“瘋狂”的碳化硅SiC半導體除了造車，還能用在哪？

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。

? 碳化硅半導體的性質(zhì)與優(yōu)勢??

碳化硅（SiC）是第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎材料。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，導電能力更強。導熱率為硅的4-5倍電子飽和速度是Si的2-3倍，能夠實現(xiàn)10倍的工作頻率。

碳化硅半導體的性質(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、更低的導通損耗和開關損耗、更高的開關頻率、可減小模塊體積等杰出特性，不僅可廣泛用于電動汽車驅動系統(tǒng)、列車牽引設備、充電樁、開關電源、光伏逆變器、伺服電機、高壓直流輸電設備等民用場景，還可顯著提升戰(zhàn)斗機、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“風口”之上。SiC適合高功率和高頻率應用場景，如儲能、風電、光伏、軌道交通、新能源汽車等行業(yè)。

以新能源汽車應用場景為例，目前市售電動車所搭載的功率半導體多數(shù)為硅基器件，采用Si IGBT技術的功率模塊仍在電動汽車應用中占主導地位。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，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，使新能源汽車具有更低的成本、更長的續(xù)航里程、更緊湊的空間設計以及更高的功率密度。

目前，車規(guī)級SiC功率器件主要應用于主驅逆變器、OBC、充電樁等場景。在主驅逆變器、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用場景

1、SiC MOSFET在主驅逆變器中的應用：降低損耗和系統(tǒng)成本主驅逆變器將電池中的直流電轉換為三相交流電輸送至電機，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。

碳化硅應用為主驅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，因為沒有考慮電池系統(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。此外，比亞迪·漢EV高性能四驅版本也搭載了SiC器件，為國內(nèi)首款采用SiC技術的車型；蔚來的純電轎車——蔚來 ET7也將搭載采用SiC模塊的第二代電驅平臺。預計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（OBC）：車載充電機（OBC）是將交流充電樁輸出的交流電轉換為直流電輸送到動力電池包中，典型電路結構由前級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轉換器可以將電池中的800V（400V）高壓轉換為12V低壓，輸送至低壓系統(tǒng)中，功率約為3KW。應用碳化硅獲得更快的開關頻率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二極管和開關管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要應用的功率器件。采用SiC替代可實現(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方案實現(xiàn)功率器件和柵極驅動數(shù)量都減少30%以上，且開關頻率提高一倍以上，實現(xiàn)系統(tǒng)輕量化和整體運行效率提升。SiC系統(tǒng)在3kW/L的功率密度下可實現(xiàn)97%的峰值系統(tǒng)效率，而Si OBC僅可在2kW/L的功率密度下實現(xiàn)95%的效率。同時，進一步拆分成本，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。

車載充電機結構圖

? 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、計費系統(tǒng)、通信及控制系統(tǒng)、讀卡及授權系統(tǒng)等，其中電源模塊是核心部件，占設備總成本的50%，可將電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電為汽車動力電池充電。因SiC基晶體管可以實現(xiàn)比硅基功率器件更高的開關頻繁，因此可以提供高功率密度、超小的體積，將在直流充電樁應用領域加速市場滲透。

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行擴展，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、更先進的封裝和拓撲結構，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”

碳化硅的應用能夠非常直接地提升新能源汽車的續(xù)駛里程、實現(xiàn)對超級快充功能的支持以及帶來更強大的智能化／電氣化功能等等。在大功率應用中，碳化硅的發(fā)揮空間依舊很大，這其中就包括電動飛機。

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備廠家測試驗證。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域應用的電驅動系統(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械領域。

早在去年11月，據(jù)外媒透露，空客的電動飛機就已經(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、電池、逆變器以及控制臺。其中，F(xiàn)lightLab的EBS 系統(tǒng)（發(fā)動機備用系統(tǒng)）中搭載了碳化硅逆變器，將電池直流電轉換為三相交流電，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，為飛機內(nèi)的發(fā)動機以及電力設備等提供所需電力。

? 軌道交通??

碳化硅功率器件相較傳統(tǒng)硅基IGBT能夠有效提升開關頻率，降低開關損耗，其高頻化可以進一步降低無源器件的噪聲、溫度、體積與重量，提升裝置應用的機動性、靈活性，是新一代牽引逆變器技術的主流發(fā)展方向。在“碳中和、碳達峰”目標指引下，碳化硅功率器件將加速在軌道交通領域的滲透。目前株洲中車時代聯(lián)合深圳地鐵集團基于3300V等級高壓大功率SiC MOSFET的高頻化應用自主開發(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。

? ?光伏與風電? ?

太陽能和風能發(fā)電系統(tǒng)是分別利用光伏電池板和風力帶動發(fā)電機，直接將太陽能或風能轉換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，都需要以逆變器作為接口連接電網(wǎng)從而實現(xiàn)發(fā)電。為實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運行，對逆變器提出了更為嚴苛的要求，需要相關半導體器件具有較大的擊穿場強、耐高溫、耐高壓并能夠工作在更高的開關頻率下。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中最有前景的器件之一。目前陽光電源應用SiC器件的組串逆變器已廣泛應用于全球市場；國家能源集團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，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、壽命及成本上實現(xiàn)重要突破。英飛凌最早于2012年推出Cool SiC系列產(chǎn)品應用于光伏逆變器，2020年以來，西門子、安森美等眾多廠商陸續(xù)推出相關產(chǎn)品，碳化硅光伏逆變器應用進一步推廣。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%，預計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)轉變，智能化電網(wǎng)設備及更優(yōu)良器件的應用是實現(xiàn)其集智能、靈活、互動、兼容、高效等多功能于一體的關鍵。傳統(tǒng)硅基電力電子變壓器已在小功率電網(wǎng)領域實現(xiàn)了部分應用，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域展開應用。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，碳化硅功率器件關斷電壓最高達200kV和工作溫度高達600℃。碳化硅基功率開關由于具有極低的開啟態(tài)電阻，并且能應用于高壓、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的功率半導體器件可在高溫、高壓、高頻、強輻射等極端環(huán)境下工作，性能優(yōu)勢突出，將其應用于電機驅動領域，不僅可降低驅動器的體積、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響應性能，這對于我國突破高端伺服電機技術和實現(xiàn)高性能伺服電機及驅動器國產(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自然散熱設計的一體化伺服電機系統(tǒng)，其功率板選用6顆30mΩ-SMD封裝的CoolSiC? MOSFET，具有較低的導通損耗、開關損耗、優(yōu)異的開關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)量等關鍵參數(shù)，5G通訊高頻、高速、高功率特點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用可滿足5G通訊對高頻性能、高功率處理能力要求。當前5G新建基站仍使用LDMOS功率放大器，但隨5G技術進一步發(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年進一步增長至35億美元。根據(jù)我們的預測，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，預計到2025年將增長至21.21億美元，對應CAGR為18.9%，和Yole和Wolfspeed預測基本一致。

不同材料微波射頻器件應用范圍對比（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，為進一步減小電抗體積，優(yōu)化整體結構，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甚至更高的頻率設計，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)硅快回復二極管具有更小的正向導通壓降，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，由于碳化硅二極管反向恢復時間很短，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用機會，比如TV（商用顯示器或者特殊功能顯示器）、商用滾筒洗衣機、高端微波爐、高端電飯煲等，及其他大于500W的PFC拓撲結構電路。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)結構，從而設計出性能更優(yōu)，可靠性更高的產(chǎn)品。
目前瑞能半導體的碳化硅產(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布局碳化硅功率器件領域，其中2019年，美的與三安光電進行合作共同成立第三代半導體實驗室，聚焦在GaN、SiC半導體功率器件芯片與IPM（智能功率模塊）的應用電路相關研發(fā)，并將其導入白色家電；2021年，格力公開了“碳化硅肖特基半導體器件”專利，可以在降低正向工作電壓的同時，提高擊穿電壓，因而能夠降低正向導通損耗，提高工作效率。

快充電源??

近年來，隨著USB PD快充技術的普及和氮化鎵技術的成熟，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現(xiàn)更高的效率和更小的體積，逐漸在消費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快充率先導入了碳化硅技術。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，實現(xiàn)高功率密度的設計，同時也讓電源的效率得到了大幅提升。

不間斷電源（UPS）

IGBT因同時具有MOSFET易于驅動，控制簡單，開關頻率高的優(yōu)點，以及功率晶體管導通電壓低，通態(tài)電流大的性能特點，廣泛應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、可靠性高的優(yōu)點，但有一個明顯的缺點，即開關的速度越快（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，應用在UPS上可實現(xiàn)更加高效節(jié)能。模塊層面上，碳化硅主要有兩個優(yōu)點：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會。

LED照明

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能夠實現(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，隨著應用需求的不斷增長和工藝技術的逐步成熟，碳化硅將成為半導體產(chǎn)業(yè)的新風口。碳化硅半導體未來應用究竟有什么樣的機遇與挑戰(zhàn)，我們拭目以待！