車用功率半導體看 IGBT 與 SiC

汽車電動化拉動功率半導體需求大幅增長, 單車價值量從 70 美元 (汽油車) 攀升至 400 美元 (純電動汽車). 技術壁壘高, 規模效應強, 盈利能力突出 (毛利率>35%), 除汽車市場外, 還有工業, 消費, 電網, 太陽能, 風電等應用.

IGBT 比 MOS 有更高耐壓性能, 非常適合逆變器這種高壓, 大電流, 大功率的應用場合. MOS 開關時間較短, 響應速度很快. 因此 OBC, DC/DC 這種中等功率, 但頻率要求高的部件還是會採用中高壓 MOS 器件.

IGBT 雙面水冷的結構開始逐步應用廣泛, 如 Infineon HP DSC 模組, 德爾福 Viper 模組 (雪佛蘭 Volt) 及日立的雙面水冷模組 (奧迪 e-tron). 考慮到成本及技術因素, 主要應用場合在混動或大功率等較高級的車種.

少數電動車廠家的電機逆變器採用 IGBT 分立器件並聯的方案, 最具代表性的是特斯拉. 最主要的應用還是在空調系統的 PTC, 壓縮機, 鼓風機, 冷卻風機以及電池冷卻系統中的水泵, 潤滑油泵的驅動電路中.

目前 IGBT 晶片基本都被外資壟斷, 各廠商在不同電壓等級各有側重. 從模組端競爭格局來看, 除 IGBT 晶片巨頭以外, 湧現出 Semikron, Danfoss, Vincotech, 斯達半導等一批以模組封裝為主業的廠商.

SiC 與 Si 相比在耐高壓, 耐高溫, 高頻等方面具備碾壓優勢. SiC 應用到電動汽車的逆變器, OBC, DC/DC 時, 更低的阻抗帶來更小的尺寸, 更高的工作頻率可以有效的降低被動元器件的尺寸, 更耐高溫可以減小冷卻系統的尺寸.

目前 SiC 功率器件的價格是 Si 的 5~10 倍, 但考慮到系統成本的節省 (被動元件, 散熱器等),  OBC (車載充電器) 已基本能夠打平. 根據 Cree 的測算 SiC 逆變器能夠提升 5-10% 的續航, 節省400-800 美元的電池成本.

目前 SiC 市場的供給牢牢把控在襯底廠商手中, Cree, II-VI 及 Si-Crystal (Rohm 旗下) 合計占據了 90% 的出貨量, 而器件及模組的供應商中 Cree, Rohm, Infineon 及 ST 合計占據了超過 70% 的市場份額.