SiC功率半导体市场，如何才能成为头部玩家？

在功率电子领域，要论如今炙手可热的器件，SiC要说是第二，就没有人敢说第一了。随着原有的Si基功率半导体器件逐渐接近其物理极限，由第三代SiC功率器件接棒来冲刺更高的性能，已经是大势所趋。

与传统的Si材料相比，SiC具有更宽的禁带，以及更高的击穿电场、热导率和工作温度，这决定了基于SiC的功率器件性能优势明显。具体来讲：

• SiC的禁带是Si的3倍，可转化为高10倍的击穿电场，因此有利于实现更高电压（如1,200V或更高）的功率器件。

• 较高的击穿电场令SiC器件具有更薄的漂移层或更高的掺杂浓度，因此SiC器件与具有相同击穿电压的Si器件相比，具有更低的电阻，功耗更低。

• SiC的热导率是硅的3倍，这意味着功率损耗产生的热量更容易传导出去，以实现更佳的散热特性。

• 由于具有较高的熔点，理论上SiC器件的工作温度可达200°C以上，对外部冷却的需求显著降低，有利于降低冷却系统的成本。

• 基于SiC设计的单极器件（如高压MOSFET），理论上不产生尾电流，因此相较于Si IGBT，SiC MOSFET具有更低的开关损耗和更高性能的体二极管，可实现更高的开关频率。开关频率的提高，意味着系统设计时可以选用更小的外围元件，可以让系统尺寸更为紧凑。

• SiC器件的芯片面积更小，产生的栅极电荷和电容也更小，这些特性使其在实现更高的开关速度同时，可以降低开关损耗。

总之，采用SiC功率器件可以让功率电子系统实现更高电压、更低功耗、更高效率、更小尺寸……除了成本较高外，完全碾压Si功率器件应该是毫无悬念。

电动汽车拉动SiC市场成长

不过，也正是成本高、产能低、配套技术生态欠完善等因素，在相当长的一段时间里制约了SiC器件在商业领域的渗透速度。这种状况一直持续到了2018年。

这一年，电动汽车领域发生的一件事，极大地改变了SiC半导体的市场走向——特斯拉宣布，在Model 3的主驱逆变器上采用了650V SiC MOSFET，使得逆变器效率提升了5%-8%，进而让电动车的续航显著提升。从此，一石激起千层浪，电动汽车领域的玩家纷纷跟进，掀起了SiC器件市场的一阵热潮。

众所周知，汽车电气化的进程势不可挡。根据IHS Markit的预测，2025年全球将有45%的汽车生产实现电气化，全年将销售约4,600万辆电动汽车；而到2030年，这两个数字将上升到57%和6,200万辆。

而且，在电动汽车中，除了主驱逆变器外，车载充电机 (OBC)、电源转换系统 (DC/DC) 以及充电桩等功率电子设备都将为SiC器件提供巨大的应用空间。更为重要的是，随着对更大功率、更高电压、高效电源转换小型化设计的需求，SiC器件在很多应用中都将成为不二之选。伴随着电动汽车市场的成长，SiC的需求也将呈现出更为陡峭的上行趋势。

图1：汽车电气化拉动SiC需求的增长

（图源：安森美）

当然，与Si器件相比，单颗SiC器件及其功率电子系统解决方案价格仍然较高。但也有人测算过，电动汽车逆变器使用SiC解决方案后, 可以让整车功耗减少5%-10%，虽然由此会增加逆变器模组的成本，但可以有效降低电池、散热、空间占用等成本，综合计算下来可使整车成本节省约2,000美元左右。这样的结论，显然是SiC半导体市场的强心剂。

每一个行业“风口”都会吸引更多的玩家进入，SiC半导体市场也不例外。不过鉴于汽车行业的特殊性，这个领域的“金主”往往对于元器件供应商的选择更为苛刻，只有SiC领域头部的元器件厂商才有机会进入他们的法眼。

在SiC的头部玩家中，安森美(onsemi)是表现颇为亮眼的一家。只要简单地搜索新闻我们就会发现，仅在2023年公开宣布采用安森美 EliteSiC系列SiC产品或开展长期深度合作的车企和电动汽车领域的技术供应商，就包括现代汽车、起亚集团、大众汽车、极氪智能科技(ZEEKR)、Kempower、纬湃科技 (Vitesco)、博格华纳 (BorgWarner) 等。之所以会得到行业的厚爱，与安森美背后坚实的实力支撑不无关系。

直击市场痛点的产品

想要跻身一个领域头部玩家的俱乐部，首当其冲的当然是要有能够满足市场需求的过硬产品。

以电动汽车来讲，提升续航里程和缩短充电时间是当下的主要痛点，也是决定消费者购买决策的关键。而想要解决这个痛点，提升电动汽车电池组的电压，从目前的400V平台迁移到800V平台是至关重要的一步。此举的好处有两点：一方面，在充电模式下，较高的电池电压会降低电池充电所需的电流，并且缩短充电时间；另一方面，在车辆行驶时，较高的电压可以在保持功率水平不变的情况下，增加电机功率输出或提高系统效率。

而实现800V的架构，需要车辆中其他的功率电子系统都进行相应的升级。具体到OBC，在设计升级时有两个因素十分关键：电压和开关频率，而这正好都是SiC器件的强项。

安森美推出的1200V EliteSiC M3S MOSFET就是800V OBC及相关应用的理想选择。

图2：1200V EliteSiC M3S MOSFET

（图源：安森美）

先从电压上来看。系统架构采用更高的电压，自然要求功率器件具有更高的阻断电压能力。想要满足800V电池平台的要求，Si功率器件显然是难于胜任的，650V等千伏以下的SiC也不适用，而1200V的EliteSiC M3S MOSFET则正好可堪重任，支持更高功率OBC的设计。

此外，1200V EliteSiC M3S MOSFET与前代M1系列产品相比，还有一个重要的优化，就是在开关性能上。这些MOSFET导通电阻极低（包括 13 / 22 / 30 / 40 / 70mΩ），以符合车规的NVH4L022N120M3S为例，其在1200V时的导通电阻R_DS(ON)低至22mΩ。根据安森美提供的测试数据，这款器件需要的总栅极电荷Q_G(TOT)相比上一代的M1 MOSFET更少，这大大降低了栅极驱动器的灌电流和拉电流。在默认V_GS(OP) = +18V的情况下，M3S的电荷仅为135nC，与M1相比，R_DS(ON)*Q_G(TOT)中的FOM（品质因数）减小了44%，这就意味着在导通电阻R_DS(ON)相同的情况下，M3S MOSFET只需要其他器件56%的开关栅极电荷。

与M1相比，M3S在其寄生电容C_OSS中存储的能量E_OSS更少，因此在更轻的负载下具有更高的效率。如图3所示，M3S的开关性能大幅改善——E_OFF相比M1降低了40%，E_ON降低了20-30%，总开关损耗降低了34%。在高开关频率应用中，这将消除导通电阻R_DS(ON)温度系数较高的缺点。

图3：M3S MOSFET电感开关损耗

（图源：安森美）

支持更高的电压，有助于实现更高的功率，让充电更快，还可以减少整车所需的电流，从而降低电源系统、电池和OBC之间的电缆成本；开关频率的提升，有助于系统设计人员使用更小的电感器、变压器和电容器等储能元件，从而缩小系统体积，实现更紧凑的尺寸，为车辆中其他组件提供更多的空间——1200V EliteSiC M3S MOSFET的这两点优势，刚好命中了电动汽车客户的需求痛点，这显然是让他们“下单”很具有说服力的理由，当然也是安森美能够在SiC竞争中获得先发优势的一大主要原因。

完整的SiC产品布局

值得注意的是，像1200V M3S MOSFET这样能够直击市场痛点的产品，在安森美的EliteSiC系列产品中还有很多，丰富的产品组合是为广泛功率电子应用提供SiC整体解决方案的关键，也是安森美深厚技术积淀的体现。

从产品类别上看，目前安森美 EliteSiC系列包括SiC二极管、SiC MOSFET、SiC模块和Si/SiC混合模块四个子类，这意味着客户无论是希望激进地研发全SiC的产品，还是选择一种稳妥的渐进式升级路径，都可以在EliteSiC产品组合中找到相应的解决方案。

而从各个子类中，更是能看出安森美 SiC产品的丰富和多样性。比如在SiC MOSFET类别，安森美的产品就包括650V、900V、1200V和1700V电压级别，而且陆续研发出了三代产品，每一代产品都根据特定市场应用的需求进行了迭代优化。

M1系列

安森美的初代SiC MOSFET，主推1200V器件，适用于工业和汽车应用，支持20kHz范围内工作的系统，着重在低导通损耗和稳定可靠性方面进行了优化。

M2系列

主要包括650V和900V器件，覆盖千伏以下较低电压的应用，并提供了针对这些电压级别而优化的新型单元结构。

M3系列

1200V器件，特别针对快速开关应用进行了优化。上文提到的M3S MOSFET就是M3系列下的一个子系列。

表1：EliteSiC MOSFET各个系列特性

（资料来源：安森美）

随着市场的发展，EliteSiC MOSFET的产品组合还在不断丰富和延展。比如在2023年初推出的1700V EliteSiC MOSFET (NTH4L028N170M1），就是面向可再生能源领域而设计的产品——由此可见，虽然当下电动汽车市场SiC的行情如火如荼，但是安森美也没有放松在其他应用领域的产品布局。

可再生能源应用正不断向更高的电压发展，其中太阳能系统直流母线正从1100V向1500V演进。为了支持这一技术变革，就需要具有更高击穿电压 (BV) 的MOSFET提供支持。安森美的1700V EliteSiC MOSFET显然就是为此而打造的，其V_gs范围为-15V/25V，适用于栅极电压提高到-10V的快速开关应用，且具有更高的系统可靠性。在1200V、40A的测试条件下，1700V EliteSiC MOSFET的栅极电荷(Q_g) 仅为200nC，这一特性对于在更快开关速度、更高功率的可再生能源应用中实现高能效至关重要。

图4：1700V EliteSiC MOSFET

（图源：安森美）

显然，不断扩大EliteSiC系列产品的深度和广度，是安森美的SiC战略中很重要的一部分。这种全面的布局，使得安森美有能力响应客户的各种设计需求，同时也不会错失现在和未来任何一个市场风口。

垂直整合的SiC产业链

随着SiC市场的大热，在未来一段时间，下游厂商都难免受到SiC器件产能吃紧这一瓶颈的困扰。为此，很多系统厂商都会采用和SiC器件供应商签署长期供货协议这种深度绑定的方式，来规避相应的供应链风险。这时，对SiC半导体厂商产能和质量稳健性的要求就显得尤为重要了。

安森美对此的应对举措就是，对整个SiC产业链进行垂直整合，将影响产能和产品品质的要素紧紧掌握在自己的手中！

通过一系列的收购和整合工作，目前安森美已经实现了SiC器件生产制造能力的垂直整合，是目前世界上为数不多能够提供从衬底制备到模块制造端到端SiC方案的供应商，涵盖SiC材料生长、衬底、外延、器件制造、模块集成和分立封装等在内的整个制造流程。此举无疑为安森美的SiC供应链带来了易于扩展、成本优化的优势。

图5：安森美i的垂直整合SiC制造能力

（图源：安森美）

而且在整个制造流程中，安森美实施了全面的可靠性和质量测试，以避免产品出现缺陷。安森美的所有SiC产品都在100%额定电压和175°C下经验证合格；还具有100%雪崩额定值，具有固有的栅极氧化物可靠性，并经过宇宙辐射测试；同时还会对SiC外延生长前后进行缺陷扫描。

除了上述对制造能力的垂直整合，安森美也在着力打造更完善的SiC器件应用开发生态，包括专家支持、设计工具、仿真工具，以及详尽的技术文档等，以响应客户设计和开发各个阶段的需求。

其中的安森美新发布的Elite Power仿真工具就是一个亮点。这款仿真工具能够准确呈现出采用EliteSiC系列产品包括EliteSiC边界情形的电路运行情况，帮助电力电子工程师加快设计的上市速度。

图6：Elite Power 仿真工具配以 PLECS，助力开发者快速设计出整合EliteSiC产品的电源应用（图源：安森美）

安森美的这些努力无疑会让公司围绕SiC构建的技术支持体系更为完善，从宏观的角度上看，也是在弥补整个SiC产业链上的缺环，以做大整个SiC的市场蛋糕。

本文小结

根据Yole的预测，从2021到2027年，全球SiC功率器件市场规模将从10.90亿美元增长到62.97亿美元，其中车规级SiC器件市场将从2021年的6.85亿美元增长至2027年的49.86亿美元，年复合增长率高达39.2%。

要想成为这个高速增长的新兴半导体市场的头部玩家，瞄准市场热点的创新产品、全面的产品布局和垂直整合的综合能力，这三要素缺一不可。安森美就是围绕着这三个方面不断深耕，构建起了自己在SiC这个“新世界”的版图。想要走入其中，一探究竟，就随我们来吧！

相关技术资源

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