近几年来，电动汽车、电化学储能、以及光伏和风电等新能源市场的快速发展，市场对功率器件的需求量大增，特别是电动汽车的兴起，让IGBT常年处于供应紧张状态，且未来几年都没有缓解的迹象。此时，SiC器件也乘势而起，开启了汽车领域的渗透之路，那么，未来这两种功率器件将谁主沉浮呢？

01

汽车电动化汹涌澎湃，车载半导体如火如荼

电动车进入发展快车道，车载半导体景气度提升。据Ev Volumes， 全球2021年新能源车销量694万辆，同比增长106%，尽管2022年欧 洲新能源车销量疲软，但2022年1-6月，国内新能源汽车销量260万 辆，同比均增长1.1倍。由于国内新能源车持续高景气，Ev Volumes 预计2022年全球电动车销量1070万辆，同比增长54.3%。

随着电动车的繁荣发展，国际半导体龙头供应商的汽车业务营收创新 高，其中功率半导体龙头英飞凌的汽车相关业务在2021年实现约 37%的同比增长，代工厂龙头台积电的汽车业务同比提升约51%。

电动车半导体单车价值量激增，逆变器用功率半导体占比最高。据英飞凌，电动车的半导体单车价值量较燃油车增长约950美 元，其中约900美元来自功率半导体的使用，而逆变器使用的功率半导体，占单车功率半导体总价值量75%左右。

电机和逆变器是电动车新增核心需求，功率器件（IGBT和碳化硅MOS）是逆变器核心器件，也是车辆性能的主要保证方式之 一。和计算机上处理数字信号的CPU类似，功率器件是电动车在功率上的“CPU”。CPU依靠软件实现信号流在0和1之间转换。功率器件依靠变频控制软件，处理功率流的开和关。

02

IGBT与SiC的发展历史及市场情况

1982年，通用电气的B•贾扬•巴利加发明了IGBT，它集合了双极型功率晶体管（BJT）和功率MOSFET的优点，一经推出，便引起了广泛关注，各大半导体公司都投入巨资开发IGBT器件。随着工艺技术的不断改进和提高，其电性能参数和可靠性也日趋完善。

据Omdia统计，全球IGBT市场规模在过去近十年中保持稳定增长，从2012年的32亿美元增长至2021年的70亿美元。中国是IGBT最大的市场，占到全球IGBT市场规模的40%左右。另外，根据测算，国内车载IGBT市场的规模大概为60亿元，如果按照每年200万辆的增量计算，车载IGBT需求量至少100亿元以上，需求量很大。

目前硅基MOSFET和IGBT器件等高频功率器件由于技术成熟，已经广泛应用于各种领域。然而，随着功率器件使用场合日益丰富，对高效率、高功率密度等性能要求也不断提升，加上工作环境更加恶劣，硅器件的使用受到了其材料特性的限制，难以满足需求。为了突破传统硅基功率器件的设计瓶颈，SiC和GaN等第三代半导体器件开始崭露头角。因为这类新材料具有宽禁带、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等优点，特别适合制作大功率高压、高频、高温、抗辐照电子器件。

近几年，基于宽禁带半导体材料的功率器件制造技术的发展也突飞猛进，许多半导体公司都推出了其商业化的SiC和GaN功率器件。以SiC MOSFET为例，现有的商业化功率器件耐压范围达到了650V~1700V，电流等级达到了6~60A，SiC模块的耐压等级甚至已经达到了几十kV。

据Yole统计，2021年全球SiC功率器件的市场规模为10.9亿美元，预计未来几年的年复合增长率可达34%，至2027年，市场规模可达62.9亿美元。据悉，目前，SiC MOSFET在车载OBC和电控上在逐渐渗透。不过，现在很多供应SiC模块，包括OBC和MOSFET的企业，同时也是IGBT的供应商。

从市场前景来看，如果SiC未来在车载上大批量上量，产值会翻倍，因为车载SiC模组的价格是传统硅模块的3~5倍，OBC单管的话是硅模块的2倍。业内人士预计今年SiC在国内电控领域有10%左右的渗透，2025年可能会达到30%~50%的渗透。

03

SiC 和Si技术特点差异分析

碳化硅已成为功率器件中硅的替代材料。宽禁带、更高的击穿电场、提高的热导率以及更高的工作温度是碳化硅的4大关键优势：

碳化硅的禁带比硅大 3 倍，可转化为高 10 倍的击穿电场。如需设计有高电压（通常为 1200V 或更高）的单极器件，例如 MOSFET，使用碳化硅则会受益良多。

碳化硅的热导率是硅的 3 倍，与铜相似。因此，功率损耗产生的热量可以以较小的温度变化从碳化硅中传导出去。

由于较高的熔化温度，理论上，碳化硅器件可以在 200°C 以上的温度下良好运行。因为冷却需求显着降低，因而可以显着降低冷却系统的成本。

由于较高的击穿电场，碳化硅器件具有更薄的漂移层或更高的掺杂浓度。因此，与相同击穿电压的硅器件相比，它们具有更低的电阻。

碳化硅可用于设计单极器件，例如高压 MOSFET，理论上不产生尾电流。因此，相比于硅 IGBT，碳化硅 MOSFET 有更低的开关损耗和更高性能的体二极管，从而实现更快的开关频率。

碳化硅器件可以在更高的温度下运行，可达到 200℃ 或更高。然而，封装技术限制了最高工作温度。为了使碳化硅运行在高温度，许多新封装技术正在开发中。

碳化硅器件的芯片面积更小，产生的栅极电荷和电容也更小，可以实现更高的开关速度，降低开关损耗。

碳化硅 MOSFET 可以在高开关频率下工作，使磁性元器件更小，且功率损耗更低。低功率损耗与高工作温度和高热导率相结合，降低了冷却需求，从而使得冷却系统更小。在功率转换器应用中，高开关频率还可以减少输出电容器。

由于高击穿电压，在高压应用中（例如，高于 600V）使用碳化硅 MOSFET可以采用简化的拓扑，而硅 IGBT 因为其击穿电压通常在 650V 至 750V 的范围内，所选取的拓扑则不尽相同。简化的拓扑结构需要更少的组件，即更少的电源开关和栅极驱动器，以及在控制算法方面更少的设计工作量。

单个碳化硅功率器件比硅等效器件成本更高，但使用碳化硅器件能够节省系统成本，因为需要更少的组件、更小的无源组件尺寸、更小的冷却系统、相同里程范围内的更小的电池容量以及更少的设计开发工作量。

结语

可以明显地看到，SiC MOSFET的技术性能优于硅基IGBT，但SiC的总体成本仍然很高，这主要是由于原材料、加工和产量决定的，目前难以充分利用其全部特性。反观硅基IGBT，目前技术已经非常成熟，经过40多年的持续奋斗，不断探索与创新，硅基IGBT的参数折中已经达到了极高的水平，可以满足不同的应用市场需求，而且成本可控。

因此，可以预见的是未来相当长一段时间，硅基IGBT和SiC器件将会共存于市场。即便是电动汽车市场，会极大推动IGBT和SiC器件的发展，由于成本和性能的考量，这两者也仍然会是共存状态。

节能减排和低碳经济必然会推动功率半导体市场的蓬勃发展，IGBT和SiC器件是功率半导体的技术前沿。目前主要的供应商还集中在国外，好在国内企业的发展势头也非常好，比如赛晶亚太半导体在2021年6月就完成了其第一条IGBT模块生产线，并实现了量产，该生产线制造的ED封装IGBT模块系列产品已经在数家电动汽车、风电、光伏及工业电控领域企业开展测试，去年年底完成了以晶圆形式向新能源乘用车市场客户的批量交付。今年年中完成了IGBT模块批量交付新能源乘用车客户。此外，该公司SiC MOSFET产品也在布局当中，预计今年推出第一代碳化硅模块。

文章来源： 集成电路前沿，电子发烧友网，英飞凌