随着全球特别是中国新能源汽车市场渗透率的快速提升，强劲的上车需求叠加巨大的产能缺口，碳化硅这条“赛道”愈发呈现出欣欣向荣之势。不管是汽车产业链上游的芯片企业和一级零部件供应商，还是下游传统车企和造车新势力，都在疯狂押注碳化硅，合资建厂、扩大产能、签署供货协议等等消息接踵而至。那么如此疯狂的碳化硅半导体究竟有什么魔力，这就需要从其材料本身的性能来看。
(资料图片仅供参考)
碳化硅半导体的性质与优势
碳化硅（SiC）是第三代半导体产业发展的重要基础材料。与Si相比，SiC在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势，是材料端革命性的突破。SiC击穿场强是Si的10倍，这意味着同样电压等级的SiC MOSFET外延层厚度只需要Si的十分之一，对应漂移区阻抗大大降低；且SiC禁带宽度（~3.2 eV）是Si的3倍，导电能力更强。导热率为硅的4-5倍电子饱和速度是Si的2-3倍，能够实现10倍的工作频率。
碳化硅半导体的性质与优势
基于SiC的功率器件相较Si基器件具有耐高压、耐高温、抗辐射、散热能力佳、更低的导通损耗和开关损耗、更高的开关频率、可减小模块体积等杰出特性，不仅可广泛用于电动汽车驱动系统、列车牵引设备、充电桩、开关电源、光伏逆变器、伺服电机、高压直流输电设备等民用场景，还可显著提升战斗机、战舰等军用系统装备的性能。
SiC-MOSFET与IGBT的比较
新能源汽车
叠加第三代半导体在我国被赋予的战略意义，碳化硅产业发展被列入十四五规划后以来，就一直走在“风口”之上。SiC适合高功率和高频率应用场景，如储能、风电、光伏、轨道交通、新能源汽车等行业。
以新能源汽车应用场景为例，目前市售电动车所搭载的功率半导体多数为硅基器件，采用Si IGBT技术的功率模块仍在电动汽车应用中占主导地位。然而，经过数十年的发展，硅基功率器件正在接近材料极限，要进一步提高其功率密度非常困难。由于电动车电压平台正在从400V向800V以上的高电压发展，相较于Si IGBT，SiC MOSFET凭借“耐高压”、“耐高温”、和“高频”特点，在高压系统中有望快速替代Si IGBT，从而大幅提高汽车性能并优化整车架构，使新能源汽车具有更低的成本、更长的续航里程、更紧凑的空间设计以及更高的功率密度。
目前，车规级SiC功率器件主要应用于主驱逆变器、OBC、充电桩等场景。在主驱逆变器、OBC、DC-DC以及直流充电桩模块中，SiC MOSFET有望对Si IGBT加速替代。
SiC器件在新能源汽车上的主要应用场景
1、SiC MOSFET在主驱逆变器中的应用：降低损耗和系统成本主驱逆变器将电池中的直流电转换为三相交流电输送至电机，是电动汽车的心脏，决定了驾驶行为和车辆的能源效率，也是SiC功率器件用量最大、价值最高的部分。
碳化硅应用为主驱逆变器带来了更高的逆变器效率、更小的系统尺寸、更低的系统成本和更长的行驶里程。根据Infineon与Daimler在2018年的测试数据，在相同的行驶条件和行驶里程情况下：在配备了1200V SiC MOSFET的400V系统中，逆变器的能耗降低了63%，从而在WLTP工况条件下节能6.9%；在配备了1200V SiC MOSFET的800V系统中，逆变器能耗降低69%，整车能耗降低7.6%。碳化硅对车辆能耗的降低仍被低估，因为没有考虑电池系统重量减轻的影响。在系统成本方面，尽管SiC MOSFET逆变器是等效Si IGBT价格的2-3倍，然而，由于使用SiC后整车功耗降低，车辆系统效率提高，因此需要更少的电池容量。电池节省的成本超过了碳化硅逆变器增加的成本，采用800V高压SiC平台的系统成本比400V Si IGBT平台节省高达6%。
特拉斯是全球率先采用碳化硅逆变器的车企，其Model 3采用了意法半导体推出的650V SiC MOSFET逆变器，相较Model X等车型上采用的IGBT能带来5%～8%的逆变器效率提升，对电动车的续航能力有着显著提升；之后相继推出的Model Y以及Model S Plaid也采用了SiC技术。此外，比亚迪·汉EV高性能四驱版本也搭载了SiC器件，为国内首款采用SiC技术的车型；蔚来的纯电轿车——蔚来 ET7也将搭载采用SiC模块的第二代电驱平台。预计未来将有越来越多的新能源车型采用碳化硅器件以替代硅基IGBT，为碳化硅器件带来巨大的市场需求。
2、车载充电机（OBC）：车载充电机（OBC）是将交流充电桩输出的交流电转换为直流电输送到动力电池包中，典型电路结构由前级PFC电路和后级DC/DC输出电路两部分组成，充电功率范围从3.3kW至22KW，可支持双向流动。DC-DC转换器可以将电池中的800V（400V）高压转换为12V低压，输送至低压系统中，功率约为3KW。应用碳化硅获得更快的开关频率FSW、更高的效率、双向操作、更小的无源元件、更小的系统尺寸和更低的系统成本。OBC二极管和开关管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要应用的功率器件。采用SiC替代可实现更低损耗、更小体积及更低的系统成本。
根据Wolfspeed的研究，采用全SiC MOSFET方案的22kW双向OBC，可较Si方案实现功率器件和栅极驱动数量都减少30%以上，且开关频率提高一倍以上，实现系统轻量化和整体运行效率提升。SiC系统在3kW/L的功率密度下可实现97%的峰值系统效率，而Si OBC仅可在2kW/L的功率密度下实现95%的效率。同时，进一步拆分成本，由于SiC器件的性能可减少DC/DC模块中所需大量的栅极驱动和磁性元件。因此，尽管相比单个Si基二极管和功率晶体管，SiC基功率器件的成本更高，但整体全SiC方案的OBC成本可节约15%左右。
车载充电机结构图
直流充电桩
直流充电桩又称快充充电桩，内部包含电源模块、计费系统、通信及控制系统、读卡及授权系统等，其中电源模块是核心部件，占设备总成本的50%，可将电网中的交流电转换为直流电为汽车动力电池充电。因SiC基晶体管可以实现比硅基功率器件更高的开关频繁，因此可以提供高功率密度、超小的体积，将在直流充电桩应用领域加速市场渗透。
直流充电桩通常采用15-50kW的AC-DC和DC-DC电源模块，并根据充电位置和车辆类型进行扩展，以满足更高或更低的功率需求。通过模块的并联堆叠组合可实现150 kW快充桩以及350 kW超充桩的功率需求。以25 kW充电桩模块为例，需要并联6个模块实现150 kW充电桩功率，而250 kW的充电桩需要并联10个25 kW功率模块。350 kW功率的超充桩，则可以使用6个60 kW模块并联，由于60 kW模块采用更高电压器件、更先进的封装和拓扑结构，可以有效减少芯片数量并降低系统成本。根据Wolfspeed数据，25 kW功率的充电桩模块，大约需用到16-20个1200V SiC MOSFET单管。
不只是“上车”，还有“上天”
碳化硅的应用能够非常直接地提升新能源汽车的续驶里程、实现对超级快充功能的支持以及带来更强大的智能化／电气化功能等等。在大功率应用中，碳化硅的发挥空间依旧很大，这其中就包括电动飞机。
近日，利普思HPD系列SiC模块产品顺利通过了欧洲知名航空设备厂家测试验证。据悉，该企业为法国某静压传动巨头旗下一家专注于高端领域应用的电驱动系统的公司，其产品广泛用于航空、海事、工业和各种大型非道路机械领域。
早在去年11月，据外媒透露，空客的电动飞机就已经采用了碳化硅逆变器，并且接近商用。据悉，空客正在测试的电动飞行平台FlightLab包括四个主要组件，分别是电机、电池、逆变器以及控制台。其中，FlightLab的EBS 系统（发动机备用系统）中搭载了碳化硅逆变器，将电池直流电转换为三相交流电，能够在连续2分钟内持续提供150kW的功率，同时实现轻量化（15公斤）。此外，Flightlab的DC/DC也采用了碳化硅，其将500V电池系统电压降低至28V，为飞机内的发动机以及电力设备等提供所需电力。
轨道交通
碳化硅功率器件相较传统硅基IGBT能够有效提升开关频率，降低开关损耗，其高频化可以进一步降低无源器件的噪声、温度、体积与重量，提升装置应用的机动性、灵活性，是新一代牵引逆变器技术的主流发展方向。在“碳中和、碳达峰”目标指引下，碳化硅功率器件将加速在轨道交通领域的渗透。目前株洲中车时代联合深圳地铁集团基于3300V等级高压大功率SiC MOSFET的高频化应用自主开发了地铁列车全碳化硅牵引逆变器，在节能方面表现优异，经装车试验测试，同比传统硅基IGBT牵引逆变器的传动系统，综合能耗降低10%以上，牵引电机在中低速段噪声同比下降5分贝以上，温升同比降低40℃以上。
光伏与风电
太阳能和风能发电系统是分别利用光伏电池板和风力带动发电机，直接将太阳能或风能转换成电能的发电系统，都需要以逆变器作为接口连接电网从而实现发电。为实现发电系统高效、稳定地运行，对逆变器提出了更为严苛的要求，需要相关半导体器件具有较大的击穿场强、耐高温、耐高压并能够工作在更高的开关频率下。传统硅基器件由于材料固有特性限制了其在高温、高压、高效率场景的应用。SiC基功率器件是其完美替代者，其中SiC MOSFET是高速低损耗功率开关中最有前景的器件之一。目前阳光电源应用SiC器件的组串逆变器已广泛应用于全球市场；国家能源集团北京低碳清洁能源研究院自主开发了全球首个超薄全碳化硅高频隔离光伏逆变器，与现有光伏逆变器相比具有体积小、重量轻等优点，既降低了系统成本，又提高了系统效率和系统安全性，可以以此构建低成本高效率的光伏建筑一体化电气系统。
据天科合达招股书，基于硅基器件的传统逆变器成本约占光伏发电系统10%，却是系统能量损耗的主要来源之一。根据英飞凌，使用SiC MOSFET功率模块的光伏逆变器，其转换效率可从98.8%提升至99%以上，能量损耗降低8%，相同条件下输出功率提升27%，推动发电系统在体积、寿命及成本上实现重要突破。英飞凌最早于2012年推出Cool SiC系列产品应用于光伏逆变器，2020年以来，西门子、安森美等众多厂商陆续推出相关产品，碳化硅光伏逆变器应用进一步推广。据CASA数据，2020年光伏逆变器中碳化硅器件渗透率为10%，预计2025年将增长至50%。高效、高功率密度、高可靠和低成本为光伏逆变器未来发展趋势，SiC器件有望迎来广阔增量空间。
智能电网
传统电网正在向智能电网转变，智能化电网设备及更优良器件的应用是实现其集智能、灵活、互动、兼容、高效等多功能于一体的关键。传统硅基电力电子变压器已在小功率电网领域实现了部分应用，但由于损耗大、体积大等缺陷尚无法在高压大功率的输电领域展开应用。比如目前商用硅基IGBT的最大击穿电压仅为6.5kV，所有的硅基器件都无法在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决这些问题，碳化硅功率器件关断电压最高达200kV和工作温度高达600℃。碳化硅基功率开关由于具有极低的开启态电阻，并且能应用于高压、高温、高频场合，是硅基器件的理想替代者，另如果使用碳化硅功率模块，与使用硅功率电源装置相比，由开关损失引起的功率损耗可降低5倍以上，体积与重量减少40%，将对未来电网形态和能源战略调整产生重大影响。
工业控制
基于SiC的功率半导体器件可在高温、高压、高频、强辐射等极端环境下工作，性能优势突出，将其应用于电机驱动领域，不仅可降低驱动器的体积、重量、损耗，提升功率密度，还能有效减少音频噪声并提升电机响应性能，这对于我国突破高端伺服电机技术和实现高性能伺服电机及驱动器国产化具有重要意义。迈信电气与英飞凌合作开发了基于SiC MOSFET自然散热设计的一体化伺服电机系统，其功率板选用6颗30mΩ-SMD封装的CoolSiC™ MOSFET，具有较低的导通损耗、开关损耗、优异的开关速度可控性和散热性能。
射 频
5G推动GaN-on-SiC需求提升5G发展推动碳化硅基氮化镓器件需求增长，市场空间广阔。微波射频器件中功率放大器直接决定移动终端和基站无线通讯距离、信号质量等关键参数，5G通讯高频、高速、高功率特点对其性能有更高要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备碳化硅高导热性能和氮化镓高频段下大功率射频输出优势，在功率放大器上的应用可满足5G通讯对高频性能、高功率处理能力要求。当前5G新建基站仍使用LDMOS功率放大器，但随5G技术进一步发展，MIMO基站建立需使用氮化镓功率放大器，氮化镓射频器件在功率放大器中渗透率将持续提升。据Yole和Wolfspeed预测，2024年碳化硅基氮化镓功率器件市场有望突破20亿美元，2027年进一步增长至35亿美元。根据我们的预测，受益5G通讯快速发展，通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的PA，碳化硅基氮化镓射频器件相比硅基LDMOS和GaAs的优势将逐步凸显，我们测算2020年全球碳化硅射频器件市场规模为8.92亿美元，预计到2025年将增长至21.21亿美元，对应CAGR为18.9%，和Yole和Wolfspeed预测基本一致。
不同材料微波射频器件应用范围对比（左）；碳化硅基氮化镓射频器件市场规模展望（右）
家 电
以空调为代表，为进一步减小电抗体积，优化整体结构，提高系统效率，变频空调PFC频率已由目前主流的40kHZ，向70kHZ、80kHZ甚至更高的频率设计，这对IGBT和FRD提出了越来越高的高频要求。目前已有空调厂家开始选用碳化硅二极管，比传统硅快回复二极管具有更小的正向导通压降，更高的耐温及高温稳定性，PFC效率能提升0.7～1个百分点，由于碳化硅二极管反向恢复时间很短，减轻了加在IGBT上的漏电流，可使IGBT温度降低约2℃～3℃，提升了系统整体性能和可靠性。对于IGBT来说，碳化硅MOS是一个不错的选择；同时集成碳化硅二极管+IGBT或碳化硅MOS的模块也是一个较优选择。
理论上，只要是PFC或者升压电路、高压或高功率电源场景都会有碳化硅的应用机会，比如TV（商用显示器或者特殊功能显示器）、商用滚筒洗衣机、高端微波炉、高端电饭煲等，及其他大于500W的PFC拓扑结构电路。且功率越大，电压越高的场合，用碳化硅的优势越明显，能够提高系统效率，减小板子尺寸，优化系统结构，从而设计出性能更优，可靠性更高的产品。目前瑞能半导体的碳化硅产品已经批量供货给国内主要空调厂商使用；而以美的、格力为代表的家电厂商目前也正在重点布局碳化硅功率器件领域，其中2019年，美的与三安光电进行合作共同成立第三代半导体实验室，聚焦在GaN、SiC半导体功率器件芯片与IPM（智能功率模块）的应用电路相关研发，并将其导入白色家电；2021年，格力公开了“碳化硅肖特基半导体器件”专利，可以在降低正向工作电压的同时，提高击穿电压，因而能够降低正向导通损耗，提高工作效率。
快充电源
近年来，随着USB PD快充技术的普及和氮化镓技术的成熟，大功率快充电源市场逐渐兴起，碳化硅二极管可助力快充电源实现更高的效率和更小的体积，逐渐在消费类电源市场中崭露头角，目前倍思120W快充、MOMAX 100W快充，以及REMAX 100W快充率先导入了碳化硅技术。在大功率快充电源产品中，碳化硅二极管主要用于PFC级的升压整流，其搭配氮化镓功率器件，可以将PFC级的工作频率从传统快充的不足100KHz提升到300KHz，不仅减小升压电感体积，实现高功率密度的设计，同时也让电源的效率得到了大幅提升。
不间断电源（UPS）
IGBT因同时具有MOSFET易于驱动，控制简单，开关频率高的优点，以及功率晶体管导通电压低，通态电流大的性能特点，广泛应用于不间断电源系统（UPS）。使用IGBT的UPS具有效率高、抗冲击能力强、可靠性高的优点，但有一个明显的缺点，即开关的速度越快（以获得更高的精度），电力损失就越高。而采用碳化硅则可改变这一缺陷，应用在UPS上可实现更加高效节能。模块层面上，碳化硅主要有两个优点：更小的芯片尺寸和更低的动态损耗。更低的动态损耗可带来输出功率的显著增加，且无需额外的冷却能力，将提供减轻重量和减小体积的机会。
LED照明
碳化硅在大功率LED方面具有非常大的优势，基于碳化硅的LED能够实现亮度更高、能耗更低、使用周期更长、单位芯片面积更小。碳化硅LED照明设备能将原LED灯使用数量下降1/3，成本下降40～50%，而亮度却提高两倍，导热能力提高10倍以上。如果大规模使用碳化硅LED照明替代白炽灯及荧光灯，对于我国节约用电，减少煤炭的消耗与CO2的排放具有重大意义。
总的来说，随着应用需求的不断增长和工艺技术的逐步成熟，碳化硅将成为半导体产业的新风口。碳化硅半导体未来应用究竟有什么样的机遇与挑战，我们拭目以待！
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