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

在SiC如日中天的大環境下，IGBT又為何還能如此香？聯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雖然具有一些優越的特性，但并不適用于所有應用場景。SiC晶體管具有更高的開關速度、更低的導通電阻和更高的耐壓能力等優點，這使得它們非常適合高頻、高壓等應用場景，在600–1,700V范圍應用上SiC功率器件具有很大的優勢，尤其是新能源汽車領域，傳統硅基IGBT芯片在高壓快充車型中已經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生產過程也更加復雜。SiC價格較高的主因是因為SiC襯底導致：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則需要數百小時。因此，SiC產業鏈的實際控制權掌握在襯底供應商中。除此之外，其他生產成本也比Si高，但相對襯底所占的比重則較小，SiC加工生產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，生產技術成熟，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的結構相對簡單，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、大電流的應用場景。譬如在DC-DC這種對環境要求不是很高、對重量和空間要求也不高的充電樁領域，想要替代成本具有優勢的IGBT有很大的難度。

因此，SiC并不能完全替代IGBT。

此前有業內人士透露，“SiC就像一個聰明而又個性極強的少年，優點突出，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。”

英飛凌科技高級副總裁、汽車電子事業部大中華區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用，硅基仍然頗具競爭力。我們認為在汽車領域，Si跟SiC在中長期一定會是并存的。”

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

特斯拉減少SiC，繼續擁抱硅

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%，這引起了行業的一波震動。75%可不是一個小數字！通過減少SiC在內的多個硅材，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一款新的入門級車型——Model 2或Model Q，它將比現有車輛更便宜、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 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備制造商效仿，或再引發對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內處于有利地位。

結語

總的來說，IGBT和SiC甚至是GaN都是當下市場應用中十分重要的半導體器件，他們在電力電子領域和其他多個領域中都有著廣泛的應用。雖然IGBT存在一些缺陷和不足，但隨著技術的不斷發展和創新，SiC和IGBT在競爭中互補，在競爭中聯合。未來，IGBT將繼續為電子電力領域發光發熱。

編輯：黃飛

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