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         觀察驗證 - IGBT vs. SiC

車用IGBT
         車用功率模組（當前的主流是IGBT）決定車用電驅動系統的關鍵性能，同時占電機變流器成本的40%以上，是核心部件。

         IGBT約占電機驅動器成本的三分之一，而電機驅動器約占整車成本的15~20%，也就是說，IGBT占整車成本的5~7%。

車用SiC元件
         在當今的功率半導體領域，SiC元件越來越受到重視，車用的功率半導體也不例外。那麼，市場為什麼會如此青睞SiC呢？
1、SiC元件的工作結溫在200℃以上，工作頻率在100kHz以上，耐壓可達20kV，這些性能都優於傳統矽元件；
2、SiC元件體積可減小到IGBT整機的1/3~1/5，重量可減小到40~60%；
3、SiC元件還可以提升系統的效率，進一步提高性價比和可靠性。

         在電動車的不同工況下，SiC的功耗比IGBT降低了60~80%，效率提升了1~3%。

         因此，效率的提升使得電動汽車的續航能力提高了10%，PCU的尺寸減小到原來的1/5，更為重要的是，系統成本比IGBT的有明顯下降。

         目前全球SiC MOSFET的主流供應商包括Cree、Rohm和英飛凌等，而從歐美日這三家代表廠商的產品發展方向都趨向於更高電壓、更大電流或更高的電流密度。

         SiC晶片目前面臨的挑戰主要包括：
1、成品率低，成本高；
2、SiC和SiO2介面缺陷多，柵氧長期可靠性是個問題；
3、SiC MOSFET缺少長期可靠性數據。

         當前SiC晶片載流能力低，而成本過高，同等級別的SiC MOSFET晶片，其成本是矽基IGBT的8~12倍。功耗方面，SiC MOSFET先於矽基IGBT開通，後於IGBT關斷，而IGBT可以實現ZVS（零電壓開關），可大幅降低損耗。

         因此，總體來看，矽基IGBT的電氣特性接近SiC MOSFET晶片的90%，而成本則是SiC MOSFET的25%。

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         從產業鏈角度看，碳化矽包括單晶基板、磊晶、元件設計、元件製造等環節，但目前全球碳化矽市場被外國企業壟斷。

         在全球市場中，單晶基板企業主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等，磊晶企業主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、Rohm、三菱電機、英飛凌等，元件方面，全球大部分市場份額被英飛凌、Cree、Rohm、意法半導體等少數企業瓜分。

         由於碳化矽產業環節如晶片性能與材料、結構設計、製造工藝之間的關聯性較強，不少企業仍選擇採用IDM模式，如Rohm和Cree均覆蓋了碳化矽基板、磊晶、元件、模組全產業鏈環節，其中Cree占基板市場約40%份額、元件市場約23%份額。

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         按照WLTC工況（更接近實際城市工況）續航能力的提升，PCIM Europe上的一篇文章，基於750V IGBT模組及1200V碳化矽模組模擬顯示，400V母線電壓下，由750V IGBT模組替換為1200V碳化矽模組，整車損耗降低6.9%；如果電壓提升至800V，整車損耗將進一步降低7.6%。

         除效率優勢外，相同電壓、電流等級情況下，碳化矽MOS晶片面積比IGBT晶片要小，設計出的功率模組功率密度更大，更小巧；
         碳化矽晶片耐更高的溫度，理論上遠超175℃；
         高頻電源設計能夠縮小系統儲能元件的體積，例如大電感及大容量電容等。

碳化矽的挑戰
價格
         由於碳化矽基板本身生產效率低，目前主流仍是4英寸和6英寸晶圓，從原材料面積及失效率層面，成本已經比矽晶片高出許多，再加上後期晶片製造及元件封裝的低成品率，導致碳化矽元件價格居高不下，目前行業預測批量化價格仍舊是矽基IGBT的3~5倍。

產業鏈
         不少機構分析，變流器功率元件由IGBT替換成SiC，雖然變流器成本上升，但是整車效率提升帶來的電池裝機量下降，從電池端把成本又省回來，例如80度電的中高端純電車型，按照5%的效率提升，可節省約4度電池裝機量，按照目前三元鋰電的成本，電池端可省四千來塊，何樂而不為？

         這是個有意思的問題。

         一般對整車開發來說，電池端的錢是省了，但是省下來的錢願不願意補貼給電驅Tier1就不一定，於是就存在了Tier1碳化矽電驅價格下不來，整車廠不願意使用的尷尬局面。

         於是，為什麼率先使用碳化矽的是TESLA和比亞迪，他們自身成熟的電驅、電池供應鏈體系不能不說是非常重要的因素。

         還有一點，碳化矽耐高壓的特性決定其在800V系統上有天然優勢，性價比更高，目前市場上充電樁及高壓組件仍以400V電壓為主，倒是許多歐洲追求高壓快充的跑車品牌試圖率先使用碳化矽。

         SiC可以叫板IGBT了嗎？