達成碳化硅戰(zhàn)略合作、英飛凌與小米達成協(xié)議、安森美與理想汽車簽署長期合作協(xié)議等。
為降低供應鏈成本，意法半導體還與國內(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)能保障進一步開拓中國車用碳化硅業(yè)務。
降本增效有利于拓展市場，強化技術優(yōu)勢同樣有助于吸引客戶目光，進而達成合作。例如：2024年上半年，英飛凌推出新一代碳化硅MOSFET溝槽柵技術，在確保質(zhì)量和可靠性的前提下，將MOSFET的主要性能指標提高了20%，在一定程度上提升了整體能效。
目前，產(chǎn)能建設和技術迭代升級都是國際巨頭們關注的焦點，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入相關產(chǎn)品，本土相關企業(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，集邦化合物半導體分別和英飛凌、安森美、EPC、賽米控丹佛斯、Soitec和斯達半導體進行了交流，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、市場等方面的深厚積累，使其能夠更好地響應包括車用在內(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體領域的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控制器系統(tǒng)進行演示，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構方案的有效融合。
安森美
安森美現(xiàn)場應用工程師Sangjun Koo表示，安森美在碳化硅領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)中心等領域，有望與車用業(yè)務協(xié)同發(fā)展。
為滿足800V架構下的充電需求，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)效率達到97%，功率密度高達2.2?kW/l。此外，這一設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。該模塊采用了轉模注塑封裝方式，同時芯片連接采用銀燒結工藝，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，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服務器電源轉換器、激光雷達（LiDAR）以及與太空相關的應用需求。他們還在探索人形機器人和太陽能場景。EPC的LiDAR GaN器件也適用于汽車應用。
在PCIM Asia 2024國際電力元件、可再生能源管理展覽會上，EPC展示了一款人形機器人樣品。該機器人中的一些關節(jié)組件很可能采用GaN技術。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)技術總監(jiān)Norbert Pluschke介紹，賽米控丹佛斯作為碳化硅模塊封裝領先廠商之一，擁有兩種專為碳化硅優(yōu)化設計的封裝形式：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)碳化硅的高開關速度；二是為嚴苛的汽車牽引逆變器應用而開發(fā)的直接冷卻注塑半橋模塊DCM平臺，這項技術也適用于未來氮化鎵領域。
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控制器產(chǎn)品。
Soitec
Soitec公司業(yè)務發(fā)展經(jīng)理Gonzalo Picun表示，大尺寸碳化硅（SiC）襯底是當前SiC行業(yè)的關鍵發(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，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——Smart Cut，能夠?qū)⒁粚颖〉母哔|(zhì)量單晶SiC與多晶SiC襯底結合起來。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?？傮w而言，Soitec具備在新能源車輛（NEVs）SiC應用中占據(jù)重要地位的實力。
斯達半導體
斯達半導體在車用領域進展較快，據(jù)斯達半導體副總經(jīng)理湯藝博士介紹，2022年，斯達半導體成為國內(nèi)首家碳化硅模塊批量進入車企（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；斯達半導體自建產(chǎn)線今年也已開始供貨，應用范圍覆蓋主驅(qū)逆變器、電源及車載空調(diào)。
斯達半導體等國內(nèi)碳化硅器件廠商正在持續(xù)推進碳化硅“上車”進程，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會。其中，意法半導體碳化硅產(chǎn)品已經(jīng)或即將導入理想汽車、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，在功率更高的應用中，也適用于電動汽車及其充電設施。
EPC公司已經(jīng)開發(fā)了基于氮化鎵的飛行時間（ToF）/激光雷達參考設計，這些設計利用了氮化鎵場效應晶體管（GaN FETs），在激光雷達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)在汽車應用中積累了數(shù)十億小時的成功經(jīng)驗，包括激光雷達及雷達系統(tǒng)。
氮化鎵的汽車應用目前還處于早期階段，在車載激光雷達產(chǎn)品的應用相對成熟，并正在往其他車用場景滲透。預計到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域正在發(fā)生革命性的轉變。
目前，新能源汽車領域正在經(jīng)歷由400V電壓系統(tǒng)向800V電壓系統(tǒng)的轉變，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配，這一轉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)揮著至關重要的作用。
在車用領域，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
近年來，隨著合成技術的進步以及生產(chǎn)規(guī)模的擴大，碳化硅襯底、外延成本呈下降趨勢，推動器件、模塊等相關產(chǎn)品價格持續(xù)下探，有利于其向各類應用場景進一步滲透，尤其是正在大批量導入的新能源汽車領域，規(guī)模效應之下，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，也有望進一步推動碳化硅在包括新能源汽車、光儲充等領域的普及應用。
目前，碳化硅在新能源汽車領域的應用大多數(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，進一步提升在新能源汽車領域的參與度。
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向，從產(chǎn)業(yè)鏈源頭入手，實現(xiàn)技術和產(chǎn)品研發(fā)定制化，縮短產(chǎn)品從研發(fā)、驗證到批量應用的流程，在實現(xiàn)降本增效的同時，更好地抓住市場機遇。
氮化鎵方面，在新能源汽車領域，氮化鎵器件目前主要占據(jù)400V以下應用，但部分廠商正在推進氮化鎵器件的高壓應用研發(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。未來，氮化鎵功率器件將由低壓車載激光雷達應用，逐步向需要更高電壓的主驅(qū)逆變器等應用延伸。（文：集邦化合物半導體Zac）
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