SiC MOSFET為何替代不了IGBT？

近年來(lái)，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等材料為代表的化合物半導(dǎo)體因其寬禁帶、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場(chǎng)等優(yōu)異的性能而飽受關(guān)注。SiC和Si來(lái)競(jìng)爭(zhēng)制造功率半導(dǎo)體無(wú)論是在科學(xué)和實(shí)踐上都得到了實(shí)力上的體現(xiàn)，尤其是隨著新能源電動(dòng)車(chē)的普及和發(fā)展，主機(jī)廠開(kāi)始轉(zhuǎn)向800V高壓平臺(tái)，對(duì)SiC的需求量越來(lái)越大，其在汽車(chē)上的應(yīng)用步伐也在加快。這就對(duì)硅基的IGBT帶來(lái)了一定的沖擊。

在SiC如日中天的大環(huán)境下，IGBT又為何還能如此香？聯(lián)想近日特斯拉的一些做法，讓我們?cè)賮?lái)重新審視一下IGBT和SiC這兩者的存在意義。

SiC MOSFET為何替代不了IGBT？

誠(chéng)然，SiC雖然具有一些優(yōu)越的特性，但并不適用于所有應(yīng)用場(chǎng)景。SiC晶體管具有更高的開(kāi)關(guān)速度、更低的導(dǎo)通電阻和更高的耐壓能力等優(yōu)點(diǎn)，這使得它們非常適合高頻、高壓等應(yīng)用場(chǎng)景，在600–1,700V范圍應(yīng)用上SiC功率器件具有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是新能源汽車(chē)領(lǐng)域，傳統(tǒng)硅基IGBT芯片在高壓快充車(chē)型中已經(jīng)達(dá)到了材料的物理極限，所以新能源汽車(chē)開(kāi)始紛紛擁抱SiC。

但是，SiC晶體管的劣勢(shì)在于，其價(jià)格相對(duì)較高，SiC生產(chǎn)過(guò)程也更加復(fù)雜。SiC價(jià)格較高的主因是因?yàn)镾iC襯底導(dǎo)致：SiC晶體生長(zhǎng)的速度緩慢，SiC晶體長(zhǎng)1cm大約需要7天，相比之下，拉出一根2米左右的8英寸硅棒僅需要2-3天時(shí)間；SiC的硬度也很高，不僅切削時(shí)間長(zhǎng)，而且良率還低，一般來(lái)說(shuō)，硅片的切割只需要幾個(gè)小時(shí)，而SiC則需要數(shù)百小時(shí)。因此，SiC產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)際控制權(quán)掌握在襯底供應(yīng)商中。除此之外，其他生產(chǎn)成本也比Si高，但相對(duì)襯底所占的比重則較小，SiC加工生產(chǎn)需要更高的溫度及更昂貴的耗材。SiC晶體管也存在一些缺點(diǎn)，比如容易受到損壞、溫度敏感等問(wèn)題。綜合這些特點(diǎn)來(lái)看，SiC并不適用于一些低成本、低功率的應(yīng)用場(chǎng)景。

IGBT的制造成本低于SiC MOSFET，因?yàn)镮GBT使用的硅基材料成本低，生產(chǎn)技術(shù)成熟，硅的價(jià)格僅為寬禁帶材料的三分之一至四分之一。其次，IGBT的可靠性比SiC MOSFET高，因?yàn)镮GBT的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，故障率較低。同時(shí)，IGBT具有更好的電容性能和更好的抗過(guò)壓能力，適用于大功率、大電流的應(yīng)用場(chǎng)景。譬如在DC-DC這種對(duì)環(huán)境要求不是很高、對(duì)重量和空間要求也不高的充電樁領(lǐng)域，想要替代成本具有優(yōu)勢(shì)的IGBT有很大的難度。

因此，SiC并不能完全替代IGBT。

此前有業(yè)內(nèi)人士透露，“SiC就像一個(gè)聰明而又個(gè)性極強(qiáng)的少年，優(yōu)點(diǎn)突出，缺點(diǎn)同樣突出。IGBT更像一個(gè)持重而成熟的青年，可以扛起功率器件的重?fù)?dān)?！?/p>

英飛凌科技高級(jí)副總裁、汽車(chē)電子事業(yè)部大中華區(qū)負(fù)責(zé)人曹彥飛在近日的一次媒體溝通會(huì)上也表示：“對(duì)于許多把頂尖性能和外形因素放在次要位置的應(yīng)用，硅基仍然頗具競(jìng)爭(zhēng)力。我們認(rèn)為在汽車(chē)領(lǐng)域，Si跟SiC在中長(zhǎng)期一定會(huì)是并存的。”

事實(shí)確實(shí)如此，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）作為一種新型功率半導(dǎo)體器件，是國(guó)際上公認(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動(dòng)化領(lǐng)域的核心元器件，IGBT 被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”。IGBT在很多應(yīng)用場(chǎng)景中仍然是最佳選擇，IGBT被廣泛應(yīng)用于變頻器、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域的發(fā)展速度非?？欤瑢?dǎo)致了IGBT的需求量也快速增長(zhǎng)。

特斯拉減少SiC，繼續(xù)擁抱硅

SiC上車(chē)的第一槍是特斯拉打響的，在過(guò)去五年中，SiC市場(chǎng)的增長(zhǎng)在很大程度上取決于特斯拉，它是第一家在電動(dòng)汽車(chē)中使用SiC材料的汽車(chē)制造商，也是現(xiàn)在最大的買(mǎi)家。但是由于成本太高的問(wèn)題，特斯拉在前段時(shí)間召開(kāi)的AI投資日上宣布在下一代車(chē)型上將SiC含量減少75%，這引起了行業(yè)的一波震動(dòng)。75%可不是一個(gè)小數(shù)字！通過(guò)減少SiC在內(nèi)的多個(gè)硅材，特斯拉將在下一代電動(dòng)汽車(chē)中減少1000美元的成本。

圖源：特斯拉

特斯拉目前正在研發(fā)一款新的入門(mén)級(jí)車(chē)型——Model 2或Model Q，它將比現(xiàn)有車(chē)輛更便宜、更緊湊，在特斯拉看來(lái)，對(duì)于這種功能較少的小型汽車(chē)將不需要那么多的SiC器件來(lái)為其提供動(dòng)力。

行業(yè)分析，特斯拉將采取的做法是，采用低功率硅基IGBT+SiC MOSFET的方法來(lái)替代之前的SiC，用于低端車(chē)型。目前，特斯拉Model S/X和Model 3/Y平臺(tái)使用的逆變器中相同，根據(jù) SystemPlus consulting拆解報(bào)告，Model 3的主逆變器上共有24個(gè)SiC模塊，每個(gè)模塊包含2顆SiC裸片（Die），共48顆SiC MOSFET，這48顆SiC MOSFET替代了84顆IGBT。特斯拉的新動(dòng)力總成的目標(biāo)是僅使用12個(gè)SiC MOSFET。

特斯拉的這一做法有兩層深遠(yuǎn)意義：一個(gè)是，這對(duì)SiC來(lái)說(shuō)是積極的消息，特斯拉此舉擴(kuò)大了SiC的潛在市場(chǎng)，使其可適用于低端市場(chǎng)；另外一個(gè)，特斯拉的做法也可能被其他原始設(shè)備制造商效仿，或再引發(fā)對(duì)IGBT的需求。Yole Intelligence的分析師表示，2023年，硅基IGBT用于EV逆變器在容量和成本方面在行業(yè)內(nèi)處于有利地位。

結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，IGBT和SiC甚至是GaN都是當(dāng)下市場(chǎng)應(yīng)用中十分重要的半導(dǎo)體器件，他們?cè)陔娏?a target="_blank">電子領(lǐng)域和其他多個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。雖然IGBT存在一些缺陷和不足，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，SiC和IGBT在競(jìng)爭(zhēng)中互補(bǔ)，在競(jìng)爭(zhēng)中聯(lián)合。未來(lái)，IGBT將繼續(xù)為電子電力領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。

編輯：黃飛

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