英飞凌在 20 多年前推出了其首款由碳化硅 (SiC) 制成的芯片，并且长期以来将这种材料吹捧为电力电子的未来。现在，更多的公司正在加速这个战局。
最值得注意的是，通用汽车和特斯拉等汽车制造商正在投资由 SiC 制成的芯片，以制造电动汽车 (EV)，这种汽车充电后可以行驶更远，并且在电池耗尽时可以更快地充电。英飞凌 SiC 业务副总裁 Peter Friedrichs 表示，碳化硅是在 650 V 或更高电压下必须在高温和恶劣环境下运行的电源开关的代际转变。他指出，碳化硅器件具有独特的物理特性，使客户能够将更多功率压缩到更紧凑的外壳中，这些外壳重量更轻，产生的热量更少，从而提高了功率密度。Friedrichs 表示，英飞凌目前向 3,000 多家客户销售 SiC MOSFET 和其他功率器件，其中包括台达电子、现代、施耐德电气和西门子。他们正在将它们构建为电动汽车、电机驱动器、太阳能逆变器和工业级开关模式电源 (SMPS) 的核心，这些电源需要高达数万瓦的功率——其中许多公司并没有回头看。“有些客户根本不想谈论硅，”Friedrichs 上个月在 APEC 2022 上表示。这家功率半导体巨头上个月推出了一系列新的 SiC MOSFET，适用于从电动汽车到太阳能逆变器的所有产品，在竞争激烈的 650V 器件市场上采用标准 MOSFET 和 IGBT。
它还加大了对基于 SiC（一种融合硅和超硬碳的材料）生产芯片的投资，以支撑供应并降低制造 SiC 器件的高成本。SiC 是一种宽带隙半导体，这一特性有助于它在击穿之前承受更高的电压（高达数千伏），并能承受比硅 MOSFET 更高的温度（175°C 或更高）。除了高压耐受性之外，SiC 器件还能以更高的频率和更高效地运行，而不会出现在道路上主导电动汽车的标准 IGBT 和 MOSFET 的不必要损耗。SiC 在较高电压水平下也具有较小的导通电阻，这会导致较低的传导损耗、较高的电流密度，并且在将电力从一个电平调节或转换到另一个电平时会散发更多的热量。此外，SiC 提供比 MOSFET 和 IGBT 更快的开关速度，这使您可以使用更小的外部组件（如变压器和无源器件）包围直接功率级。
基于 SiC 的功率器件也减少了热量损失，从而为更紧凑、更轻便的散热器打开了大门。总而言之，这些属性转化为系统级别的成本节约，行业专家说。SiC MOSFET 是高压电源中 IGBT 的最佳竞争者，因为它降低了开关的开通和关断损耗，有助于减轻电源的重量和体积。IGBT 将 MOSFET 的高输入阻抗和快速开关速度与双极结型晶体管 (BJT) 的高导电性结合在一起，可为电动汽车提供数万瓦的功率。然而，工程师不太习惯使用 SiC 器件进行设计的权衡取舍，这对于功率半导体领域来说相对较新。IGBT 也仍然很受欢迎，因为它们不像 SiC MOSFET 那样昂贵。虽然 IGBT 让电动汽车上路，但Friedrichs 表示，碳化硅器件正在推动电动汽车走向未来。他说，SiC 器件正在争夺电动汽车动力总成核心的 80% 左右的电力电子设备，包括将存储在汽车电池组中的直流电 (dc) 转换为交流电 (ac) 并馈电的主牵引逆变器。它到转动车轮的电动机。这些芯片还在电动汽车的其他部分争取设计胜利，例如车载充电器和直流-直流转换器。英飞凌此前曾表示，SiC 可以帮助将电动汽车的续航里程提高 5% 至 10%，或者让汽车制造商能够使用更小、更轻、成本更低的电池。英飞凌并不是唯一一家向电动汽车市场供应碳化硅的公司。去年，通用汽车同意从Wolfspeed购买 SiC 器件，用于通用汽车 Ultium Drive 系统中的集成电力电子设备。据Exawatt估计，到 2030 年，仅电动汽车中的 SiC 器件市场将超过 25 亿美元。Friedrichs 表示，英飞凌正试图通过更新的 SiC 器件在电源设计挑战中领先一步。例如，该公司即将在 2022 年推出其独特的第二代 SiC 沟槽 MOSFET 技术，这将带来更高水平的功率密度和功率效率。但他表示，随着各行各业竞相减少碳足迹，它也希望保持领先于全球对碳化硅的需求。英飞凌计划投资超过 20 亿美元来提高其 SiC 和 GaN 的产量。此外，英飞凌已经计划在其位于奥地利菲拉赫的晶圆厂转换部分 200 毫米和 300 毫米产能，该工厂去年才开始量产 SiC 和 GaN 器件。
未来的挑战是确保系统级的成本节省超过制造 SiC 器件的更高成本。据分析师称，英飞凌和其他公司正在采取措施缩小与硅的成本差距，但距离完全缩小差距还有几年的时间。 公司早就知道如何通过在灼热的熔炉中混合硅和碳来制造 SiC。但它比硅更硬、更脆，因此更难以在晶圆表面进行锯切、研磨和抛光而不留下可能拖累功率器件性能或功率效率的划痕。结果是大量制造 SiC 的成本往往更高。 高管们表示，英飞凌自有妙计。该公司正在使用一种名为 Cold Split 的技术提高产量，以更仔细地从原始碳化硅柱中切割出晶圆，这一过程类似于从岩石中切割石板。冷分裂承诺可以从 SiC 晶圆上切出的芯片数量翻倍，有助于提高产量并节省成本。 英飞凌表示，它正准备在 2023 年采用 Cold Split 技术进行量产。 英飞凌的碳化硅发展之路：
◾ 1992年起，英飞凌开始着手碳化硅的研究◾ 1998年，英飞凌开始在大批量硅功率生产线上进行2英寸硅片技术整合◾ 2001年，英飞凌成为全球首家推出碳化硅二极管的厂商，自此开启碳化硅的商用◾ 2015年，实现了碳化硅从4英寸转6英寸晶圆的生产◾ 2017年，发布1200V 碳化硅 MOSFET◾ 2018年，通过收购 Siltectra 公司，获得了碳化硅晶圆的冷切割技术◾ 2019年，发布了1200V的车规级碳化硅 MOSFET◾ 2020年，◾ 2022年，英飞凌扩大第三代半导体的产能，将投资超过20亿欧元（合计约144亿人民币）扩大SiC 和 GaN的产能
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