随着新能源汽车技术的快速发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和SiC（碳化硅）功率器件在汽车中的应用越来越广泛。这两种器件各自具有独特的性能优势，能够显著提升新能源汽车的性能和效率。
1. IGBT在新能源汽车中的应用
IGBT是一种复合型功率半导体器件，结合了MOSFET的高输入阻抗和双极型晶体管的低导通压降特性，广泛应用于新能源汽车的以下领域：
主驱逆变器：IGBT是传统主驱逆变器的核心器件，用于将电池的直流电转换为电机所需的交流电。其高电流承载能力和低导通压降使其能够高效地驱动电机，满足车辆的动力需求。
车载充电器（OBC）：IGBT用于OBC中，将交流电转换为直流电，为电池充电。尽管其开关频率相对较低，但IGBT的高耐压特性和可靠性使其成为OBC的理想选择。
DC-DC转换器：IGBT用于将高压电池的直流电转换为低压直流电，为车内的低压电器设备供电。其高耐压和高电流特性确保了转换过程的稳定性和效率。
高压平台支持：在400V及以下的电压平台中，IGBT是主流选择。其成熟的技术和较低的成本使其在中低端新能源汽车中得到广泛应用。
2. SiC功率器件在新能源汽车中的应用
SiC功率器件（如SiC MOSFET）凭借其高开关频率、低导通损耗和高耐压特性，正在逐渐取代传统IGBT，成为新能源汽车中的重要技术。以下是其主要应用领域和优势：
主驱逆变器：
高功率密度与效率提升：SiC MOSFET的高频特性使其能够在更小的体积内实现更高的功率输出，功率密度可提升约3倍。相比传统IGBT，SiC MOSFET的低导通损耗和低开关损耗显著提高了逆变器的效率。
续航里程增加：SiC逆变器的高效能特性减少了电能损耗，从而延长电动汽车的续航里程，通常可增加约10%。
小型化与轻量化：SiC器件的高频特性允许使用更小的磁性元件和电容，进一步减小逆变器的体积和重量，节省车内空间。
高温稳定性：SiC材料的高熔点和良好热导率使其能够在高温环境下稳定工作，减少对复杂散热系统的依赖。
车载充电器（OBC）：
高效充电：SiC器件的应用显著提升了OBC的充电效率，支持更高的充电功率。例如，采用SiC技术的OBC可在短时间内将电池电量从20%充至80%，大大缩短了充电时间。
简化散热系统：SiC的高耐热性和低损耗特性降低了OBC的散热需求，从而简化了冷却系统结构，降低了系统复杂性和成本。
DC-DC转换器：
高效率与小型化：SiC器件能够提高DC-DC转换器的电压转换效率，减少能量损耗，并实现小型化设计，节省车内空间。
稳定供电：SiC技术确保为车内各种低压电器设备（如音响系统、车灯等）提供稳定的电力。
其他应用：
电动压缩机和PTC加热器：SiC器件在这些部件中的应用提升了系统的效率和可靠性。
高压平台支持：在800V高压平台中，SiC器件已成为标配，能够更好地支持高功率和大扭矩的驾驶体验。
3. 市场趋势与成本
成本降低：尽管SiC器件的初始成本较高，但随着技术进步和市场规模扩大，其成本正在逐步降低。未来几年，SiC器件的价格有望降至与硅基IGBT相近的水平。
应用普及：随着800V高压平台的普及，SiC器件在高端车型中的应用将更加广泛。其在效率、功率密度和可靠性方面的优势使其成为未来新能源汽车的关键技术。
IGBT和SiC功率器件在新能源汽车中各有应用。IGBT凭借其成熟的技术和较低的成本，仍然是400V及以下电压平台的主流选择。而SiC功率器件则凭借其高效率、高功率密度和高温稳定性，正在逐渐成为800V高压平台和高端车型的首选。随着技术的不断进步和成本的降低，SiC器件的应用范围将进一步扩大，为新能源汽车的发展提供更强有力的支持。
IGBT功率器件的工作过程及工作原理
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）是一种复合型功率半导体器件，结合了MOSFET的高输入阻抗、易驱动和双极型晶体管的低导通压降特性。其工作过程如下：
导通过程：当在IGBT的栅极和发射极之间施加正向电压时，MOSFET部分导通，形成导电沟道，电流从集电极流向发射极，IGBT进入导通状态。
截止过程：当栅极和发射极之间的电压为零或负时，MOSFET部分关闭，导电沟道消失，IGBT进入截止状态。
开关特性：IGBT的开关速度较快，适合高频应用。但在开关过程中需要控制好栅极驱动电压，以避免过高的开关损耗。
IGBT功率器件的主要厂家
国际厂商
英飞凌（Infineon）：全球领先的半导体公司，专注于汽车和工业功率器件，IGBT产品广泛应用于汽车、工业、可再生能源等领域。
安森美（onsemi）：提供全系列高、中、低压功率分立器件及先进功率模块方案，包括IGBT、MOSFET等。
三菱电机（Mitsubishi Electric）：在IGBT模块和功率器件领域具有深厚的技术积累，产品广泛应用于工业自动化和新能源领域。
国内厂商
比亚迪半导体：掌握IGBT芯片设计、制造及模块封装的完整产业链，产品应用于新能源汽车。
斯达半导体：国内IGBT领域的知名企业，产品涵盖IGBT模块、MOSFET等，广泛应用于新能源汽车、光伏、变频器等领域。
士兰微电子：具备完整的IDM模式，IGBT产品覆盖多种电压和电流等级。
华润微电子：拥有8英寸晶圆生产线，IGBT产品已应用于汽车、光伏等领域。
中车时代电气：国内领先的IGBT制造商，产品应用于轨道交通和新能源领域。
台基股份：专注于大功率半导体器件，IGBT模块已实现量产。
这些厂商在IGBT领域各有优势，国际厂商在技术成熟度和市场份额上占据领先地位，而国内厂商则在快速崛起，逐步实现进口替代。
SiC MOSFET与传统IGBT的成本差距
根据最新的市场分析和研究数据，SiC MOSFET与传统IGBT之间的成本差距仍然较为显著。以下是具体对比：
当前成本差距
截至2023年，1200V/100A的SiC MOSFET价格约为传统硅基IGBT的3-4.5倍。例如，100A的SiC MOSFET（650V和1200V）零售价格几乎是同等规格IGBT的3倍。
成本差距的原因
SiC衬底成本高：SiC衬底的生产过程复杂且成本高昂，其价格是硅衬底的30-50倍。SiC衬底的生产需要更高的温度（2200°C）和更长的时间，且最终可用的晶锭长度较短，导致成本居高不下。
制造工艺复杂：SiC MOSFET的外延生长和器件制造需要更高的温度和更昂贵的材料，进一步推高了成本。
良率较低：SiC器件在衬底生长、外延和制造过程中容易出现缺陷，影响良率，从而增加了单位成本。
未来成本趋势
尽管当前SiC MOSFET的成本较高，但随着技术进步和市场需求增长，其成本有望逐步下降：
短期（2-3年）：预计SiC MOSFET的成本将降至IGBT的2-2.5倍。这主要得益于制造工艺的改进和更大晶圆尺寸（如200mm）的应用。
长期（5-10年）：到2030年，SiC MOSFET的成本预计将进一步降低至IGBT的1.3-1.9倍。然而，IGBT技术也在不断进步，其成本也在逐步下降。
成本效益分析
尽管SiC MOSFET的单价较高，但在系统层面，其高效率和高功率密度可以带来整体成本的降低。例如：
SiC MOSFET可以减少电机控制器的体积和重量，从而降低散热系统和被动元件的成本。
在电动汽车中，SiC MOSFET的高效率可以减少电池容量需求，从而节省电池成本。
未来趋势
随着新能源汽车和数据中心的蓬勃发展，IGBT和SiC的市场规模与应用场景正不断扩大。这一趋势不仅推动了传统企业技术的持续演进，也吸引了众多新兴创业公司的纷纷入局。例如，近期备受关注的CGPS公司，便凭借其在第三代半导体技术领域的深厚积累，专注于开发下一代高性能的功率驱动解决方案，为行业带来了新的活力与突破。
