作为第三代半导体材料的杰出代表，碳化硅因具备禁带宽度大、临界击穿场强大、热导率高等优势特性，非常适用于高温、高频以及高功率密度的应用场景。典型的比如新能源汽车领域，特斯拉最新的Model 3车型就使用了碳化硅MOSFET来提升电驱系统的工作效率以及汽车充电效率，同时欧洲的350kW超级充电站目前也正加大对碳化硅功率器件的采用；而在国内，车企方面如比亚迪、北汽新能源等也都在加码碳化硅器件在新能源汽车领域的应用，尤其是以汽车充电桩为代表的高功率充电应用场景，已成为当下SiC功率器件重点推广和普及的领域。

车用SiC市场成长迅猛 SiC-SBD将率先导入充电桩场景

如今，汽车产业向电动化转型的进程正不断加速，为迎合这股市场“洪流”，业界对以SiC为代表的功率器件大规模导入汽车市场的呼声也是越来越高。据专业机构统计，2018年全球已有超过20家的汽车厂商在OBC中使用了SiC肖特基二极管(Schottky Diodes)或SiC MOSFET，未来SiC功率半导体在OBC市场中也有望以CAGR 44%的速度成长至2023年；而且，汽车主逆变器中采用SiC功率半导体也渐成风潮，特别是中国车厂近几年更是纷纷考虑使用SiC功率元件，预计2019-2023年SiC功率元件在汽车主逆变器市场的CAGR可能高达108%，推动车用SiC市场强劲增长。

除此，随着近年来全球汽车市场对充电需求的日益陡升，作为电动汽车能量之源的充电桩应用也成为当前各大SiC器件供应商们“淘金”的热土。深圳基本半导体有限公司技术营销经理刘诚在接受本刊采访时表示：“从市场整体情况来看，2019年充电桩市场对碳化硅功率器件的需求十分强劲，碳化硅二极管和MOSFET的交期都比较长，有的甚至长达10个月。基本半导体从2018年起便开始为包括充电桩、车载充电机等行业在内的客户大批量供货，为满足国内客户的供应需求以及今后车规级半导体的需求增长，目前也正积极在国内布局产线。”

而从应用的角度来看，刘诚认为：“相比传统的硅器件，碳化硅功率器件在充电桩领域应用可以提升电源系统开关频率和效率，并降低无源器件（电感、电容等）的重量和体积，提升系统功率密度。比如市面上主流的15kW充电桩模块，一台15kW的充电桩模块电源内部一般会用到4颗或8颗碳化硅MOSFET，具体使用数量仍取决于所选器件的导通电阻值和输出电流。”

这里以电动车充电桩设施的三相电力转换系统为例，1200V的SiC MOSFET可为DC-DC转换级建构一个LLC全桥级，其中典型的硅解决方案则由于倚赖650VSi超接面MOSFET，通常需要两个串联的LLC全桥来支援800V的DC链路，而四组SiC MOSFET加上驱动器IC即可取代八组Si超接面MOSFET加上驱动器IC。除了零件数量减少及电路板空间缩减之外，SiC MOSFET还可以使效率达到最佳化，在每个导通状态下，相较于Si解决方案中的四个切换位置，SiC MOSFET解决方案仅打开两个切换位置即可，在快速电池充电中使用SiC MOSFET，可实现高效率的充电周期。

不过，目前出于成本的考虑，电动车充电桩15kW的功率模组现阶段仍然主要以使用硅基器件为主，ROHM半导体（北京）有限公司设计中心所长水原德健告诉记者：“但是随着单个充电模组的功率提高到20kW-30kW，为了提高单位体积的功率密度、提高平台电压、简化电路结构，使用SiC产品的机会将越来越多。当然在大功率充电桩里最开始得到大规模应用的应该还是SiC-SBD，SiC器件的需求还主要以1200V的SiC-SBD为主，很多充电桩生产企业已经将SiC-SBD用于量产项目。之后随着用户平台电压提高和电路结构优化的需要，以及中国国内汽车快速充电市场的扩大，SiC-MOS的使用机会也会越来越多，具体使用个数会以用户具体电路结构而定，但是预计使用量都会比较可观（目前单个直流充电模组中大概使用28颗硅基的SJMOS）。”

SiC“降成本”话题备受关注 从工艺到供应链仍待持续优化

由此可见，SiC要想真正在汽车充电桩市场大展拳脚，当前最亟待突破的关卡即是“成本”。尽管多年以来，大到行业巨头小到新晋厂商都在不断加大力度推进SiC器件成本的降低，但受限于量产工艺和器件设计、技术等多层因素，SiC器件的价格现在仍然普遍处于Si器件价格3-5倍左右的高位，这也为当前充电桩市场批量导入SiC器件构建了颇高的壁垒。

对此，刘诚解释到：“目前，限制碳化硅功率器件成本降低的主要因素有以下三个方面：一是碳化硅材料的生长相比硅要慢，生产效率不高；二是因为碳化硅材料的硬度很高，对切割耗材（如金刚石线）的损耗比较大，这对设备及其它生产工艺过程的要求也更高，从而增加了生产成本；三是由于碳化硅功率器件的工艺要求比硅功率器件的工艺要求高，这也造成了产品良率偏低，限制了碳化硅功率器件成本的下降。”

从刘诚的分析中可以看出，阻碍SiC成本降低的因素无一离不开“工艺”二字。更进一步分析，某业内人士告知记者，“在工艺层，SiC器件价格高昂主要是受基板以及外延的成本的影响，同时也和原料晶柱的品质不稳定等有很大关系。与采用Czochralski工艺进行大量生长硅基板从而令每个晶锭得到数千个芯片不同，SiC外延芯片是在高温CVD反应器内生长的，这样会使得SiC的生产能力大幅降低 (每次仅能达到10-20个芯片)，这种工艺的低生产力也直接导致了SiC基板的高成本。过去，基板成本每年降低7%到10%，且由于工业等领域对宽带隙器件兴趣日渐浓厚，市场上的SiC基板厂家也日益增多了起来(包括中国国内)。所以，随着更多的生产能力逐步上线，加上全球诸如英飞凌、ST等各主流玩家在6英寸晶片上的投入日益增多，预期SiC基板的成本接下来也会呈现急剧下降的态势。”

的确，对于“降成本”这一话题，很多企业都是饶有兴致，刘诚认为：“从我们半导体企业的角度来看，我们一是要通过不断对碳化硅器件设计和生产工艺进行优化，提高产品性能和良率，从而降低器件的成本；二是优化整合供应链，在保证产品性能和质量的前提下积极选用国产衬底和外延，降低器件成本。”

另一方面，如今全球尤其是国内的SiC器件供应商正日益增多，在中国政府的推动下本土SiC产业链也正逐步趋于完善，无论是单晶衬底、外延片、器件设计、模组抑或是器件制造等各个环节均涌现出一大批的“新玩家”。水原德健表示：“随着主要供应商生产能力的提高和更多供应商的加入，产品的价格会下降，产品价格的下降会带来市场上更大规模的应用，而市场上大规模的应用又会反过来促使产品生产率的提高，价格下降会更有空间，进入一个良性循环。罗姆非常看好SiC的应用前景，在去年10月份正式宣布在日本国内新建一座SiC芯片及器件的加工工厂--ROHMApollo(Fukuoka)工厂。该工厂在2020年建成后将大幅提高罗姆的SiC产品供应能力，预计2025年罗姆的SiC生产能力会达到2017年的16倍。”

若具体到充电桩的应用的角度来看，业界SiC代表厂商产品线某负责人认为：“其实对于每一个应用，我们不能够只停留在其表面来看待成本问题，还要具体到应用中去计算它的整体成本，要用完全不同的方式来算。就如充电桩这类应用，其实它省的甚至是用户的空间以及租金的成本。以国内市场为例，现在其实存在一个普遍的问题，那就是很多城市越来越没有地方安充电桩了，小区都安满之后，不是很容易，地方就那么多。反而从我理解，增加了碳化硅做进去，反而不见得需要那么多充电桩了，因为单个充电桩的充电时间减短了，续航里程又拉长了，其实对充电桩的数量需求反而是减少了，反而是充电时间长，续航历程短，你还需要大批的充电桩，这就非常不划算。所以，我认为如果把碳化硅引进来以后，以前可能需要1万个充电桩，现在可能只需要5000个，因为你的续航历程长了，不需要这么密了，省了租金、省了成本，同时也给用户省了很时间，提高了效率，整体算下来价格还比Si基器件的设备要便宜一些。”

谢绝低“可靠度”：国际与本土SiC“玩家”耕耘有道

当然，克服成本问题仅仅只是第一步，接下来，SiC要充分适应充电桩领域的应用需求，可靠性也是不得不提的问题。尽管汽车充电桩与汽车安全驾驶并无直接关系，但由于充电设施会直接与汽车进行接触，这个过程就好比过去的给燃油车加油，整个环节也暗藏风险，万中若有一失，同样会对汽车安全带来直接的威胁。

业界SiC代表厂商产品线某负责人也对此表示赞同，他认为：“充电桩其实现在有一个趋势，就是一方面它的功率越来越大，几百千瓦而且是几个一起，充电站是兆瓦级的。一个充电站所需要的电几乎是几栋大楼的电，所以往往你要建一个充电站，就需要电网公司配一个配电的变压器，专门拉电源过来才能做到。虽然这是对用户好，但是对充电器来说就不好了，因为一次充5分钟、300千伏，对所有电力设备最怕的就是负载，瞬间要做满功率，满功率后10分钟停下来，然后下一个就要来了，每天都会经历这样的循环，所以对器件的可靠性还是有比较高的要求的。”

在SiC器件的可靠性上，低反型层沟道迁移率以及高温、高电场下的栅氧可靠性是目前存在的两大技术难点，这也直接决定了SiC器件在实际应用中能否体现自身相对Si基器件的优势，更是那些深耕SiC功率半导体领域的供应商们在未来愈发激烈的市场竞争中存活和立足的根本。SiC MOSFET目前广泛存在的低反型层沟道迁移率问题上，水原德健告诉记者：“一般来说，SiC-MOS的漂移层阻抗比硅MOS低，但是按照现有技术水平，SiC-MOS的沟道迁移率确实又会比硅MOS低，从而造成沟道部的阻抗比Si器件要高。但是，提高门极驱动电压，可以有效地降低沟道部的导通阻抗，因此为了充分发挥SiC-MOS低导通电阻的特性，罗姆推荐使用比硅产品要高的18V门极驱动电压。”

对于如何提升SiC器件高温、高电场下的栅氧可靠性，罗姆半导体也给出了自家的解决方案，水原德健表示：“罗姆的SiC-MOS是经过不断研发栅氧成型工艺和优化器件结构，已将SiC-MOS的栅氧可靠性达到了与目前广泛使用的硅MOS及IGBT同等的品质，能够满足高温高湿反偏老化（HTGB）可靠性测试要求（+22V，150℃）。同时，罗姆在器件出厂前采用独特的筛选技术，确保不良品不会流向市场。”

作为本土SiC功率半导体领域的代表企业，基本半导体在SiC的可靠性设计上也在不断追求极致，刘诚表示：“我们是通过优化氧化结合N2O栅氧的工艺来改善目前存在的反型层沟道低迁移率问题；另一方面，通过调整元胞结构达到降低栅氧电场的目的，也对碳化硅MOSFET反型层沟道低迁移率问题和SiC MOSFET可靠性问题都有比较大的改善。目前，我司发布的碳化硅MOSFET在TDDB测试下栅极等效寿命超过200年。”由此可见，在器件可靠性方面，本土厂商也具备了与国际大厂比肩的实力。

总之，在SiC器件真正开启车载市场“大门”的前夕，充电桩作为兼具市场刚需性及非车规级可靠性的应用，已率先成为SiC功率半导体技术赋能的重点对象，“高效高功率”的汽车充电时代已近在咫尺。但基于电压、电路结构等多方因素综合考虑，大功率充电桩领域，SiC-SBD将会是SiC功率半导体领域的“先锋”品类，尤以1200V的SiC-SBD为主；而后，随着电动汽车电池容量的提升、平台电压的提高加之电动汽车市场对充电效率需求的进一步增大，SiC-MOS也有望在汽车充电桩市场大展拳脚，SiC淘金汽车充电桩市场的时机已经到来。

而在成本方面，编者认为，随着越来越多国内产线的正式落成，加之国际大厂们在6英寸产线上的加速布局，相信今明两年SiC在成本上必然能够小有突破；另外，尽管目前业界在SiC的两大关键可靠性难点上有了不小的技术进展，但是相比传统的Si基器件来说，SiC功率器件的可靠性潜力仍有待进一步被挖掘。当然，这不仅仅是技术端的问题，也需要在厂商在应用端持续进行深入探索，毕竟只有通过时间的考验和磨砺，并获得丰厚的应用及市场经验之后，SiC才能在功率半导体领域全面替代传统Si基半导体，实现真正意义上的大规模普及。