碳化硅功率器件的应用机会及未来

5 月 17 日，深圳市森国科科技股份有限公司董事长杨承晋在 2023 第四届产业发展高峰论坛中，作了《碳化硅功率器件的应用机会及未来》的主题演讲。

杨承晋董事长主要围绕碳化硅功率器件、碳化硅器件的未来应用做了分享。

碳化硅材料优势

相对于第一代（硅基）半导体，第三代半导体禁带宽度大，电导率高、热导率高。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近 3 倍，具有更强的耐高压、高功率能力。

碳化硅更适合作为衬底材料。在高压和高可靠性领域选择碳化硅外延，在高频领域选择氮化镓外延。

碳化硅衬底器件体积小。由于碳化硅具有较高的禁带宽度，碳化硅功率器件可承受较高的电压和功率，其器件体积可变得更小，约为硅基器件的 1/10。碳化硅器件电阻更小。同样由于碳化硅较高的禁带宽度，碳化硅器件可进行重掺杂，碳化硅器件的电阻将变得更低，约为硅基器件的 1/100。

碳化硅衬底材料能量损失更小。在相同的电压和转换频率下，400V 电压时，碳化硅 MOSFET 逆变器的能量损失约为硅基 IGBT 能量损失的 29%-60% 之间；800V 时，碳化硅 MOSFET 逆变器的能量损失约为硅基 IGBT 能量损失的 30%-50% 之间。

碳化硅器件特性

碳化硅器件在具体应用场景中表现出的特性是:1、耐高温:硅基材料 120°C 场景需要散热，使用 SiC 在 175°C 结温不需要散热，可承受 600°C 以上高温环境。2、高压大功率:二极管 600-1700V，MOS 管 800-3300V，如新能源车直流快充仅 15 分钟可完成 80%。3、高频率:能量损耗减少了四分之三，转化率高，如提升了新能源车 5%-10% 续航能力。4、小体积:因为阻抗小，同性能的碳化硅器件尺寸缩小到硅基的十分之一，模组尺寸更大幅缩小。未来在高压、高频、大功率、环境恶劣的场景下，碳化硅器件将逐渐替代硅基器件。

如何突破功率半导体器件性能天花板?

为了突破功率半导体器件性能天花板，需要发力的几个点是：高耐压:在大功率应用中，耐压能力是一个重要的硬指标；高频率:更高的开关频率不仅能够提升功率器件自身的性能，还能够带来一个明显的优势，就是允许使用更小的外围元件，进而减小系统整体的尺寸；高可靠:由于要承载更高的功率密度，所以功率器件需要耐高温，具有更高的热稳定性，以及对抗过流过压等瞬变的能力。低功耗:影响功率器件功耗的因素有很多，以一个功率二极管为例，其功耗主要包括与反向恢复过程相关的开关损耗、与正向压降 VF 相关的正向导通损耗，以及反向漏电流带来的反向损耗。

根据 Yole 预测，预计到 2027 年,SiC 器件市场将从 2021 年的 10 亿美元业务增长到 60 亿美元以上，主要包括新能源汽车、泛新能源市场。

碳化硅的应用

碳化硅应用-新能源汽车

新能源汽车从 400V 平台向 800V 平台跃迁已是业内共识，可使汽车电池在 10 分钟内充满 80% 电量，解决「里程焦虑」和「充电焦虑」。SiC 逆变器使得电源频率增加，电机转速增加，相同功率下转矩减小，体积减小。800V 架构时代来临，SiC 在高压下较 IGBT 性能优势更为明显，损耗降低度更大。SiC 在新能源车主逆变器及 OBC 中渗透率将快速提升。

如今新能源汽车使用碳化硅器件已经蔚然成风：

2018 年特斯拉从 Moldel 3 开始大规模采用 SiC 功率器件。2019 年，保时捷率先量产 800V 高电压平台电动车 Taycan，其最大充电功率可达 270kW。2020 年，现代集团发布 E-GMP 平台，搭载 400V/800V 超高压充电系统，可实现充电 5 分钟续航 100km。2021 年，奥迪发布 PPE 平台的 A6e-tron 概念车，搭载 800V 高压电气系统。2021 年，比亚迪发布 e 平台 3.0，该平台具备 800V 高压闪充技术，最高可实现充电 5 分钟续航 150km。2021 年，北汽极狐发布极狐 aSHi 版，具备 800V 充电架构，实现 10 分钟补充 196 公里续航的电量。2021 年 10 月，小鹏汽车公布首个量产的 800V 高压 SiC 平台，充电 5 分钟最高可补充续航 200 公里。

碳化硅应用-光伏逆变

预计到 2025 年时，全球光伏新增装机量有望增加至 287GW，2019-2025 年间复合增长率为 16.40%。其中逆变器市场需求将大幅增长。

SiC MOSFET 或 SiC MOSFET+SiCSBD 模组的光伏逆变器能将转换效率由 96% 提升至 99% 以上，能量损耗可降低 50% 以上，设备循环寿命提升 50 倍。对于 100kW 的太阳能逆变器，其平均需要 30-50 颗 SiC 器件。二极管与三极管比例在 4:1 与 5:1 之间。据 CASA 预测，2025 年光伏逆变器中 SiC 器件价值占比将增长至 50%。

碳化硅应用-储能

2021-2025 年电力系统用储能装机需求分别为 117、190、274、367 和 507GWh，需求年平均增速约为 83.34%。2021 年储能逆变器 (PCS) 和能量管理系统 (EMS) 价格按照 0.8 元/W 计算，2025 年每年价格下降 8%，则分别为 234、349、463、571、726 亿市场空间。其中功率器件占比 5% 左右，将有 11.7 亿、17.5 亿、23.1 亿、28.5 亿、36.3 亿的市场机会。

碳化硅应用-充电桩

2020 年，全球充电桩市场规模达到了 1925.32 百万美元，预计 2027 年将达到 5923.22 百万美元，年复合增长率 (CAGR) 为 16.84%。中国 2020 年市场规模为 1131.52 百万美元，预计 2027 年将达到 3247.44 百万美元，年复合增长率 (CAGR) 为 15.63%。中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计，载至 2022 年 3 月，联盟内成员单位总计上报公共类充电桩 123.2 万台，其中直流充电桩 50.2 万台。从 2021 年 4 月到 2022 年 3 月，月均新增公共类充电桩约 3.2 万台。

随着新能源汽车从 400V 向 800V 跃迁，直流充电采用的是高电压大功率充电，电压从 1000V 向 1400V 演进，并开始采用 SiC MOS 模块，功率达到 30-40KW。

SiC 功率器件的未来

提高器件的可靠性和效率

1、提高材料质量和工艺稳定性:碳化硅功率器件生产过程中需要控制材料质量和工艺稳定性，尤其是在制造高质量晶体时。此外，还需要采用先进的微细加工技术，提高器件的精度和一致性，从而提升器件的可靠性和效率。

2、优化设计和结构: 在碳化硅功率器件设计方面，需要考虑材料的特性和应用场景的要求，选择最优的结构和参数。同时，还需要通过设计优化减少能量损失和热效应，优化器件的电热特性和稳定性。

3、改进封装技术:碳化硅功率器件的封装方式对器件的性能和可靠性影响很大。因此，需要优化封装材料和结构，提高温度承受能力和抗电气应力能力。此外，还需要采用先进的封装工艺，提高封装可靠性和耐久性。

器件尺寸缩小

碳化硅功率器件的未来趋势是朝着尺寸缩小的方向发展。针对此趋势，可以从以下方面进行更深入的探讨：

1. 更小的芯片尺寸

碳化硅器件尺寸的缩小，可以通过采用更先进的制造工艺来实现，目标是在不增加器件大小的情况下提高芯片功率密度和效率。随着尺寸的缩小，碳化硅器件的电路集成度不断提高。高集成度的器件可以带来更低的损耗和更小的体积，同时也可以实现更高的性能。

2. 更高的工作温度

碳化硅器件的尺寸缩小还可以降低器件的热阻，使得器件能够在更高的温度下正常工作。这对于一些高温工作条件下的应用非常有益，例如航空航天、军事和汽车行业等。

降低成本

碳化硅功率器件随着市场规模的快速增长，降低成本是未来大趋势，可以从以下方面进行更深入的探讨：

更大尺寸的衬底，比如 6 寸到 8 寸；更高效的村底长晶效率，大幅度提升良率;更低损耗的水冷激光切割;更高效的外延生长效率;进一步扩大晶圆代工的生产规模，以规模化降低生产成本。