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第三代半導體處在黃金賽道 新能源汽車或是主力市場

2021-12-09 08:40:57來源:中國汽車報網

新材料正在重塑全球半導體產業競爭新格局。業內人士希望到2025年,碳化硅的供應商有足夠的產能,否則這個行業或許會面臨供需不衡問題。雖然市場空間巨大,但其大規模商用仍需跨越多個方面的關卡。

在“新基建”和“雙碳”目標的推動下,我國第三代半導體產業正加速發展,有望成為綠色經濟的中流砥柱,引領新一輪產業革命。

而以碳化硅為代表的第三代半導體,也是支撐新能源汽車發展的關鍵技術之一,在電機控制器、車載充電器、DC/DC轉換器等零部件中發揮重要的作用。雖然其在汽車行業大規模普及尚待時日,但國內外企業瞄準第三代半導體的競爭已經開啟。

第三代半導體處在黃金賽道

從上世紀90年代才真正起步,中國半導體產業可謂一直在“自主可控”的道路上奮進。隨著第三代半導體嶄露頭角,我國半導體產業也迎來了新的發展契機。更為重要的是,我國正處在碳達峰階段,并將逐步過渡到碳中和時代,汽車領域的電氣化必將為其提供有力支撐。

從半導體的發展歷史看,硅、鍺為第一代半導體;砷化鎵、磷化銦為第二代半導體的代表;發展到第三代半導體,涌現出碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料。其中,碳化硅、氮化鎵目前是技術相對成熟的材料。

在電力電子領域,電力供應與傳輸的開和關,可以用半導體的導電和不導電來實現,從而構成了功率半導體的基礎。而功率半導體,正是第三代半導體的主要用武之地。據悉,第三代半導體的應用場景通常為高溫、高壓、高功率場景,器件需要具有較好的耐高溫和散熱能,以保證其工作壽命。第三代半導體主要應用于功率器件和射頻器件。從應用場景來看,碳化硅器件更適合高壓和高可靠情景,應用在新能源汽車和工控等領域,氮化鎵器件更適合高頻情況,應用在5G基站等領域。

業界普遍認為,碳化硅是第三代半導體材料的代表,也是未來能源、交通、制造等領域的重要支撐技術。碳化硅的熱導率約是氮化鎵熱導率的3倍,具有更強的導熱能,器件壽命更長,可靠更高,系統所需的散熱系統更小。

當前,第三代半導體正處于快速發展的黃金賽道。2020年,我國第三代半導體產業電力電子和射頻電子總產值超過100億元,同比增長69.5%。其中,碳化硅、氮化鎵電力電子產值規模達44.7億元,同比增長54%。

從第三代半導體產業發展情況來看,全球市場基本形成了美國、歐洲、日本企業三足鼎立的態勢。雖然與國際巨頭仍有一定差距,但隨著下游市場的需求拉動,我國企業也開始奮起直追。

“新材料正在重塑全球半導體產業競爭新格局。”第三代半導體產業技術創新戰略聯盟理事長吳玲說道。

新能源汽車或是主力市場

碳化硅功率器件被廣泛應用于新能源汽車中的主驅逆變器、DC/DC轉換器、充電系統中的車載充電機和充電樁等,以及光伏、風電等領域。受益于新能源汽車推廣,碳化硅功率器件市場有望迎來快速增長。資料顯示,到2025年,新能源汽車與充電樁領域的碳化硅市場將達17.78億美元(約合人民116.81億元),約占碳化硅總市場規模的七成。

“希望到2025年,碳化硅的供應商有足夠的產能,否則這個行業或許會面臨供需不衡問題。”半導體研究咨詢公司Yole功率與無線部門總監克萊爾·特勞德克指出,碳化硅模塊在IGBT市場的應用不斷增長,碳化硅技術及基礎器件未來發展空間巨大,這也是越來越多企業在這個領域加大投入的原因。

北京天科合達半導體股份有限公司副總經理劉春俊表示,由于碳化硅具有開關速度快、開關損耗小的優勢,是實現新能源汽車電機控制器功率密度提升的關鍵要素。事實上,行業人士已形成共識,第三代半導體碳化硅的普及和應用是電驅動系統發展的必然趨勢。

據記者了解,采用碳化硅器件的電驅系統,體積可減小40%,重量可減輕30%,效率可提升10%。同時,碳化硅器件的能量損失更小。相較于硅基IGBT,采用碳化硅MOSFET的電動汽車,續駛里程更長,可增加5%~10%,因為減少能量損耗能夠直接提高車輛續駛里程。

得益于碳化硅材料的獨特優勢,年來,產業鏈上下游企業紛紛對此展開布局。當前,碳化硅二極管和MOSFET管器件在新能源汽車的車載電源系統上已獲得應用,而行業也在期待碳化硅功率模塊在新能源汽車上全面替代硅基IGBT模塊。

特勞德克介紹稱,目前碳化硅市場占比不足4%,但到2026年前后,這個數字有望增至30%,氮化鎵占比或達5%,碳化硅和氮化鎵在今后的功率半導體市場會有更多的增長機會。

此外,儲能市場也是碳化硅應用的重要領域。根據中商情報網數據,使用碳化硅功率器件可使轉換效率從96%提高至99%以上,能量損耗降低50%以上,設備循環壽命提升50倍。

深圳古瑞瓦特新能源有限公司副總經理兼研發總監吳良材表示,發展家庭能源系統在歐美市場是比較流行的一個趨勢。整個家庭中的能源由光伏提供,包含光伏儲能與電動汽車。碳化硅高導熱、高耐溫、寬禁帶和高擊穿場強的能非常適合這一場景應用。事實上,特斯拉就已構建一個以太陽能屋頂系統和Powerwall為核心的能源系統,其投建光儲充一體化超級充電站工作原理是將太陽能轉化為電能,并通過Powerwall存儲相關能量,并將這些電能再以充電的形式補給電動汽車,由此形成一個能量使用的閉環。

全產業鏈布局競爭暗流涌動

當前,全球多個國家和地區對碳化硅的發展都有比較明確的產業政策,企業間的競爭也不斷加速。目前,碳化硅器件市場的頭部企業包括意法半導體、Wolfspeed、羅姆半導體、英飛凌、艾森美、三菱電機等。這些企業對于碳化硅板塊未來的預期都非常高。

一些整車企業在碳化硅的應用上也較為積極。特斯拉是率先使用碳化硅功率器件的車企,其Model 3、Model Y采用意法半導體的碳化硅MOSFET模塊,顯著提升了車輛續駛里程和其他能。2020年,比亞迪高端車型“漢”也配裝碳化硅功率模塊。比亞迪預計到2023年,將在旗下電動汽車上實現碳化硅器件對硅基IGBT器件的全面替代。

據悉,不少車企已將碳化硅電機控制器列入新項目開發計劃。小鵬汽車、蔚來汽車都官宣,要使用碳化硅的工藝器件模塊。此外,豐田、大眾、北汽、一汽、理想汽車業都有使用碳化硅工藝器件的計劃。

在劉春俊看來,國際上碳化硅的產業鏈已完全成熟,中國的碳化硅產業鏈發展比較快,目前形成了完全的產業鏈,從襯底-外延-器件-應用,我國企業都占據了一定的市場份額和地位。

以英飛凌的IGBT為例,國內企業的IGBT產品與之相比至少還有兩代以上的差距,約為8~10年。因此,國內碳化硅企業肩負著攻克“卡脖子”技術的使命。

有業內人士對記者表示,國內外約有碳化硅器件企業20多家,能夠供應碳化硅MOSFET的企業也不斷出現。自主碳化硅器件與碳化硅電機的商業化落地,不僅意味著新技術的飛躍,而且將進一步打破IGBT被外資企業壟斷的局面。

據劉春俊介紹,天科合達半導體完成了6英寸導電型和半圓型碳化硅襯底的產業化,“未來5年,6英寸產品將是市場的主流,8英寸產品也在逐步量產,我們計劃明年實現量產,其他家也在積極做量產的準備。”

“隨著技術的進步和成本的降低,未來碳化硅將會在更多的領域得到應用。”南京大學教授李哲洋稱,碳化硅芯片在較高的溫度下工作,同時擁有低的損耗(導通損耗和開關損耗),系統集成的時候使用較小的冷卻系統,在提高效率的同時系統耗損減少,適用于新能源汽車快充。

產業化仍需跨越諸多挑戰

“十四五”規劃指出,要推動第三代半導體產業迅速發展。我國也陸續出臺相關政策,為第三代半導體產業的發展提供支持。

日,北京市印發《北京市“十四五”時期國際科技創新中心建設規劃》,提出支持開展關鍵新材料“卡脖子”技術攻關,搭建硅基光電子、第三代半導體器件等重點領域共技術臺,加速技術及產品研發進程;圍繞碳化硅、氮化鎵等高品質材料、器件、核心設備,打造第三代半導體高端產業鏈。

今年3月,科技部正式批復了《支持廣東省建設國家第三代半導體創新中心》,支持設置深圳臺,聚焦第三代半導體關鍵核心技術和重大應用突破,統籌全國優勢力量為第三代半導體提供源頭技術供給,推動我國第三代半導體產業創新能力整體躍升。

基本半導體汽車行業總監文宇對記者表示,新能源汽車的快速增長將極大地提升碳化硅功率模塊的需求,預計行業將在2023年迎來碳化硅電機控制器的量產爆發。

根據Yole公司的研究,2018年碳化硅功率器件市場規模約4億美元,2024年這個數字將增至50億美元,年復合增速約51%,而2027年碳化硅功率器件市場規模有望達到172億美元。雖然市場空間巨大,但碳化硅的大規模商用仍需跨越多個方面的關卡。

“成本一直是碳化硅器件應用的一只攔路虎。”李哲洋介紹稱,目前有幾個途徑可降低成本,一是擴產,幾家大型供應商進行了較大規模的擴產,并進一步加大相關投入;二是技術創新,例如豐田采用表面納米工藝,實現了零缺陷的6英寸襯底,從而大大提高了其使用效率,日本住友通過溶液單晶生長方法,最獲得了了使用面積高達99%的6英寸襯底,生長速率達到了2毫米/小時。

此外,碳化硅產品還面臨可靠和應用方面的挑戰。據悉,目前掌握MOSFET氧化層核心技術的公司較少;針對一些應用場景,碳化硅的解決方案設計難度增加;新冠肺炎疫情的反復降低了工作效率。

業內人士告訴記者,碳化硅良品率提升是產業發展的關鍵,碳化硅長晶技術難度較高,良品率提升困難,如果碳化硅生產良品率不及預期,第三代半導體應用普及速度面臨挑戰。

劉春俊稱,碳化硅未來將朝著大尺寸特別是8英寸發展,此外會不斷降低成本,并減小缺陷密度,提供高質量產品。

“從系統集成的角度,如何衡碳化硅產品的優勢和挑戰以及成本問題,是產業界需要共同探討和解決的問題。”采埃孚(中國)投資有限公司電控開發高級經理魏俊生指出,“這些方面其實是相輔相成的,通過更好的系統集成和更好的產品應用,能實現器件成本的優化。”(記者:趙玲玲)

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