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5G和军工双轮驱动化合物半导体业爆发

2016-10-11 09:03
小鱼时代
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  3.2. SiC:市场已正式形成,未来在电动汽车中将大有可为

  由于硅基功率器件的性能已逼近甚至达到了其材料的本征极限,研究人员早在 19 世纪 80 年代就把目光转向宽禁带半导体器件,如碳化硅(SiC) 、氮化镓(GaN)等。宽禁带功率半导体器件与传统 Si 基功率半导体器件相比较,其材料特性主要表现在:宽能带、高饱和速度、高导热性和高击穿电场等。使 SiC 功率半导体器件具有如下 Si 基器件无可比拟的电气性能。

  1)耐压高。临界击穿电场高达 2 MV/cm(4H-SiC),因此具有更高的耐压能力(10 倍于 Si)。SiC器件的阻断电压可达几千伏,这为其在电气化铁路、电力系统等方面的应用创造了条件。目前商业化的阻断电压己达到 1700V。

  2)散热容易。由于 SiC 材料的热导率较高(3倍于 Si),散热更容易,器件可工作在更高的环境温度下。有报导,SiC 肖特基二极管在 361 ℃的工作结温下正常工作超过 1 小时。

  3)导通损耗和开关损耗低。SiC 材料具有两倍于 Si 的电子饱和速度,使得 SiC 器件具有极低的导通电阻(1/100 于 Si),导通损耗低;SiC 材料具有 3 倍于 Si 的禁带宽度,泄漏电流比 Si 器件减少了几个数量级,从而可以减少功率器件的功率损耗;关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低,可大大提高实际应用的开关频率(10 倍于 Si)。

  SiC 功率器件这些性能,可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求,其在电动汽车、空间探测、军工设备及电力系统等领域有着十分光明的应用前景。迄今为止,SiC 功率开关器件主要类型有 SiC SBDs(肖特基二极管)、SiC BJTs(双极型晶体管)、SiC JFETs(结型场效应管)、SiC MOSFETs(绝缘栅型场效应管)和 SiC IGBTs(绝缘栅双极晶体管)。其中, SiC SBDs、 SiC MOSFETs 和 SiC JFETs 最具市场竞争力, SiC SBDs 由于具有较小的反向恢复电流和成本适中,已经在部分电动汽车变换器中得到了应用。

  碳化硅器件的发展历史:从 SiC 器件出现至今,这种宽禁带半导体器件已经发展了 20 年,开始逐步进入市场并被工程技术人员认可。 1992 年,美国北卡州立大学就在全世界首次成功研制阻断电压 400 V 的 6H-SiC SBDs, 2001 年 Infineon 生产出全球第一款 SiC SBDs,现已开始商业化还有 Cree、Microsemi、Rohm 等公司产品。1993 年,首次出现了 SiC MOSFETs 的报导,到 2010 年,已经陆续有 SiC 功率开关管器件的系列产品成功量产。 2011 年初 Cree 公司终于将 4H-SiC MOSFETs 器件(1 200 V/80 m欧姆)推向市场,耐压等级分别为 600 V/1 200 V/1 700 V。接着, 2012 年 3 月 Rohm 公司正式推出了备受期待的全碳化硅功率模组,继而又正式将适用于工业装臵的变流器的 SiC MOSFETs 模组(SiC MOSFETs+SiC SBDs,额定规格 1 200 V/180 A)投入量产。

  碳化硅功率元件市场在 2016 年正式形成,当前市场约为 2 亿美元,未来 10 年将有望超 20 亿美元。国际市场调研机构 IMS Research 报告显示,2015 年会是 SiC 发展的一个拐点,SiC 在功率器件上的应用会起到主导作用。未来的 10 年,这一市场份额将增长 20 倍,其中混合电动汽车、纯电动汽车是主要的驱动力,此外马达驱动、风能、太阳能等对 SiC 需求都会快速增长。SiC功率元件市场在 2016年正式形成, 2015 年全球 SiC 功率半导体市场仅为约 2 亿美元,规模尚小,其应用领域也主要在电力供应、太阳能逆变器等领域。而未来,随着新能源汽车和工业电机不断采用 SiC 材料,在未来 10 年的维度内,SiC 半导体市场容量有望超过 20 亿美元。目前全球 SiC 半导体市场处于绝对领先的企业是 Cree,占据了 85%以上的市场份额。

  SiC 半导体潜在应用领域较为广泛,对新能源汽车、轨道交通、智能电网和电压转换等领域都具有重大意义。随着下游行业对半导体功率器件轻量化、高转换效率、低发热特性需求的持续增加,SiC在功率器件中取代 Si 成为行业发展的必然。据 Yole Developpement 估计,2013~2022 年间 SiC功率半导体市场规模的年均复合增速预计将达到 38%。随着 SiC 产量的快速提升,其生产成本将不断下降, 优异的性能将使得 SiC 在功率器件领域逐步实现对 Si 半导体的替代。

  碳化硅器件在电动汽车中应用显著。SiC 器件可以显著减小电力电子驱动系统的体积、重量和成本,提高功率密度,使其成为 HEV电力驱动装臵中的理想器件,也必将为电动汽车的动力驱动系统带来革命性的改变。

  1)可显著减小散热器的体积和成本。理论上,SiC 功率器件可在 175℃结温下工作,因此散热器的体积可以显著减小。SiC 功率器件的高导热性也使风冷在未来的中、大功率电动汽车中成为可能。

  2) 可以减小功率模块的体积。由于器件电流密度高(如 Infineon 产品可达 700 A/cm2),在相同功率等级下,全 SiC 功率模块 的封装尺寸显著小于 Si IGBT 功率模块。

  3)可以提高系统效率。与传统硅 IGBT 相比,SiC 器件的导通电阻较小导通损耗下降;特别是 SiC SBDs,具有较小的反向恢复电流,开关损耗大幅降低提高。

  在国家政策支持下,国内新能源汽车销量快速增长。根据工信部数据显示, 2015 年累计生产新能源汽车 37.90 万辆同比增长 4 倍,销售 33.11 万辆,同比增长 3.4 倍,在全球新能源汽车超过 50 万辆的年销量中,中国市场的贡献超过一半。政策规划 2020 年累计销量达 500 万辆,复合增速 50% 以上:《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020 年)》指出 2020 年新能源汽车累计销量达到 500 万辆;同时,2015 年国务院下发《中国制造 2025》明确提出到 2020 年我国自主品牌新能源汽车年销量突破 100 万辆,在国内市场占 70%以上,新能源汽车销量达到145 万辆以上。

  依据产业调研情况,在新能源汽车领域,充电桩需要 SiC 功率器件 6 只,单价在 40-80 元,总价值量为 200-500元;新能源汽车大约需要 SiC功率器件 6只,单价在 40-80,总价值量在 500-1000元。按照 2020年,中国新能源汽车年保有量 500 万量计算,分散式充电桩保有量 480 万个。到 2020 年仅新能源汽车贡献的 SIC 潜在市场空间就超过百亿元。

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