SiC功率器件为何成半导体产业资本的争夺之地？
功率器件,通常也被称为电力电子器件,是在电力系统和电气工程中根据负载要求处理电力转换的器件。当前功率器件所使用的主流材料依然是si(硅),但碳化硅(sic)半导体材料凭借其在高压、高温、高频、高功率、抗辐射等条件下的优异特性正展露头角,被认为是现代功率器件领域最富前景的制作材料之一。
据罗姆半导体(rohm)预测,2025年国内外 sic 功率半导体市场规模有望达到 30 亿美元,年复合增长率近30%。 据不完全统计,截至8月,2021年全国新落地第三代半导体产业项目(含产业园)已超过11个,近五年签约项目中,sic项目数量众多,占比63%,且投资金额较大。9月17日,深圳基本半导体宣布完成c1轮融资,将发力深耕sic功率器件的研发和产业化进程。
01 sic功率器件优势显著
从材料本身来看,sic的热导率是si的3倍,禁带宽度是si的3倍,临界击穿电场是si的8倍,使得sic功率半导体具有很高的耐压容量和电流密度。而sic基器件相较于传统si基器件的优势如表1所示。 表1:si器件 vs. sic器件
由于sic基器件在高温下的运行稳定性,可大大节约系统和模块成本,简化冷却散热系统,显著提高了电路的集成度。同时,高开关频率和高转换效率可减少能量损耗,缩小产品体积,从而降低模块的整体成本。与si基功率器件相比,sic基器件可至少降低能耗33.6%,在峰值效率下工作时率大于96.0%。
据rohm介绍,对于一款5kw的dc/dc 转换器,如使用sic mosfet替代原先的si igbt,整体系重量可从7kg降低到0.9kg,体积缩小约85%,能耗降低63%。化合物半导体科锐(cree)也展示了类似的数据:在相同电池条件下,搭载了sic mosfet的电动汽车比搭载si基igbt的电动汽车续航里程可提高约5%-10%。
02 sic功率器件的分类和应用
目前sic功率器件主要分为sic功率二极管、sic功率晶体管、sic功率晶体管三大类,具体如图2所示。
以sic肖特基器件为例,sic功率器件的应用可按电压等级分为低电压应用(<600v)、中电压应用(600——1.7kv)和高电压应用(1.7——10kv)。在低电压领域,主要应用对象是功率因子校正器(pfc);在中电压范围,光伏逆变器、电动汽车/混合动力汽车、不间断电源(ups)及电动机控制器是主力军;在高电压领域,船舰驱动、智能电网、风力发电机功率转换器和机车牵引正受到关注。
03 国内外sic功率器件的商业化进程
目前，几乎所有的si基功率半导体都或多或少地在布局sic功率市场。据统计,目前cree、英飞凌(infineon)、rohm、意法半导体(st)和三菱电机合计约占90%的sic功率器件市场份额。
sic功率二极管
截至2020年底,国内外已有超20家具有量产sic二极管产品能力的公司,击穿电压主要分布在600v——3.3kv。根据mouser统计,2020年共有800款在售sic sbd产品,中高压应用对象数量逐年增长。
sic功率晶体管
近年来，国内外半导体企业均在积极研发并推出全新的sic mosfet,2020年约10家厂商具备量产能力,共推出211款sic mosfet产品,击穿电压集中在650v和1.2kv。
sic功率模块
国际典型厂商有安森美(onsemi)、infineon、cree/wolfspeed、三菱电机、富士电机、rohm和semikron等,产品正逐步从混合模块(si基igbt和sic基sbd)向全sic模块过渡。三菱电机和rohm均生产使用sic开关和sic sbd的全sic功率模块;onsemi在2020年新推出了一款集成1.2kv sic mosfet和1.2kv sic双升压二极管的功率模块,应用目标为太阳能逆变器,可有效解决在高功率下对高系统效率的需求。
我国sic功率器件商业化进展
在国内,现阶段实现商业化的sic功率器件产品以sic二极管和sic mosfet为主,代表企业包括泰科天润、三安集成、华润微、中车时代、基本半导体,产品电压集中在650v——1.7kv,高压器件仍处于样品研发阶段。此外,sic sbd产业化刚刚起步,sic igbt尚在研发。
sic功率模块方面,比亚迪车规级产品已上车使用,此外斯达半导体、瞻芯电子、基本半导体、世纪金光、士兰微等企业也在积极布局,加快推进研发及扩产。
原标题：sic功率器件为何成半导体产业资本的争夺之地？
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从材料本身来看,sic的热导率是si的3倍,禁带宽度是si的3倍,临界击穿电场是si的8倍,使得sic功率半导体具有很高的耐压容量和电流密度。而sic基器件相较于传统si基器件的优势如表1所示。 表1:si器件 vs. sic器件
由于sic基器件在高温下的运行稳定性,可大大节约系统和模块成本,简化冷却散热系统,显著提高了电路的集成度。同时,高开关频率和高转换效率可减少能量损耗,缩小产品体积,从而降低模块的整体成本。与si基功率器件相比,sic基器件可至少降低能耗33.6%,在峰值效率下工作时率大于96.0%。
据rohm介绍,对于一款5kw的dc/dc 转换器,如使用sic mosfet替代原先的si igbt,整体系重量可从7kg降低到0.9kg,体积缩小约85%,能耗降低63%。化合物半导体科锐(cree)也展示了类似的数据:在相同电池条件下,搭载了sic mosfet的电动汽车比搭载si基igbt的电动汽车续航里程可提高约5%-10%。
02 sic功率器件的分类和应用
目前sic功率器件主要分为sic功率二极管、sic功率晶体管、sic功率晶体管三大类,具体如图2所示。
以sic肖特基器件为例,sic功率器件的应用可按电压等级分为低电压应用(<600v)、中电压应用(600——1.7kv)和高电压应用(1.7——10kv)。在低电压领域,主要应用对象是功率因子校正器(pfc);在中电压范围,光伏逆变器、电动汽车/混合动力汽车、不间断电源(ups)及电动机控制器是主力军;在高电压领域,船舰驱动、智能电网、风力发电机功率转换器和机车牵引正受到关注。
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目前，几乎所有的si基功率半导体都或多或少地在布局sic功率市场。据统计,目前cree、英飞凌(infineon)、rohm、意法半导体(st)和三菱电机合计约占90%的sic功率器件市场份额。
sic功率二极管
截至2020年底,国内外已有超20家具有量产sic二极管产品能力的公司,击穿电压主要分布在600v——3.3kv。根据mouser统计,2020年共有800款在售sic sbd产品,中高压应用对象数量逐年增长。
sic功率晶体管
近年来，国内外半导体企业均在积极研发并推出全新的sic mosfet,2020年约10家厂商具备量产能力,共推出211款sic mosfet产品,击穿电压集中在650v和1.2kv。
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国际典型厂商有安森美(onsemi)、infineon、cree/wolfspeed、三菱电机、富士电机、rohm和semikron等,产品正逐步从混合模块(si基igbt和sic基sbd)向全sic模块过渡。三菱电机和rohm均生产使用sic开关和sic sbd的全sic功率模块;onsemi在2020年新推出了一款集成1.2kv sic mosfet和1.2kv sic双升压二极管的功率模块,应用目标为太阳能逆变器,可有效解决在高功率下对高系统效率的需求。
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