汽車功率半導體 ：IGBT與SiC ，誰能更勝一籌 ？

目前 ，全球新能源汽車發展方興未艾 ，而中國是一塊重要市場 ，具有巨大的發展潛力 。據統計 ，從2011到2016年 ，中國電動汽車年產量從不足5000輛 ，發展到51萬輛 ，保有量從1萬輛提升到100萬輛 ，均占全球50% ，處於領先地位 。2018年 ，中國新能源汽車產量達到127萬輛 ，繼續保持大幅增長勢頭 。

上周 ，在北京舉行的中國國際新能源汽車功率半導體關鍵技術論壇（PSIC 2019）上 ，20餘名國內外知名專家 、學者 、企業負責人圍繞業界關注的熱點話題發表了主題演講 。中國第一汽車股份有限公司新能源開發院電機電驅動研究所所長趙慧超 ，中科院電工所研究員溫旭輝 ，中國工程院外籍院士 、美國國家工程院院士汪正平 ，宏微科技（MACMIC）總裁趙善麒分別就中國新能源汽車產業發展趨勢 、電機逆變器IGBT功率模塊環境可靠試驗評測技術 、高功率密度SiC車用電機驅動控製器研發 ，以及電動汽車用功率半導體器件現狀與發展等主題做了深入的分析和探討 。

據宏微科技總裁 趙善麒介紹 ，在全球電動車功率半導體市場 ，功率控製單元中所消耗的功率半導體器件價值最多 ，而輕混電動車的發展速度最快 ，具體如下圖所示 。

在功率模塊方麵 ，電動汽車用半導體功率模塊占模塊總量的比例在未來5年會有所增長 ，2017年 ，該市場規模為34億美元 ，Yole預計2023年將達到52億美元，較2017年增長50% 。

車用IGBT

目前 ，新能源汽車已經進入快速發展軌道 ，其發展也逐漸由政策導向轉為市場導向 。在此基礎上 ，新能源車關鍵零部件已進入充分競爭期 ，保證質量 、降低成本是重要課題 。

來自中國一汽的趙慧超所長表示 ，車用功率模塊（當前的主流是IGBT）決定了車用電驅動係統的關鍵性能 ，同時占電機逆變器成本的40%以上 ，是核心部件 。

而據趙善麒介紹 ，IGBT約占電機驅動器成本的三分之一 ，而電機驅動器約占整車成本的15~20% ，也就是說 ，IGBT占整車成本的5~7% 。2018年 ，中國新能源汽車銷量按125萬輛計算的話 ，平均每輛車大約消耗450美元的IGBT ，所有車共需消耗約5.6億美元的IGBT 。

關於失效分析 ，趙慧超表示 ，IGBT模塊是由層疊結構的 、不同材質的材料 ，通過焊接 、燒結 、共晶粘結等工藝製成 。各層材料的機械強度 、膨脹係數不同 ，抗拉伸、抗撕裂和抗疲勞性能也各不相同 。這些都是IGBT失效的主要影響因素 。

統一質量考核標準 ，實現充分競爭 ，是當前汽車行業對功率模塊產品的迫切需求 。而對IGBT的考核是重中之重 ，涉及到具體的考核要求 ，可分為3類試驗，分別是 ：IGBT模塊的電氣額定/峰值試驗 ，電熱特性試驗 ，以及環境和可靠性試驗 。

在談到IGBT的發展趨勢時 ，趙善麒表示 ，在技術層麵 ，IGBT芯片經曆了一係列的迭代過程 ，包括從PT向NPT ，再到FS的升級 ，這些使芯片變薄，降低了熱阻 ，並提升了Tj ；IEGT 、CSTBT和MPT的引入 ，持續降低了Vce ，並提高了功率密度 ；通過表麵金屬及鈍化層優化 ，可滿足車用的高可靠性要求 。

除了技術層麵 ，IGBT在結構上也有創新 ，如出現了RC-IGBT ，以及將FWD與IGBT集成到一起的設計 ；此外 ，在功能上也有集成 ，如集成電流 、溫度傳感器等 。

車用SiC器件研發進展

在當今的功率半導體領域 ，SiC器件越來越受到重視 ，車用的功率半導體也不例外 。那麽 ，市場為什麽會如此青睞SiC呢 ？對此 ，趙善麒總結道 ：1 、SiC器件的工作結溫在200℃以上 ，工作頻率在100kHz以上 ，耐壓可達20kV ，這些性能都優於傳統矽器件 ；2 、SiC器件體積可減小到IGBT整機的1/3~1/5 ，重量可減小到40~60% ；3 、SiC器件還可以提升係統的效率 ，進一步提高性價比和可靠性 。

在電動車的不同工況下 ，SiC器件與IGBT的性能對比情況如下圖所示 ，不同工況下 ，SiC的功耗降低了60~80% ，效率提升了1~3% 。

因此 ，效率的提升使得電動汽車的續航能力提高了10% ，PCU的尺寸減小到原來的1/5 ，更為重要的是 ，係統成本比IGBT的有明顯下降 ，如下圖所示 。

目前 ，在全球範圍內 ，SiC MOSFET的主流供應商包括Cree 、Rohm和英飛淩等 ，而從歐美日這三家代表廠商的SiC MOSFET橫向對比來看 ，其產品元胞結構技術能力各不相同 ，而它們的產品發展方向都趨向於更高電壓 、更大電流或更高的電流密度 。

當然 ，有優勢就有不足 ，趙善麒認為，SiC芯片目前麵臨的挑戰主要包括 ：1 、成品率低 ，成本高 ；2 、SiC和SiO₂界麵缺陷多 ，柵氧長期可靠性是個問題 ；3、SiC MOSFET缺少長期可靠性數據 。

談到SiC器件研發進展 ，特別是SiC混合開關模塊存在的問題時 ，中科院電工所研究員溫旭輝女士表示 ，當前，SiC芯片載流能力低 ，而成本過高 ，同等級別的SiC MOSFET芯片 ，其成本是矽基IGBT的8~12倍 。功耗方麵 ，SiC MOSFET先於矽基IGBT開通 ，後於IGBT關斷 ，而IGBT可以實現ZVS（零電壓開關） ，可大幅降低損耗 。

因此 ，總體來看 ，矽基IGBT的電氣特性接近SiC MOSFET芯片的90%，而成本則是SiC MOSFET的25% ，

溫旭輝表示 ，在進行SiC混合開關模塊門極驅動開發時 ，存在著SiC芯片高速關斷時 ，會引起IGBT誤動作的問題，而解決這一問題的方法是 ：1 、使用具有Miller鉗位功能的驅動芯片 ；2 、優化門極驅動PCB ，降低相關路徑的雜散阻抗 。

綜上 ，溫旭輝認為 ，由於矽便宜又好用 ，因此 ，SiC和矽混合開關模塊會有很大的市場應用前景 ，而純SiC芯片及器件要想在汽車功率係統當中普及，還需要時間 。

此外 ，來自ASM的丁佳培博士 、華虹宏力技術總監楊繼業 、賀利氏營銷經理盧飛 、士蘭微高級研發經理顧悅吉 、基本半導體營銷總監蔡雄飛 、奧魯比Helge Lehmman 、KnS應用經理陳蘭蘭 、友強國際技術總監周丹 、上汽英飛淩總經理王學合 、清華大學教授李永東 、聯合電子研發總監孫輝 、采埃孚研發中心專家梁小廣 、泰科天潤技術總監李誌君 、origin中國區市場經理馬卿 、清華大學副教授陸海峰 ，以及西安交通大學教授王來利 ，分別就產業鏈各環節的熱點問題做專題報告 。在交流環節 ，與會代表圍繞新能源汽車產業發展趨勢 、IGBT核心技術研發 、關鍵生產工藝等展開了熱烈的討論 。

在論壇同期的展覽展示上 ，士蘭微 、賀利氏 、奧魯比斯 、ASM 、友強國際 、富事德作為本次金牌讚助單位並現場展示最新技術產品 ，上汽英飛淩 、宏微科技 、基本半導體、衛光科技 、天麗晶 、中好蔚萊 、天楊電子 、翱晶 、勵芯泰思特等49家產業鏈各環節主流企業展示了代表當下最先進水平的產品和技術 。

PSIC 2019

PSIC 2019由中國電力電子產業網、北京電力電子學會 、中國電器工業協會電力電子分會 、汽車電子元器件標準工作委員會 、中國電工技術學會電氣節能專委會 、中國電源學會元器件專委會 、中國新能源汽車功率半導體關鍵技術與產業聯盟 、中國功率器件封測設備與材料產業聯盟 、寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室聯合主辦 ，北京清泉谘詢服務有限公司承辦 。