芯耀
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隨著全球特別是中國新能源汽車市場滲透率的快速提升，強(qiáng)勁的上車需求疊加巨大的產(chǎn)能缺口，碳化硅這條“賽道”愈發(fā)呈現(xiàn)出欣欣向榮之勢。不管是汽車產(chǎn)業(yè)鏈上游的芯片企業(yè)和一級零部件供應(yīng)商，還是下游傳統(tǒng)車企和造車新勢力，都在瘋狂押注碳化硅，合資建廠、擴(kuò)大產(chǎn)能、簽署供貨協(xié)議等等消息接踵而至。那么如此瘋狂的碳化硅半導(dǎo)體究竟有什么魔力，這就需要從其材料本身的性能來看。
? 碳化硅半導(dǎo)體的性質(zhì)與優(yōu)勢??
碳化硅（SiC）是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料。與Si相比，SiC在耐高壓、耐高溫、高頻等方面具備碾壓優(yōu)勢，是材料端革命性的突破。SiC擊穿場強(qiáng)是Si的10倍，這意味著同樣電壓等級的SiC MOSFET外延層厚度只需要Si的十分之一，對應(yīng)漂移區(qū)阻抗大大降低；且SiC禁帶寬度（~3.2 eV）是Si的3倍，導(dǎo)電能力更強(qiáng)。導(dǎo)熱率為硅的4-5倍電子飽和速度是Si的2-3倍，能夠?qū)崿F(xiàn)10倍的工作頻率。
碳化硅半導(dǎo)體的性質(zhì)與優(yōu)勢
基于SiC的功率器件相較Si基器件具有耐高壓、耐高溫、抗輻射、散熱能力佳、更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗、更高的開關(guān)頻率、可減小模塊體積等杰出特性，不僅可廣泛用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)、列車牽引設(shè)備、充電樁、開關(guān)電源、光伏逆變器、伺服電機(jī)、高壓直流輸電設(shè)備等民用場景，還可顯著提升戰(zhàn)斗機(jī)、戰(zhàn)艦等軍用系統(tǒng)裝備的性能。
SiC-MOSFET與IGBT的比較
?新能源汽車?
疊加第三代半導(dǎo)體在我國被賦予的戰(zhàn)略意義，碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展被列入十四五規(guī)劃后以來，就一直走在“風(fēng)口”之上。SiC適合高功率和高頻率應(yīng)用場景，如儲能、風(fēng)電、光伏、軌道交通、新能源汽車等行業(yè)。
以新能源汽車應(yīng)用場景為例，目前市售電動車所搭載的功率半導(dǎo)體多數(shù)為硅基器件，采用Si IGBT技術(shù)的功率模塊仍在電動汽車應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。然而，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，硅基功率器件正在接近材料極限，要進(jìn)一步提高其功率密度非常困難。由于電動車電壓平臺正在從400V向800V以上的高電壓發(fā)展，相較于Si IGBT，SiC MOSFET憑借“耐高壓”、“耐高溫”、和“高頻”特點(diǎn)，在高壓系統(tǒng)中有望快速替代Si IGBT，從而大幅提高汽車性能并優(yōu)化整車架構(gòu)，使新能源汽車具有更低的成本、更長的續(xù)航里程、更緊湊的空間設(shè)計(jì)以及更高的功率密度。
目前，車規(guī)級SiC功率器件主要應(yīng)用于主驅(qū)逆變器、OBC、充電樁等場景。在主驅(qū)逆變器、OBC、DC-DC以及直流充電樁模塊中，SiC MOSFET有望對Si IGBT加速替代。
SiC器件在新能源汽車上的主要應(yīng)用場景
1、SiC MOSFET在主驅(qū)逆變器中的應(yīng)用：降低損耗和系統(tǒng)成本主驅(qū)逆變器將電池中的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電輸送至電機(jī)，是電動汽車的心臟，決定了駕駛行為和車輛的能源效率，也是SiC功率器件用量最大、價值最高的部分。
碳化硅應(yīng)用為主驅(qū)逆變器帶來了更高的逆變器效率、更小的系統(tǒng)尺寸、更低的系統(tǒng)成本和更長的行駛里程。根據(jù)Infineon與Daimler在2018年的測試數(shù)據(jù)，在相同的行駛條件和行駛里程情況下：在配備了1200V SiC MOSFET的400V系統(tǒng)中，逆變器的能耗降低了63%，從而在WLTP工況條件下節(jié)能6.9%；在配備了1200V SiC MOSFET的800V系統(tǒng)中，逆變器能耗降低69%，整車能耗降低7.6%。碳化硅對車輛能耗的降低仍被低估，因?yàn)闆]有考慮電池系統(tǒng)重量減輕的影響。在系統(tǒng)成本方面，盡管SiC MOSFET逆變器是等效Si IGBT價格的2-3倍，然而，由于使用SiC后整車功耗降低，車輛系統(tǒng)效率提高，因此需要更少的電池容量。電池節(jié)省的成本超過了碳化硅逆變器增加的成本，采用800V高壓SiC平臺的系統(tǒng)成本比400V Si IGBT平臺節(jié)省高達(dá)6%。
特拉斯是全球率先采用碳化硅逆變器的車企，其Model 3采用了意法半導(dǎo)體推出的650V SiC MOSFET逆變器，相較Model X等車型上采用的IGBT能帶來5%～8%的逆變器效率提升，對電動車的續(xù)航能力有著顯著提升；之后相繼推出的Model Y以及Model S Plaid也采用了SiC技術(shù)。此外，比亞迪·漢EV高性能四驅(qū)版本也搭載了SiC器件，為國內(nèi)首款采用SiC技術(shù)的車型；蔚來的純電轎車——蔚來 ET7也將搭載采用SiC模塊的第二代電驅(qū)平臺。預(yù)計(jì)未來將有越來越多的新能源車型采用碳化硅器件以替代硅基IGBT，為碳化硅器件帶來巨大的市場需求。
2、車載充電機(jī)（OBC）：車載充電機(jī)（OBC）是將交流充電樁輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸送到動力電池包中，典型電路結(jié)構(gòu)由前級PFC電路和后級DC/DC輸出電路兩部分組成，充電功率范圍從3.3kW至22KW，可支持雙向流動。DC-DC轉(zhuǎn)換器可以將電池中的800V（400V）高壓轉(zhuǎn)換為12V低壓，輸送至低壓系統(tǒng)中，功率約為3KW。應(yīng)用碳化硅獲得更快的開關(guān)頻率FSW、更高的效率、雙向操作、更小的無源元件、更小的系統(tǒng)尺寸和更低的系統(tǒng)成本。OBC二極管和開關(guān)管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要應(yīng)用的功率器件。采用SiC替代可實(shí)現(xiàn)更低損耗、更小體積及更低的系統(tǒng)成本。
根據(jù)Wolfspeed的研究，采用全SiC MOSFET方案的22kW雙向OBC，可較Si方案實(shí)現(xiàn)功率器件和柵極驅(qū)動數(shù)量都減少30%以上，且開關(guān)頻率提高一倍以上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化和整體運(yùn)行效率提升。SiC系統(tǒng)在3kW/L的功率密度下可實(shí)現(xiàn)97%的峰值系統(tǒng)效率，而Si OBC僅可在2kW/L的功率密度下實(shí)現(xiàn)95%的效率。同時，進(jìn)一步拆分成本，由于SiC器件的性能可減少DC/DC模塊中所需大量的柵極驅(qū)動和磁性元件。因此，盡管相比單個Si基二極管和功率晶體管，SiC基功率器件的成本更高，但整體全SiC方案的OBC成本可節(jié)約15%左右。
車載充電機(jī)結(jié)構(gòu)圖
? 直流充電樁??
直流充電樁又稱快充充電樁，內(nèi)部包含電源模塊、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、通信及控制系統(tǒng)、讀卡及授權(quán)系統(tǒng)等，其中電源模塊是核心部件，占設(shè)備總成本的50%，可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電為汽車動力電池充電。因SiC基晶體管可以實(shí)現(xiàn)比硅基功率器件更高的開關(guān)頻繁，因此可以提供高功率密度、超小的體積，將在直流充電樁應(yīng)用領(lǐng)域加速市場滲透。
直流充電樁通常采用15-50kW的AC-DC和DC-DC電源模塊，并根據(jù)充電位置和車輛類型進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足更高或更低的功率需求。通過模塊的并聯(lián)堆疊組合可實(shí)現(xiàn)150 kW快充樁以及350 kW超充樁的功率需求。以25 kW充電樁模塊為例，需要并聯(lián)6個模塊實(shí)現(xiàn)150 kW充電樁功率，而250 kW的充電樁需要并聯(lián)10個25 kW功率模塊。350 kW功率的超充樁，則可以使用6個60 kW模塊并聯(lián)，由于60 kW模塊采用更高電壓器件、更先進(jìn)的封裝和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以有效減少芯片數(shù)量并降低系統(tǒng)成本。根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，25 kW功率的充電樁模塊，大約需用到16-20個1200V SiC MOSFET單管。
?不只是“上車”，還有“上天”
碳化硅的應(yīng)用能夠非常直接地提升新能源汽車的續(xù)駛里程、實(shí)現(xiàn)對超級快充功能的支持以及帶來更強(qiáng)大的智能化／電氣化功能等等。在大功率應(yīng)用中，碳化硅的發(fā)揮空間依舊很大，這其中就包括電動飛機(jī)。
近日，利普思HPD系列SiC模塊產(chǎn)品順利通過了歐洲知名航空設(shè)備廠家測試驗(yàn)證。據(jù)悉，該企業(yè)為法國某靜壓傳動巨頭旗下一家專注于高端領(lǐng)域應(yīng)用的電驅(qū)動系統(tǒng)的公司，其產(chǎn)品廣泛用于航空、海事、工業(yè)和各種大型非道路機(jī)械領(lǐng)域。
早在去年11月，據(jù)外媒透露，空客的電動飛機(jī)就已經(jīng)采用了碳化硅逆變器，并且接近商用。據(jù)悉，空客正在測試的電動飛行平臺FlightLab包括四個主要組件，分別是電機(jī)、電池、逆變器以及控制臺。其中，F(xiàn)lightLab的EBS 系統(tǒng)（發(fā)動機(jī)備用系統(tǒng)）中搭載了碳化硅逆變器，將電池直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，能夠在連續(xù)2分鐘內(nèi)持續(xù)提供150kW的功率，同時實(shí)現(xiàn)輕量化（15公斤）。此外，F(xiàn)lightlab的DC/DC也采用了碳化硅，其將500V電池系統(tǒng)電壓降低至28V，為飛機(jī)內(nèi)的發(fā)動機(jī)以及電力設(shè)備等提供所需電力。
? 軌道交通??
碳化硅功率器件相較傳統(tǒng)硅基IGBT能夠有效提升開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗，其高頻化可以進(jìn)一步降低無源器件的噪聲、溫度、體積與重量，提升裝置應(yīng)用的機(jī)動性、靈活性，是新一代牽引逆變器技術(shù)的主流發(fā)展方向。在“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)指引下，碳化硅功率器件將加速在軌道交通領(lǐng)域的滲透。目前株洲中車時代聯(lián)合深圳地鐵集團(tuán)基于3300V等級高壓大功率SiC MOSFET的高頻化應(yīng)用自主開發(fā)了地鐵列車全碳化硅牽引逆變器，在節(jié)能方面表現(xiàn)優(yōu)異，經(jīng)裝車試驗(yàn)測試，同比傳統(tǒng)硅基IGBT牽引逆變器的傳動系統(tǒng)，綜合能耗降低10%以上，牽引電機(jī)在中低速段噪聲同比下降5分貝以上，溫升同比降低40℃以上。
? ?光伏與風(fēng)電? ?
太陽能和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)是分別利用光伏電池板和風(fēng)力帶動發(fā)電機(jī)，直接將太陽能或風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，都需要以逆變器作為接口連接電網(wǎng)從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。為實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，對逆變器提出了更為嚴(yán)苛的要求，需要相關(guān)半導(dǎo)體器件具有較大的擊穿場強(qiáng)、耐高溫、耐高壓并能夠工作在更高的開關(guān)頻率下。傳統(tǒng)硅基器件由于材料固有特性限制了其在高溫、高壓、高效率場景的應(yīng)用。SiC基功率器件是其完美替代者，其中SiC MOSFET是高速低損耗功率開關(guān)中最有前景的器件之一。目前陽光電源應(yīng)用SiC器件的組串逆變器已廣泛應(yīng)用于全球市場；國家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院自主開發(fā)了全球首個超薄全碳化硅高頻隔離光伏逆變器，與現(xiàn)有光伏逆變器相比具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，既降低了系統(tǒng)成本，又提高了系統(tǒng)效率和系統(tǒng)安全性，可以以此構(gòu)建低成本高效率的光伏建筑一體化電氣系統(tǒng)。
據(jù)天科合達(dá)招股書，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占光伏發(fā)電系統(tǒng)10%，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。根據(jù)英飛凌，使用SiC MOSFET功率模塊的光伏逆變器，其轉(zhuǎn)換效率可從98.8%提升至99%以上，能量損耗降低8%，相同條件下輸出功率提升27%，推動發(fā)電系統(tǒng)在體積、壽命及成本上實(shí)現(xiàn)重要突破。英飛凌最早于2012年推出Cool SiC系列產(chǎn)品應(yīng)用于光伏逆變器，2020年以來，西門子、安森美等眾多廠商陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品，碳化硅光伏逆變器應(yīng)用進(jìn)一步推廣。據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2020年光伏逆變器中碳化硅器件滲透率為10%，預(yù)計(jì)2025年將增長至50%。高效、高功率密度、高可靠和低成本為光伏逆變器未來發(fā)展趨勢，SiC器件有望迎來廣闊增量空間。
? 智能電網(wǎng)??
傳統(tǒng)電網(wǎng)正在向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，智能化電網(wǎng)設(shè)備及更優(yōu)良器件的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)其集智能、靈活、互動、兼容、高效等多功能于一體的關(guān)鍵。傳統(tǒng)硅基電力電子變壓器已在小功率電網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了部分應(yīng)用，但由于損耗大、體積大等缺陷尚無法在高壓大功率的輸電領(lǐng)域展開應(yīng)用。比如目前商用硅基IGBT的最大擊穿電壓僅為6.5kV，所有的硅基器件都無法在200℃以上正常工作，很大程度上降低了功率器件的工作效率。而碳化硅基功率器件能很好地解決這些問題，碳化硅功率器件關(guān)斷電壓最高達(dá)200kV和工作溫度高達(dá)600℃。碳化硅基功率開關(guān)由于具有極低的開啟態(tài)電阻，并且能應(yīng)用于高壓、高溫、高頻場合，是硅基器件的理想替代者，另如果使用碳化硅功率模塊，與使用硅功率電源裝置相比，由開關(guān)損失引起的功率損耗可降低5倍以上，體積與重量減少40%，將對未來電網(wǎng)形態(tài)和能源戰(zhàn)略調(diào)整產(chǎn)生重大影響。
?工業(yè)控制??
基于SiC的功率半導(dǎo)體器件可在高溫、高壓、高頻、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下工作，性能優(yōu)勢突出，將其應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，不僅可降低驅(qū)動器的體積、重量、損耗，提升功率密度，還能有效減少音頻噪聲并提升電機(jī)響應(yīng)性能，這對于我國突破高端伺服電機(jī)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)高性能伺服電機(jī)及驅(qū)動器國產(chǎn)化具有重要意義。邁信電氣與英飛凌合作開發(fā)了基于SiC MOSFET自然散熱設(shè)計(jì)的一體化伺服電機(jī)系統(tǒng)，其功率板選用6顆30mΩ-SMD封裝的CoolSiC? MOSFET，具有較低的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、優(yōu)異的開關(guān)速度可控性和散熱性能。
? 射? 頻??
5G推動GaN-on-SiC需求提升5G發(fā)展推動碳化硅基氮化鎵器件需求增長，市場空間廣闊。微波射頻器件中功率放大器直接決定移動終端和基站無線通訊距離、信號質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)，5G通訊高頻、高速、高功率特點(diǎn)對其性能有更高要求。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備碳化硅高導(dǎo)熱性能和氮化鎵高頻段下大功率射頻輸出優(yōu)勢，在功率放大器上的應(yīng)用可滿足5G通訊對高頻性能、高功率處理能力要求。當(dāng)前5G新建基站仍使用LDMOS功率放大器，但隨5G技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，MIMO基站建立需使用氮化鎵功率放大器，氮化鎵射頻器件在功率放大器中滲透率將持續(xù)提升。據(jù)Yole和Wolfspeed預(yù)測，2024年碳化硅基氮化鎵功率器件市場有望突破20億美元，2027年進(jìn)一步增長至35億美元。根據(jù)我們的預(yù)測，受益5G通訊快速發(fā)展，通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設(shè)備需要支持高頻性能的PA，碳化硅基氮化鎵射頻器件相比硅基LDMOS和GaAs的優(yōu)勢將逐步凸顯，我們測算2020年全球碳化硅射頻器件市場規(guī)模為8.92億美元，預(yù)計(jì)到2025年將增長至21.21億美元，對應(yīng)CAGR為18.9%，和Yole和Wolfspeed預(yù)測基本一致。
不同材料微波射頻器件應(yīng)用范圍對比（左）；碳化硅基氮化鎵射頻器件市場規(guī)模展望（右）
? ?家? 電? ?
以空調(diào)為代表，為進(jìn)一步減小電抗體積，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)效率，變頻空調(diào)PFC頻率已由目前主流的40kHZ，向70kHZ、80kHZ甚至更高的頻率設(shè)計(jì)，這對IGBT和FRD提出了越來越高的高頻要求。目前已有空調(diào)廠家開始選用碳化硅二極管，比傳統(tǒng)硅快回復(fù)二極管具有更小的正向導(dǎo)通壓降，更高的耐溫及高溫穩(wěn)定性，PFC效率能提升0.7～1個百分點(diǎn)，由于碳化硅二極管反向恢復(fù)時間很短，減輕了加在IGBT上的漏電流，可使IGBT溫度降低約2℃～3℃，提升了系統(tǒng)整體性能和可靠性。對于IGBT來說，碳化硅MOS是一個不錯的選擇；同時集成碳化硅二極管+IGBT或碳化硅MOS的模塊也是一個較優(yōu)選擇。
理論上，只要是PFC或者升壓電路、高壓或高功率電源場景都會有碳化硅的應(yīng)用機(jī)會，比如TV（商用顯示器或者特殊功能顯示器）、商用滾筒洗衣機(jī)、高端微波爐、高端電飯煲等，及其他大于500W的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路。且功率越大，電壓越高的場合，用碳化硅的優(yōu)勢越明顯，能夠提高系統(tǒng)效率，減小板子尺寸，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)，可靠性更高的產(chǎn)品。
目前瑞能半導(dǎo)體的碳化硅產(chǎn)品已經(jīng)批量供貨給國內(nèi)主要空調(diào)廠商使用；而以美的、格力為代表的家電廠商目前也正在重點(diǎn)布局碳化硅功率器件領(lǐng)域，其中2019年，美的與三安光電進(jìn)行合作共同成立第三代半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室，聚焦在GaN、SiC半導(dǎo)體功率器件芯片與IPM（智能功率模塊）的應(yīng)用電路相關(guān)研發(fā)，并將其導(dǎo)入白色家電；2021年，格力公開了“碳化硅肖特基半導(dǎo)體器件”專利，可以在降低正向工作電壓的同時，提高擊穿電壓，因而能夠降低正向?qū)〒p耗，提高工作效率。
快充電源??
近年來，隨著USB PD快充技術(shù)的普及和氮化鎵技術(shù)的成熟，大功率快充電源市場逐漸興起，碳化硅二極管可助力快充電源實(shí)現(xiàn)更高的效率和更小的體積，逐漸在消費(fèi)類電源市場中嶄露頭角，目前倍思120W快充、MOMAX 100W快充，以及REMAX 100W快充率先導(dǎo)入了碳化硅技術(shù)。在大功率快充電源產(chǎn)品中，碳化硅二極管主要用于PFC級的升壓整流，其搭配氮化鎵功率器件，可以將PFC級的工作頻率從傳統(tǒng)快充的不足100KHz提升到300KHz，不僅減小升壓電感體積，實(shí)現(xiàn)高功率密度的設(shè)計(jì)，同時也讓電源的效率得到了大幅提升。
IGBT因同時具有MOSFET易于驅(qū)動，控制簡單，開關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，以及功率晶體管導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大的性能特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于不間斷電源系統(tǒng)（UPS）。使用IGBT的UPS具有效率高、抗沖擊能力強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但有一個明顯的缺點(diǎn)，即開關(guān)的速度越快（以獲得更高的精度），電力損失就越高。而采用碳化硅則可改變這一缺陷，應(yīng)用在UPS上可實(shí)現(xiàn)更加高效節(jié)能。模塊層面上，碳化硅主要有兩個優(yōu)點(diǎn)：更小的芯片尺寸和更低的動態(tài)損耗。更低的動態(tài)損耗可帶來輸出功率的顯著增加，且無需額外的冷卻能力，將提供減輕重量和減小體積的機(jī)會。
碳化硅在大功率LED方面具有非常大的優(yōu)勢，基于碳化硅的LED能夠?qū)崿F(xiàn)亮度更高、能耗更低、使用周期更長、單位芯片面積更小。碳化硅LED照明設(shè)備能將原LED燈使用數(shù)量下降1/3，成本下降40～50%，而亮度卻提高兩倍，導(dǎo)熱能力提高10倍以上。如果大規(guī)模使用碳化硅LED照明替代白熾燈及熒光燈，對于我國節(jié)約用電，減少煤炭的消耗與CO2的排放具有重大意義。
總的來說，隨著應(yīng)用需求的不斷增長和工藝技術(shù)的逐步成熟，碳化硅將成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新風(fēng)口。碳化硅半導(dǎo)體未來應(yīng)用究竟有什么樣的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，我們拭目以待！
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