碳化硅MOSFET在充電樁電源模塊、光伏逆變器、光儲(chǔ)一體機(jī)中的應(yīng)用

SiC 具有寬的禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)、高熱傳導(dǎo)率和高電子飽和速率的物理性能，使其有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，可降低下游產(chǎn)品能耗、減少終端體積。碳化硅的禁帶寬度大約為 3.2eV，硅的寬帶寬度為 1.12eV，大約為碳化硅禁帶寬度的 1/3，這也就說(shuō)明碳化硅的耐高壓性能顯著好于硅材料。

此外，碳化硅的熱導(dǎo)率大幅高于其他材料，從 而使得碳化硅器件可在較高的溫度下運(yùn)行，其工作溫度高達(dá) 600℃，而硅器件的極限溫度僅為 300℃;另一方面，高熱導(dǎo)率有助于器件快速降溫，從而下游企業(yè)可簡(jiǎn)化器件終端的冷卻系統(tǒng)，使得器件輕量化。根據(jù) CREE 的數(shù)據(jù)，相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 尺寸僅為硅基MOSFET 的 1/10。

同時(shí)，碳化硅具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，且不會(huì)隨著頻率的提高而降低，碳化硅器件的工作頻率可以達(dá)到硅基器件的 10 倍，相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 總能量損耗僅為硅基 IGBT 的 30%。碳化硅材料將在高溫、高頻、高頻領(lǐng)域逐步替代硅，在 5G 通信、航空航天、新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈可分為三個(gè)環(huán)節(jié)：碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長(zhǎng)、器件制造以及下游應(yīng)用市場(chǎng)，通常采用物理氣相傳輸法(PVT 法)制備碳化硅單晶，再在襯底上使用化學(xué)氣相沉積法(CVD 法)生成外延片，最后制成器件。在 SiC 器件的產(chǎn)業(yè)鏈中，主要價(jià)值量集中于上游碳化硅襯底(占比 50%左右)。

碳化硅襯底根據(jù)電阻率劃分：半絕緣型碳化硅襯底：指電阻率高于 105Ω·cm 的碳化硅襯底，其主要用于制造氮化鎵微波射頻器件。微波射頻器件是無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域的基礎(chǔ)性零部件，中國(guó)大力發(fā)展 5G 技術(shù)推動(dòng)碳化硅襯底需求釋放。

導(dǎo)電型碳化硅襯底：指電阻率在 15~30mΩ·cm 的碳化硅襯底。由導(dǎo)電型碳化硅襯底生長(zhǎng)出的碳化硅外延片可進(jìn)一步制成功率器件，功率器件是電力電子變換裝置核心器件，廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、光伏、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域。汽車(chē)電動(dòng)化趨勢(shì)利好 SiC發(fā)展。

碳化硅應(yīng)用場(chǎng)景根據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型劃分：

1、射頻器件：射頻器件是在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開(kāi)關(guān)、濾波器、低噪聲放大器等。碳化硅基氮化鎵射頻器件具有熱導(dǎo)率高、高頻率、高功率等優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的硅基 LDMOS 器件，其可以更好地適應(yīng) 5G 通信基站、雷達(dá)應(yīng)用等領(lǐng)域低能耗、高效率要求。

2、功率器件：又稱(chēng)電力電子器件，主要應(yīng)用于電力設(shè)備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件，有功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT 等。碳化硅基碳化硅器件在 1000V 以上的中高壓領(lǐng)域有深遠(yuǎn)影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動(dòng)汽車(chē)/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。

3、新能源汽車(chē)：電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)涉及功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)載充電系統(tǒng)(On-board charger，OBC)、車(chē)載 DC/DC 及非車(chē)載充電樁。其中，電動(dòng)車(chē)逆變器市場(chǎng)碳化硅功率器件應(yīng)用最多，碳化硅模塊的使用使得整車(chē)的能耗更低、尺寸更小、行駛里程更長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)外車(chē)企均積極布局碳化硅器件應(yīng)用，以?xún)?yōu)化電動(dòng)汽車(chē)性能，特斯拉、比亞迪、豐田等車(chē)企均開(kāi)始采用碳化硅器件。隨著碳化硅功率器件的生產(chǎn)成本降低，碳化硅在充電樁領(lǐng)域的應(yīng)用也將逐步深入。

4、光伏發(fā)電：目前，光伏逆變器龍頭企業(yè)已采用碳化硅 MOSFET 功率器件替代硅器件。根據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用碳化硅功率器件可使轉(zhuǎn)換效率從 96%提高至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升 50 倍，從而帶來(lái)成本低、效能高的好處。

5、智能電網(wǎng)：國(guó)家大力發(fā)展新基建，特高壓輸電工程對(duì)碳化硅功率器件具有重大需求。其在智能電網(wǎng)中的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括：高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置。相比其他電力電子裝置，電力系統(tǒng)要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半導(dǎo)體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導(dǎo)致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)等應(yīng)用方面推動(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。

6、軌道交通：軌道交通對(duì)其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機(jī)等裝置

7、射頻通信：碳化硅基氮化鎵射頻器件同時(shí)具備碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足 5G 通訊對(duì)高頻性能和高功率處理能力的要求，逐步成為 5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線(xiàn)。

二、 碳化硅市場(chǎng)前景

自 1955 年菲力浦實(shí)驗(yàn)室的 Lely 首次在實(shí)驗(yàn)室成功制備碳化硅單晶以來(lái)，在隨后的 60 余年中，美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家與地區(qū)的科研院所與企業(yè)不斷創(chuàng)新和改良碳化硅單晶的制備技術(shù)與設(shè)備，在碳化硅單晶晶體及晶片技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域形成了較大優(yōu)勢(shì)。

碳化硅功率器件在風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)電源、航空航天等領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用。伴隨新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，功率器件的使用需求大幅增加。根據(jù) IC Insights《2019 年光電子、傳感器、分立器件市場(chǎng)分析與預(yù)測(cè)報(bào)告》， 2018 年全球功率器件的銷(xiāo)售額增長(zhǎng)率為 14%，達(dá)到 163 億美元。未來(lái)，隨著碳化硅和氮化鎵功率器件的加速發(fā)展，全球功率器件的銷(xiāo)售額預(yù)計(jì)將持續(xù)保持增長(zhǎng)。預(yù)計(jì) 2018 至 2023 年期間，全球功率器件的銷(xiāo)售額復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到 3.3%，2023 年全球功率器件收入將達(dá)到 192 億美元。

根據(jù) IHSMarkit 數(shù)據(jù)，2018 年碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約 3.9 億美元，受新能源汽車(chē)龐大需求的驅(qū)動(dòng)，以及電力設(shè)備等領(lǐng)域的帶動(dòng)，預(yù)計(jì)到 2027 年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 100 億美元，碳化硅襯底的市場(chǎng)需求也將大幅增長(zhǎng)。

一、行業(yè)典型應(yīng)用

碳化硅MOSFET的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：充電樁電源模塊、光伏逆變器、光儲(chǔ)一體機(jī)、新能源汽車(chē)空調(diào)、新能源汽車(chē)OBC、工業(yè)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

1. 充電樁電源模塊

與下游數(shù)量較多的充電樁制造商和運(yùn)營(yíng)商不同，目前充電模塊行業(yè)玩家數(shù)量有限。歷經(jīng)過(guò)去幾年的激烈競(jìng)爭(zhēng)，行業(yè)逐漸出清。目前主流企業(yè)僅10家左右，包括特來(lái)電、盛弘股份、科華恒盛等為代表的自產(chǎn)自用型;以及英飛源、優(yōu)優(yōu)綠能、星源博睿、英可瑞等為代表的外供型兩類(lèi)。

隨著新能源汽車(chē)800V平臺(tái)的出現(xiàn)，主流充電模塊也從之前主流的15、20kW向30、40kW發(fā)展，輸出電壓范圍300Vdc-1000Vdc，并且具備雙向充電功能，以達(dá)到V2G/V2H等技術(shù)要求。因此，越來(lái)越多充電模塊企業(yè)開(kāi)始采用SiC MOS方案。

圖 新能源充電樁中SiC的應(yīng)用

2. 光伏逆變器

在全球可再生能源的大力發(fā)展以及“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的推動(dòng)下，全球光伏產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)張，光伏逆變器市場(chǎng)整體也呈現(xiàn)高速發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)海關(guān)總署數(shù)據(jù)，從出貨情況來(lái)看，2023逆變器累計(jì)出口99.54億美元，同比+11%。

經(jīng)過(guò)多年的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)前我國(guó)光伏逆變器行業(yè)已經(jīng)形成較為集中、整體競(jìng)爭(zhēng)較為充分的格局。同時(shí)，國(guó)內(nèi)知名逆變器品牌仍保持快速增長(zhǎng)，出貨量及全球市場(chǎng)占有率也在穩(wěn)步提升。數(shù)據(jù)顯示，2022年全球光伏逆變器供應(yīng)商出貨量市場(chǎng)排名前五的企業(yè)是：陽(yáng)光電源、華為、古瑞瓦特、錦浪科技和SMA。而在研究機(jī)構(gòu)BNEF公布的“全球最具融資價(jià)值光伏逆變器品牌”前十名榜單中，也有6家中國(guó)逆變器企業(yè)入圍，其中，正泰電源、華為、陽(yáng)光電源居于前三，錦浪、特變電工、固德威也位列其中。

圖 光伏逆變器中SiC的應(yīng)用

3. 光儲(chǔ)一體機(jī)

光儲(chǔ)一體機(jī)采用電力電子控制技術(shù)，通過(guò)智能控制實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，協(xié)調(diào)控制光伏與儲(chǔ)能電池，平抑功率波動(dòng)，并通過(guò)儲(chǔ)能變流技術(shù)輸出滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的交流電能向負(fù)載供電，滿(mǎn)足用戶(hù)側(cè)多場(chǎng)景應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于離網(wǎng)光伏電站、分布式后備電源、儲(chǔ)能電站等場(chǎng)合。國(guó)內(nèi)光儲(chǔ)一體機(jī)生產(chǎn)企業(yè)主要有：科陸電氣、盛弘股份、興儲(chǔ)世紀(jì)、時(shí)代能創(chuàng)、精石電氣、錦宇新能源、智源新能、采日能源、華自科技、邦照電氣等。

圖 光儲(chǔ)一體機(jī)中SiC的應(yīng)用

4.

新能源汽車(chē)空調(diào)

隨著800V平臺(tái)在新能源汽車(chē)上的興起，在汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)控制器方案中，SiC MOS憑借其高壓高效、貼片封裝體積小等優(yōu)勢(shì)，成為市場(chǎng)首選。行業(yè)頭部客戶(hù)如弗迪科技、翰昂、華域三電、蘇州中成、奧特佳、海立、威靈、上海光裕、重慶超力等。

圖 新能源汽車(chē)空調(diào)中SiC的應(yīng)用

5. 大功率OBC

三相OBC電路中SiC MOS應(yīng)用更高的開(kāi)關(guān)頻率，可以減小磁性元器件體積和重量，提高效率和功率密度，同時(shí)高系統(tǒng)母線(xiàn)電壓，大大減少功率器件數(shù)量，便于電路設(shè)計(jì)，提高可靠性。

圖 大功率OBC中SiC的應(yīng)用

6.

工業(yè)電源

工業(yè)電源主要應(yīng)用于如醫(yī)療電源、激光電源、逆變焊機(jī)、大功率DC-DC電源、軌道牽引機(jī)等，需要高壓、高頻、高效率的應(yīng)用場(chǎng)景。