近年來，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等材料為代表的化合物半導(dǎo)體因其寬禁帶、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等優(yōu)異的性能而飽受關(guān)注。SiC和Si來競爭制造功率半導(dǎo)體無論是在科學和實踐上都得到了實力上的體現(xiàn)，尤其是隨著新能源電動車的普及和發(fā)展，主機廠開始轉(zhuǎn)向800V高壓平臺，對SiC的需求量越來越大，其在汽車上的應(yīng)用步伐也在加快。這就對硅基的IGBT帶來了一定的沖擊。

在SiC如日中天的大環(huán)境下，IGBT又為何還能如此香？聯(lián)想近日特斯拉的一些做法，讓我們再來重新審視一下IGBT和SiC這兩者的存在意義。

SiC MOSFET為何替代不了IGBT？

誠然，SiC雖然具有一些優(yōu)越的特性，但并不適用于所有應(yīng)用場景。SiC晶體管具有更高的開關(guān)速度、更低的導(dǎo)通電阻和更高的耐壓能力等優(yōu)點，這使得它們非常適合高頻、高壓等應(yīng)用場景，在600–1,700V范圍應(yīng)用上SiC功率器件具有很大的優(yōu)勢，尤其是新能源汽車領(lǐng)域，傳統(tǒng)硅基IGBT芯片在高壓快充車型中已經(jīng)達到了材料的物理極限，所以新能源汽車開始紛紛擁抱SiC。

但是，SiC晶體管的劣勢在于，其價格相對較高，SiC生產(chǎn)過程也更加復(fù)雜。SiC價格較高的主因是因為SiC襯底導(dǎo)致：SiC晶體生長的速度緩慢，SiC晶體長1cm大約需要7天，相比之下，拉出一根2米左右的8英寸硅棒僅需要2-3天時間；SiC的硬度也很高，不僅切削時間長，而且良率還低，一般來說，硅片的切割只需要幾個小時，而SiC則需要數(shù)百小時。因此，SiC產(chǎn)業(yè)鏈的實際控制權(quán)掌握在襯底供應(yīng)商中。除此之外，其他生產(chǎn)成本也比Si高，但相對襯底所占的比重則較小，SiC加工生產(chǎn)需要更高的溫度及更昂貴的耗材。SiC晶體管也存在一些缺點，比如容易受到損壞、溫度敏感等問題。綜合這些特點來看，SiC并不適用于一些低成本、低功率的應(yīng)用場景。

IGBT的制造成本低于SiC MOSFET，因為IGBT使用的硅基材料成本低，生產(chǎn)技術(shù)成熟，硅的價格僅為寬禁帶材料的三分之一至四分之一。其次，IGBT的可靠性比SiC MOSFET高，因為IGBT的結(jié)構(gòu)相對簡單，故障率較低。同時，IGBT具有更好的電容性能和更好的抗過壓能力，適用于大功率、大電流的應(yīng)用場景。譬如在DC-DC這種對環(huán)境要求不是很高、對重量和空間要求也不高的充電樁領(lǐng)域，想要替代成本具有優(yōu)勢的IGBT有很大的難度。

因此，SiC并不能完全替代IGBT。

此前有業(yè)內(nèi)人士透露，“SiC就像一個聰明而又個性極強的少年，優(yōu)點突出，缺點同樣突出。IGBT更像一個持重而成熟的青年，可以扛起功率器件的重擔?！?/p>

英飛凌科技高級副總裁、汽車電子事業(yè)部大中華區(qū)負責人曹彥飛在近日的一次媒體溝通會上也表示：“對于許多把頂尖性能和外形因素放在次要位置的應(yīng)用，硅基仍然頗具競爭力。我們認為在汽車領(lǐng)域，Si跟SiC在中長期一定會是并存的?！?/p>

事實確實如此，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）作為一種新型功率半導(dǎo)體器件，是國際上公認的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動化領(lǐng)域的核心元器件，IGBT 被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”。IGBT在很多應(yīng)用場景中仍然是最佳選擇，IGBT被廣泛應(yīng)用于變頻器、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域的發(fā)展速度非常快，導(dǎo)致了IGBT的需求量也快速增長。

特斯拉減少SiC，繼續(xù)擁抱硅

SiC上車的第一槍是特斯拉打響的，在過去五年中，SiC市場的增長在很大程度上取決于特斯拉，它是第一家在電動汽車中使用SiC材料的汽車制造商，也是現(xiàn)在最大的買家。但是由于成本太高的問題，特斯拉在前段時間召開的AI投資日上宣布在下一代車型上將SiC含量減少75%，這引起了行業(yè)的一波震動。75%可不是一個小數(shù)字！通過減少SiC在內(nèi)的多個硅材，特斯拉將在下一代電動汽車中減少1000美元的成本。

圖源：特斯拉

特斯拉目前正在研發(fā)一款新的入門級車型——Model 2或Model Q，它將比現(xiàn)有車輛更便宜、更緊湊，在特斯拉看來，對于這種功能較少的小型汽車將不需要那么多的SiC器件來為其提供動力。

行業(yè)分析，特斯拉將采取的做法是，采用低功率硅基IGBT+SiC MOSFET的方法來替代之前的SiC，用于低端車型。目前，特斯拉Model S/X和Model 3/Y平臺使用的逆變器中相同，根據(jù) SystemPlus consulting拆解報告，Model 3的主逆變器上共有24個SiC模塊，每個模塊包含2顆SiC裸片（Die），共48顆SiC MOSFET，這48顆SiC MOSFET替代了84顆IGBT。特斯拉的新動力總成的目標是僅使用12個SiC MOSFET。

特斯拉的這一做法有兩層深遠意義：一個是，這對SiC來說是積極的消息，特斯拉此舉擴大了SiC的潛在市場，使其可適用于低端市場；另外一個，特斯拉的做法也可能被其他原始設(shè)備制造商效仿，或再引發(fā)對IGBT的需求。Yole Intelligence的分析師表示，2023年，硅基IGBT用于EV逆變器在容量和成本方面在行業(yè)內(nèi)處于有利地位。

結(jié)語

總的來說，IGBT和SiC甚至是GaN都是當下市場應(yīng)用中十分重要的半導(dǎo)體器件，他們在電力電子領(lǐng)域和其他多個領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。雖然IGBT存在一些缺陷和不足，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，SiC和IGBT在競爭中互補，在競爭中聯(lián)合。未來，IGBT將繼續(xù)為電子電力領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。

編輯：黃飛

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