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【功率器件】电动汽车技术持续演进,SiC厂商积极布局抢占市场!

来源:拓墣产业研究院    原作者:徐韶莆    

根据拓墣产业研究院数据显示,伴随车厂推出的各类电动汽车款增加,2020年电动汽车(纯电、插电混合式、油电混合式)有望攀上600万辆大关,目前以油电混合的成长速度较快,但就长远来看,纯电动汽车仍持续占有重要份额,为提升消费者接受度,高端电动汽车在性能与行驶距离的技术上还有进步空间。

其中,关键的功率半导体元件如SiC晶圆与SiC Diode、SiC MOSFET等,在技术与需求上需要时间提前布局,因此也看到越来越多相关厂商在此领域的积极动作。

高端电动汽车技术发展日益重要,推升未来SiC晶圆与元件需求将持续增加

现行电动汽车大多还是以硅基材的IGBT做为逆变器的芯片模块,是功率半导体在电动汽车领域的技术主流。SiC MOSFET虽具有较好的性能与散热表现,但碍于成本过高及SiC晶圆制造技术复杂,良率表现没有硅晶圆好,因此目前SiC在电动汽车使用的渗透率仍不高。

然而,自电动汽车龙头厂商Tesla推出Model 3后,高阶电动汽车市场氛围可能有些许改变。相较市面上其他电动汽车厂商使用硅基底芯片(IGBT、MOSFET等)制作PEM(Power Electronics Module,用以做为AC/DC间的电流转换),Tesla Model 3完全使用SiC MOSFET来做PEM,也让SiC MOSFET在电动汽车领域引起讨论。

根据厂商说法,Tesla Model 3因使用SiC MOSFET模块,因此AC/DC的电流转换效率在长距离电动汽车市场上排名第一(若不论行驶距离,Hyundai推出的电动汽车Ionic Electric在电流转换效率方面较Model 3好,但电池功率仅有27KWh,行驶距离只有Model 3一半),让以Tesla为主要竞争对手的高端汽车厂商评估使用SiC MOSFET的效益。

值得一提的是,车用Tier 1大厂Delphi在2019年9月发表其最新使用SiC模块的800V Inverter(目前电动汽车主要使用400V系统),能延长电动汽车行驶距离并缩短电动汽车充电时间。此项技术也为Delphi赢得一家主要客户为期8年,总值达27亿美元订单,预计自2022年开始供货给使用800V系统的高端车款,为SiC未来需求加添信心。

此外,SiC MOSFET Module在快速充电桩的使用上也正迅速扩展。豪华车品牌Porsche在2018年10月即发表以SiC MOSFET模块建置可适合各种电动汽车使用的快速充电桩,除是为自家Taycan拉抬声势,也显示快速充电桩在高阶电动汽车市场的必要性。

由此看来,尽管目前电动汽车型以HEV居多,且现行多数电动汽车采用的功率元件仍以IGBT为主,但基础设施的建置与消费者的购买意愿仍需要时间布局,从长远规划来看,市场端的需求后势相当可期,也将持续助长SiC话题性。

SiC相关厂商布局积极,营运策略与产业类别多元

从车用SiC产业供应链分析,可看到不仅厂商多元,布局脚步也相当积极,首先在SiC晶圆部份,市场上占比最高的厂商是美国Cree,在晶圆制作技术与良率方面皆有良好表现,市占约6成。

看好未来需求,Cree扩产规划相当积极,2019年5月宣布为期5年的扩产计划,总投资为10亿美元,估计届时在SiC晶圆产能与SiC晶圆制作材料上将提升30倍之多。

有了充足的晶圆产能,旗下Wolfspeed也是生产SiC Diode、SiC MOSFET的主要厂商,相辅相成下将持续拉抬在SiC产业供应链的占比,其余厂商还有美国II‐VI Incorporated、收购DuPont SiC晶圆事业的韩系硅晶圆厂商SK Siltron等。

在SiC芯片制造部分,主要功率半导体IDM厂商皆榜上有名,包括Infineon、ON Semiconductor、STMicroelectronics、ROHM、Mitsubishi Electrics等,是市场上提供SiC芯片与SiC Module的主要厂商。芯片商与模块商在SiC材料上的布局也很积极,包括ROHM收购SiCrystal、STMicroelectronics收购Norstel、Infineon收购Siltectra借助冷切技术提升元件制作效率等。

另外,在车用Tier 1厂商与整车厂部份,例如日前Robert BOSCH即宣布,2020年将进军以SiC碳化硅晶圆做基底生产车用微芯片,主要用在AC/DC转换,全力助攻主要客户抢占电动汽车市场,而日本厂商DENSO亦有自己生产相关芯片的能力。

在车厂方面,陆系车厂比亚迪(BYD)有自研SiC及扩大SiC功率元件的规划,投入巨资布局SiC建立完整产业链,将整合材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延片(Epitaxy)、芯片、模块封装等,致力于降低SiC元件的制作成本,加快其在电动汽车领域的应用。

而在台系供应链方面,主要有硅晶圆厂环球晶与GTAT签订长约,以取得长期稳定的SiC高质量碳化硅晶球供应,致力扩展SiC晶圆供应链占比;汉磊提供SiC Diode、SiC MOSFET代工服务;嘉晶提供SiC磊晶代工服务;升阳半导体提供晶圆薄化服务;瀚薪科技则聚焦SiC与GaN的元件开发,持续增加技术实力,逐渐让自家产品能跟国际大厂相抗衡。

然较可惜的是,由于台湾地区缺乏本土汽车产业的助益,车用芯片渗透率并不高,加上主要汽车厂商多半以长期合作的Tier 1或芯片商合作,台系厂商要切入汽车供应链仍有些许困难待克服,包括长期的车规认证及建立客户采买意愿等,目前较有获利效益的应用仍以工业电源管理与通讯方面为主,在车用SiC产业供应链要能有一定程度的占比尚需持续努力。

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