SiC功率器件為何成半導體產業資本的爭奪之地？
功率器件,通常也被稱為電力電子器件,是在電力系統和電氣工程中根據負載要求處理電力轉換的器件。當前功率器件所使用的主流材料依然是si(硅),但碳化硅(sic)半導體材料憑借其在高壓、高溫、高頻、高功率、抗輻射等條件下的優異特性正展露頭角,被認為是現代功率器件領域最富前景的制作材料之一。
據羅姆半導體(rohm)預測,2025年國內外 sic 功率半導體市場規模有望達到 30 億美元,年復合增長率近30%。 據不完全統計,截至8月,2021年全國新落地第三代半導體產業項目(含產業園)已超過11個,近五年簽約項目中,sic項目數量眾多,占比63%,且投資金額較大。9月17日,深圳基本半導體宣布完成c1輪融資,將發力深耕sic功率器件的研發和產業化進程。
01 sic功率器件優勢顯著
從材料本身來看,sic的熱導率是si的3倍,禁帶寬度是si的3倍,臨界擊穿電場是si的8倍,使得sic功率半導體具有很高的耐壓容量和電流密度。而sic基器件相較于傳統si基器件的優勢如表1所示。 表1:si器件 vs. sic器件
由于sic基器件在高溫下的運行穩定性,可大大節約系統和模塊成本,簡化冷卻散熱系統,顯著提高了電路的集成度。同時,高開關頻率和高轉換效率可減少能量損耗,縮小產品體積,從而降低模塊的整體成本。與si基功率器件相比,sic基器件可至少降低能耗33.6%,在峰值效率下工作時率大于96.0%。
據rohm介紹,對于一款5kw的dc/dc 轉換器,如使用sic mosfet替代原先的si igbt,整體系重量可從7kg降低到0.9kg,體積縮小約85%,能耗降低63%?；衔锇雽w科銳(cree)也展示了類似的數據:在相同電池條件下,搭載了sic mosfet的電動汽車比搭載si基igbt的電動汽車續航里程可提高約5%-10%。
02 sic功率器件的分類和應用
目前sic功率器件主要分為sic功率二極管、sic功率晶體管、sic功率晶體管三大類,具體如圖2所示。
以sic肖特基器件為例,sic功率器件的應用可按電壓等級分為低電壓應用(<600v)、中電壓應用(600——1.7kv)和高電壓應用(1.7——10kv)。在低電壓領域,主要應用對象是功率因子校正器(pfc);在中電壓范圍,光伏逆變器、電動汽車/混合動力汽車、不間斷電源(ups)及電動機控制器是主力軍;在高電壓領域,船艦驅動、智能電網、風力發電機功率轉換器和機車牽引正受到關注。
03 國內外sic功率器件的商業化進程
目前，幾乎所有的si基功率半導體都或多或少地在布局sic功率市場。據統計,目前cree、英飛凌(infineon)、rohm、意法半導體(st)和三菱電機合計約占90%的sic功率器件市場份額。
sic功率二極管
截至2020年底,國內外已有超20家具有量產sic二極管產品能力的公司,擊穿電壓主要分布在600v——3.3kv。根據mouser統計,2020年共有800款在售sic sbd產品,中高壓應用對象數量逐年增長。
sic功率晶體管
近年來，國內外半導體企業均在積極研發并推出全新的sic mosfet,2020年約10家廠商具備量產能力,共推出211款sic mosfet產品,擊穿電壓集中在650v和1.2kv。
sic功率模塊
國際典型廠商有安森美(onsemi)、infineon、cree/wolfspeed、三菱電機、富士電機、rohm和semikron等,產品正逐步從混合模塊(si基igbt和sic基sbd)向全sic模塊過渡。三菱電機和rohm均生產使用sic開關和sic sbd的全sic功率模塊;onsemi在2020年新推出了一款集成1.2kv sic mosfet和1.2kv sic雙升壓二極管的功率模塊,應用目標為太陽能逆變器,可有效解決在高功率下對高系統效率的需求。
我國sic功率器件商業化進展
在國內,現階段實現商業化的sic功率器件產品以sic二極管和sic mosfet為主,代表企業包括泰科天潤、三安集成、華潤微、中車時代、基本半導體,產品電壓集中在650v——1.7kv,高壓器件仍處于樣品研發階段。此外,sic sbd產業化剛剛起步,sic igbt尚在研發。
sic功率模塊方面,比亞迪車規級產品已上車使用,此外斯達半導體、瞻芯電子、基本半導體、世紀金光、士蘭微等企業也在積極布局,加快推進研發及擴產。
原標題：sic功率器件為何成半導體產業資本的爭奪之地？
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SiC功率器件為何成半導體產業資本的爭奪之地？
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01 sic功率器件優勢顯著
從材料本身來看,sic的熱導率是si的3倍,禁帶寬度是si的3倍,臨界擊穿電場是si的8倍,使得sic功率半導體具有很高的耐壓容量和電流密度。而sic基器件相較于傳統si基器件的優勢如表1所示。 表1:si器件 vs. sic器件
由于sic基器件在高溫下的運行穩定性,可大大節約系統和模塊成本,簡化冷卻散熱系統,顯著提高了電路的集成度。同時,高開關頻率和高轉換效率可減少能量損耗,縮小產品體積,從而降低模塊的整體成本。與si基功率器件相比,sic基器件可至少降低能耗33.6%,在峰值效率下工作時率大于96.0%。
據rohm介紹,對于一款5kw的dc/dc 轉換器,如使用sic mosfet替代原先的si igbt,整體系重量可從7kg降低到0.9kg,體積縮小約85%,能耗降低63%?；衔锇雽w科銳(cree)也展示了類似的數據:在相同電池條件下,搭載了sic mosfet的電動汽車比搭載si基igbt的電動汽車續航里程可提高約5%-10%。
02 sic功率器件的分類和應用
目前sic功率器件主要分為sic功率二極管、sic功率晶體管、sic功率晶體管三大類,具體如圖2所示。
以sic肖特基器件為例,sic功率器件的應用可按電壓等級分為低電壓應用(<600v)、中電壓應用(600——1.7kv)和高電壓應用(1.7——10kv)。在低電壓領域,主要應用對象是功率因子校正器(pfc);在中電壓范圍,光伏逆變器、電動汽車/混合動力汽車、不間斷電源(ups)及電動機控制器是主力軍;在高電壓領域,船艦驅動、智能電網、風力發電機功率轉換器和機車牽引正受到關注。
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目前，幾乎所有的si基功率半導體都或多或少地在布局sic功率市場。據統計,目前cree、英飛凌(infineon)、rohm、意法半導體(st)和三菱電機合計約占90%的sic功率器件市場份額。
sic功率二極管
截至2020年底,國內外已有超20家具有量產sic二極管產品能力的公司,擊穿電壓主要分布在600v——3.3kv。根據mouser統計,2020年共有800款在售sic sbd產品,中高壓應用對象數量逐年增長。
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近年來，國內外半導體企業均在積極研發并推出全新的sic mosfet,2020年約10家廠商具備量產能力,共推出211款sic mosfet產品,擊穿電壓集中在650v和1.2kv。
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國際典型廠商有安森美(onsemi)、infineon、cree/wolfspeed、三菱電機、富士電機、rohm和semikron等,產品正逐步從混合模塊(si基igbt和sic基sbd)向全sic模塊過渡。三菱電機和rohm均生產使用sic開關和sic sbd的全sic功率模塊;onsemi在2020年新推出了一款集成1.2kv sic mosfet和1.2kv sic雙升壓二極管的功率模塊,應用目標為太陽能逆變器,可有效解決在高功率下對高系統效率的需求。
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