功率器件的新风与旧热——碳化硅与IGBT

随着新能源汽车、工业、光伏、储能等行业的迅猛发展，功率器件领域也在不断迭代升级。其中，碳化硅技术近几年备受关注，国际厂商的出货量迅速上升，国内厂商纷纷重金投入。与此同时，碳化硅在多个领域中替代IGBT的呼声也愈发变大。

IGBT的余热尚未散去，碳化硅的新风已经刮来。在这样的大背景下，与非网特别邀请了安森美和英飞凌参与本次功率器件专题月采访，期望了解头部企业在该领域的最新发展动态和技术优势，以及如何在两者之间进行权衡。

业内人士细谈碳化硅替代硅基IGBT可行性

众所周知，硅基功率半导体的代表——IGBT技术，在进一步提升性能方面遇到了一些困难。开关损耗与导通饱和压降降低相互制约，降低损耗和提升效率的空间越来越小，于是业界开始希望SiC能够成为颠覆性的技术。

对此，英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监陈子颖认为，这样的看法有一定局限性。在他看来，硅基IGBT的技术仍在进步，尤其是英飞凌自己。伴随着封装技术的进步，IGBT器件的性能和功率密度越来越高。同时，针对不同应用而开发的产品，可以做一些特别的优化处理，从而提高硅器件在系统中的表现，进而提高系统性能和性价比。英飞凌的TRENCHSTOP™ IGBT 7便是典型的例子。

因此，第三代半导体的发展进程，还是需要与硅器件相伴而行，在技术发展的同时，还有针对不同应用的大规模商业化价值因素的考量，指望第三代器件很快在所有应用场景中替代硅器件是不现实的。在未来数年中，不同的半导体技术将并存于市场中，在不同的应用场景中分别具有特殊的优势。

陈子颖还认为，SiC MOSFET发展目前尚处于起步阶段，未来新应用的出现和市场潜力的发掘，将推动以碳化硅为代表的第三代半导体技术的发展。至于在这个过程中如何提高器件的利用率和市场渗透率，封装技术和应用技术等方面的提升或将起到不小的影响。

从英飞凌高功率密度的封装、低寄生电感的模块封装，到基于增强型SiC MOSFET芯片技术单管，采用.XT技术的单管等等，都体现了其在功率半导体，尤其是工业和汽车应用方向上几十年来的经验和积累。

安森美中国区汽车现场应用工程师夏超则表示，受益于中高端电动汽车销量的持续增长，对应的第三代半导体器件处于加速阶段。目前，碳化硅器件的成本仍然是略高于硅基功率器件，但得益于各家碳化硅厂商产能扩张目标的陆续实现，碳化硅的价格正在快速降低。由于电动汽车在大部分运行周期内是处于低功率运行状态，因此碳化硅器件在电动汽车领域发挥其低损耗特性，正在取代传统的硅器件，未来也将逐步扩散到如车用充电桩、光伏储能等领域。

夏超强调，安森美目前重点着力于电动汽车、电动汽车用充电桩/器、可再生能源、5G四个市场，旨在为客户提供全方位解决方案。目前来看，在不同的细分市场，碳化硅跟硅基器件是一个很好的互补，也是价格与性能的一个平衡。

随着第三代半导体技术的成熟，以及成本的降低，最终会慢慢取代部分硅基产品成为主流方案。碳化硅芯片可以工作在更高的温度(175℃至200℃)，结温超过175℃的碳化硅方案将能在更高的功率密度下工作，从而比硅基替代方案的性价比更高，有助于系统设计人员能够更加灵活地选择满足应用需求的高性价比方案。

面对国际厂商在碳化硅领域的快速出货，虽然陈子颖和夏超认为所处的发展阶段不同，但英飞凌和安森美对于碳化硅布局的持续性都很重视，区别在于英飞凌依然很重视硅基IGBT的技术发展，并选择双管齐下；而安森美的侧重点更偏向碳化硅，并坚信在部分领域，碳化硅对于IGBT的替代会逐步进行。因此，目前就谈碳化硅完全替代硅基IGBT或许为时尚早。

大厂的产能布局

基于已签署的众多战略协议，安森美的碳化硅工厂当前正在有序扩产。如近期与宝马集团等国际一线车厂陆续达成战略合作。夏超认为，安森美产能的扩张既有增量需求，如电动汽车等领域的蓬勃发展，也包含对已有的IGBT器件的存量替代，如光伏发电及储能等领域。随着产能的进一步提升，市场价格的进一步降低，碳化硅器件将会助力构建一个更为清洁绿色的家园。

同样，英飞凌在扩产能方面也毫不落后，预计到2027年，英飞凌的碳化硅产能将增长10倍，届时其碳化硅业务的销售额将增长至约30亿欧元。英飞凌的目标是，通过大幅扩展产能，在未来十年内将公司在碳化硅领域的市场份额提高到30%。

为了确保供应安全，英飞凌依靠广泛的供应商网络和与不同合作伙伴在双边层面上开展的众多合作。英飞凌还宣布，将投资20多亿欧元在居林新建一个厂区，用于扩大碳化硅和氮化镓产能外，同时，英飞凌对其菲拉赫工厂现有硅设备进行改造，将现有的6英寸和8英寸硅生产线转换为碳化硅和氮化镓生产线，以增加菲拉赫工厂的碳化硅和氮化镓产能。

碳化硅的技术优势及发展历程

在对碳化硅长达30多年的研究中，英飞凌的技术打磨和沉淀，最终体现在具体的产品和技术上，典型的就是英飞凌CoolSiC™ MOSFET，它可以简化拓扑结构，减少器件数量，降低损耗，提高功率密度。

CoolSiC™ MOSFET 芯片面积比IGBT小很多，大约是IGBT与续流二级管之和的五分之一；在耐高压方面则可以通过提高系统的开关频率来提高系统性能，提高系统功率密度；在可靠性和质量保证方面，能很好地规避平面栅的栅极氧化层可靠性问题，同时功率密度也更高。

正是由于SiC MOSFET这些出色的性能，其在光伏逆变器、UPS、ESS、电动汽车充电、燃料电池、电机驱动和电动汽车等领域都有相应的应用。

相对而言，安森美的技术和产品更加集中在汽车半导体领域，如电动汽车主驱领域的M3系列碳化硅功率模块，及后续更大性能提升的M3e系列。在碳化硅设计生产方面，安森美拥有近20年的经验积累，目前已发布了三代碳化硅 MOSFET，每一代都针对一种特定的应用：

M1基于Square cell结构，适用于工业和汽车应用，针对在20 kHz范围内运行的最低导通损耗和稳定可靠性进行了优化；M2系列应用了Hex cell结构，涵盖同类型但电压较低的应用，具有针对这些电压优化的新型晶胞结构；M3系列采用了Strip cell结构，主要针对快速开关应用；下一代安森美将采用Trench cell结构，其性能还将得到进一步提升。用安森美的话说，其所有的碳化硅器件都已达到最高的可靠性水平，并已完全实现工业化。

在功率器件领域，安森美一方面对于硅基器件及碳化硅器件都拥有从基底，晶圆，单管，模块到系统级的完整解决方案。另一方面，安森美近年来依然在不断投入优化碳化硅器件的沟槽设计、封装技术和制程工艺，已经使终端产品在转换效率、功率密度和成本控制方面有了大幅的提高。同时硅基器件也在进行持续的改进以满足新的应用需求。

在交叉互补中前行

安森美中国区汽车碳化硅现场应用工程师牛嘉浩总结道，新技术的发展并不意味着原有技术的消亡，这是一个迭代的过程。虽然碳化硅崛起迅速，在一些应用中替代硅基器件是主流趋势，但是硅基功率器件目前仍然占据大部分的市场，并且有着自身的优势，短时间内并不会退出舞台。

总之，从安森美及英飞凌对于IGBT和碳化硅的态度来看，硅基IGBT本身的存量市场还很大，而碳化硅器件也尚处于偏早期的发展阶段，不论是起步还是加速出货，两者的市场总量还有一定差距，且两者并非零和博弈，甚至有不少新的应用领域，需要两者共同发挥，在交叉互补中前行。IGBT余热尚未散去，碳化硅新风徐徐刮起。