逆变器中600V-1200V碳化硅MOSFET预备起飞

逆变器中600V-1200V 碳化硅MOSFET未来十年的复合年增长率为27%。

无可否认，碳化硅MOSFET是电动汽车电力电子设备未来十年的发展趋势。该材料可提高动力系统效率（EV 范围），在更高电压下工作以实现更快充电，并随着功率密度和工作温度的增加而创造新材料机会，例如银或铜烧结。

IDTechEx报告《电动汽车电力电子器件 2023-2033》深入探讨了电动汽车电力电子器件，并提供了对不断发展的半导体和封装材料（包括 Si、SiC 和 GaN 半导体、芯片连接材料、引线键合、热敏材料）的技术见解。

 宽带隙 (WBG) 半导体：用于逆变器、OBC、DC-DC 转换器的 SiC 和 GaN

20年来，Si IGBT 一直主导着中高功率器件系列，包括电动汽车电力电子器件，但正在让位于新一代WBG 材料：SiC 和 GaN。随着在更高温度下运行的更小、功率密度更高的模块的出现，这将从根本上影响新功率器件的设计，包括封装材料。

SiCMOSFET 的采用是目前的主要内容，并将迅速增长以主导市场份额。虽然 SiC MOSFET 与理论的性能差距通常小于一个数量级，反映出还有一定的进步空间，但GaN 的运行速度比其理论极限低两个数量级，反映出巨大的长期潜力。由于技术不成熟，GaN 的商业化目前受到其低功率/电压运行的限制，而其在电动汽车中的采用取决于这种改进。如今，块状氮化镓的成本也高得令人望而却步，但随着第一批 600V 氮化镓逆变器开始出现，硅基氮化镓将首先被采用。

OBC和 DC-DC 转换器的运行功率比逆变器低得多，但 WBG 半导体仍然有益，并且在这些设备类型中的采用率相似。除了提高整体功率密度外，更高的效率还允许通过 OBC 更快地为电池充电，并减少低压电池充电（通过转换器）期间的能量损失，从而增加续航里程。IDTechEx 报告预测，由于功率和电压要求较低，OBC 和 DC-DC 转换器的 GaN 市场进入时间略早于逆变器。

 封装材料和热管理的演变

该报告比较了新一代紧凑高效的封装结构，旨在维持更高的功率密度和工作温度。方法包括直接基板冷却、带式键合、直接引线键合、铜带式键合、银或铜烧结芯片粘接膏、集成散热器、TIM 去除、油冷却、双面冷却等。

芯片粘接材料是一个明显的痛点，因为结温较高，而且铅材料的禁令导致市场转向银和铜烧结材料。银烧结多年来一直处于资格认证阶段，IDTechEx 相信这是一项非常有前途的技术，现在时机已经到来。事实上，今天采用的纳米版本已经开发了七年多了。铜烧结材料仍大部分处于商业化阶段，但有潜力提高银烧结的性能。

另一个关键领域是引线键合。第一代电力电子封装采用铝线键合，无需过多的力或时间即可轻松应用于芯片。然而，铝的表面积覆盖率较差（<20%），并且导热率比铜低。这导致市场转向不同类型的铜键合，这带来了新的制造挑战，需要更高的键合功率，而此时 WBG 材料导致芯片厚度缩小并变得更加脆弱。

在热管理方面，许多逆变器供应商现在已经消除了散热器和基板之间的 TIM，以提高热阻，但这并不意味着电力电子领域没有 TIM 机会。许多组件仍然需要 TIM，并且 TIM 通常仍用于将模块散热器粘合到水-乙二醇冷板。

逆变器 IGBT 或 SiC MOSFET 模块大多使用水-乙二醇冷却。然而，单侧和双面冷却选项均被使用，每种选项都有自己的优点。使用油来冷却电力电子设备的情况也有所增加，以消除电力驱动单元内的大部分水-乙二醇组件，而电机和逆变器使用相同的油。虽然当前市场尚未采用这种方法，但IDTechEx 看到了这种方法的前景。

英飞凌和意法半导体一直是汽车功率半导体供应领域的市场领导者，最近两家公司都扩大了主要 OEM 合作伙伴关系。英飞凌已达成一项协议，从 2025 年起向 Stellantis 的一级合作伙伴供货，价值可能超过10 亿欧元。英飞凌还与大众汽车签订了为期十年的供应协议，为现代汽车的 800V E-GMP 平台供货，并与宝马在最初的 i3 以及雷诺方面建立了历史性的合作关系。

与此同时，意法半导体与电动汽车制造商有主要的供应关系。根据 IDTechEx 的“电动汽车 2023-2043”报告，该公司 2022 年在全球销售的所有 BEV+PHEV 汽车中占据约 14% 的市场份额。最近，意法半导体开发了名为ACEPACK的新型SiC模块，这是一种类似于其他主流设计的嵌入式模块解决方案，这将有助于扩大其客户群。由于预计需求，该公司正在扩大意大利的产能，现代汽车已选择在即将推出的 E-GMP 车型中使用这些模块。

其他厂商的公告也不断涌现，反映出 SiC 采用的步伐。Onsemi发布了名为EliteSiC的SiCMOSFET品牌，并将供应大众和现代，Tier 1博格华纳宣布将向Wolfspeed投资5亿美元，Wolfspeed将从2024年起为未来的梅赛德斯-奔驰车型和捷豹路虎的下一代电动汽车供应SiC半导体。

在最后一个投资者日，特斯拉一反常态地宣布，其目标是将未来车型发布的 SiC 利用率减少 75%。这对供应商意味着什么？虽然该公告单独来看有点不清楚，但 IDTechEx 预计特斯拉所有车辆的大部分电力电子设备将继续使用 SiCMOSFET。

值得记住的是，SiC MOSFET 是在特斯拉于 2018 年发布初代 Model 3 时才大规模引入汽车行业的。目前特斯拉产品线中使用的逆变器设计与最初的逆变器类似。IDTechEx 预计，所宣布的减少是由于更小、更先进的 SiC 芯片实现商业化，以及五年的实际经验和对 SiC 芯片热管理的理解而推动的。特斯拉最初的 SiC 逆变器设计也可能针对冗余（额外的芯片）进行了优化，现在该设计针对成本和效率进行了优化。

总体而言，特斯拉的声明不会对 IDTechEx 对未来十年 SiC 逆变器采用/车辆的预测产生负面影响。IDTechEx 预测逆变器中600V – 1200V SiC MOSFET 在 2023 年至 2033 年期间的复合年增长率为 27%，从而使该技术能够占领一半以上的市场。      

审核编辑：刘清