編者按：由于具有(yǒu)禁帶寬度大(dà)、熱(₹&>•rè)導率高(gāo)、臨界擊穿場(chǎng)強高(gāo)等特點，♣<≤♦SiC半導體(tǐ)成為(wèi)新能(néng)源産業(yè)革命中的(de)核心關鍵部分↑₹®π(fēn)，瑞鵬資産聯席首席投資官趙聖斌将從(có¶© ♦ng)新能(néng)源汽車(chē)、直流充電(diàn)樁、光(guāng)∞↑≠♥伏、工(gōng)業(yè)控制(zhì)和(hé)射頻(pín)五個(gè)方面逐一(yī)¶≠為(wèi)您分(fēn)析SiC半導體(tǐ)應用(yòng)市(shì)場(σ¶÷chǎng)。
碳化(huà)矽半導體(tǐ)應用(yòng)市(shì)→<場(chǎng)分(fēn)析
碳化(huà)矽（SiC）屬于第三代半導體(tǐ)材料，具備禁帶寬度大(dà)、π$§↓熱(rè)導率高(gāo)、臨界擊穿場(chǎng)強高(gā↔♣α₹o)、電(diàn)子(zǐ)飽和(hé)漂移速率高(gā↑✘o)等特點。SiC為(wèi)第三代半導體(tǐ)材©Ωγα料典型代表，相(xiàng)較于矽材料等前兩代半導體(tǐ)材料ε↑β，其禁帶寬度更大(dà)，在擊穿電(diàn)場(chǎng)強度、飽和(hé)電(diàΩ→♥ n)子(zǐ)漂移速率、熱(rè)導率以及σ•σ抗輻射等關鍵參數(shù)方面有(yǒu)顯著優勢。下≠≤(xià)表是(shì)各代半導體(tǐ)的(de)參數(shù)對(duì)比。
第三代半導體(tǐ)這(zhè)個(gè)稱呼容易讓Ωσ★人(rén)産生(shēng)一(yī)個(≤¶gè)錯(cuò)誤的(de)想法，即第三代半導體(tǐ)會(huì)逐步替代前兩代¥φ≥Ω半導體(tǐ)，事(shì)實并非如(r®σ®'ú)此。每一(yī)代半導體(tǐ)都(dōu)有(yǒu)其最Ω适合的(de)應用(yòng)場(chǎng¶π)景，都(dōu)是(shì)由相(xiàng)應的(de)産業(yè)革命 ★♦催生(shēng)出來(lái)的(de)。比如(rú)第一(yī)代矽λ★♣δ基半導體(tǐ)，特别适合做(zuò)CPU、內(nèi)存等集成電(diσ×àn)路(lù)芯片，其産業(yè)也(y♥↓♥ě)随著(zhe)電(diàn)腦(nǎo)、互聯網的(•↔₽de)普及而發展壯大(dà)。以砷化(huà)镓為(wèi)代表的(de)第二代半導體(tǐ₹←♣σ)，由于電(diàn)子(zǐ)遷移率較高α∞(gāo)，非常适合高(gāo)頻(pín)、高(gāo)±Ω♣'速領域，随著(zhe)3G、4G等無線通(tōng)§'≤♦信技(jì)術(shù)發展而被廣泛應用(yòng)。
我們國(guó)家(jiā)非常重視(shì)第三代半導體(tǐ)産業(yè)的₽®(de)發展，就(jiù)是(shì)因為(wèi)新能(nén≥&g)源産業(yè)革命目前正在如(rú)火(huǒ)如≠©δ(rú)荼的(de)推進中，而SiC由于禁帶寬度大(dà)、熱(♠§rè)導率高(gāo)、臨界擊穿場(chǎng)強高(gāo)等特點，剛好(hǎo₹§)适合高(gāo)溫、高(gāo)壓、高(gāo)頻(pí®↕n)、大(dà)功率等應用(yòng)場(chǎng)景，因此SiC半導體(tǐ)成為(wèiσ>)新能(néng)源産業(yè)革命中的(de)核心關鍵部件(jiàn)。★ α₩
SiC半導體(tǐ)主要(yào)應用(yòng)在新能(néng)源汽↑★•≥車(chē)、光(guāng)伏、風(fē♣δng)電(diàn)、工(gōng)控、射頻(pín>σ&£)等領域。2020 年(nián)全球 ¥≤✘SiC半導體(tǐ)市(shì)場(chǎng)規模達11.84β≈ 億美(měi)元，預計(jì)到(dào) 202∏•∞α5 年(nián)有(yǒu)望增長(cháng)至 59.79億美(měi)元，對(±"∏duì)應 CAGR 為(wèi) 38.2%。下(®®>£xià)面我們就(jiù)針對(duì)這(zhè)幾個(gè)主要&♦(yào)應用(yòng)市(shì)場(✔$chǎng)進行(xíng)逐一(yī)分(fēn)析。
1、新能(néng)源汽車(chē)
SiC半導體(tǐ)在新能(néng)源汽車(chē)相(xiàng)α☆關應用(yòng)場(chǎng)景主要(yào)為(wèi)逆變器(qì)¥σ £、OBC、及DCDC等。我們認為(wèi)當前SiC滲透仍處于早期，目前滲♥ ±透率較低(dī)，但(dàn)是(shì)随著(zhe)特斯拉、比亞迪等頭×₹部新能(néng)源車(chē)廠(chǎng)帶來(lái)的(de)“示ε₹↑範效應”，更多(duō)車(chē)企将會(huì)逐≠ 步采用(yòng) SiC方案。
更為(wèi)重要(yào)的(de)是(shì)，随著(zhe)800V 架構時(✔α≤shí)代來(lái)臨，SiC在高(gāo)壓下(xi§♣≥£à)較IGBT 性能(néng)優勢更為(wèi)明(m↕λσíng)顯，損耗降低(dī)幅度更大(dà)。我們認為(wèi) SiC 在新能(né÷♠±ng)源車(chē)主逆變器(qì)及 OBC 中滲透率将快(kuài)速提升。
OBC典型電(diàn)路(lù)結構由前級PFC電γγ'↔(diàn)路(lù)和(hé)後級DC/DC 輸出電(diàn)路(lù™↑)兩部分(fēn)組成。二極管和(hé)開(kāi)關管（IGBT、α♣×MOSFET等）是(shì)OBC中主要(yào)應用(yòng)的(de)半導體(tǐ)，采用φ¶(yòng) SiC 替代可(kě)實現(xiàn)更低(dī)損耗®✘↕、更小(xiǎo)體(tǐ)積及更低(dī)的(de)系統成本。
2、直流充電(diàn)樁
直流充電(diàn)方式相(xiàng)較家(jiā)用(yòng)标準交流電(dià↓βπn)充電(diàn)方式速度大(dà)幅提高(gāo)，一(yī)個(gè) 150kW 的(dγ∞∞e)直流充電(diàn)器(qì)可(kě)以在大(dà)約15分(fēn)鐘£€ (zhōng)內(nèi)為(wèi)電(diàn)動汽車(chē)增加200<'✔公裡(lǐ)續航，随電(diàn)動汽車(chē)滲透率進一(yī)步提高(gāo)，直±→λ♠流電(diàn)充電(diàn)方案需求将同↓φ> 步提升。SiC器(qì)件(jiàn)和(hé)模塊具≈≠☆↔備耐高(gāo)溫、耐高(gāo)壓以及低(dī)損耗等優勢≠β₩∏，可(kě)實現(xiàn)更高(gāo)效電(d™≥<÷iàn)動車(chē)直流充電(diàn)方案。
SiC MOSFET可(kě)簡化(huà)直流充電(diàn)樁ACDC及D≥♣✘ CDC電(diàn)路(lù)結構，減少(s¥✔hǎo)器(qì)件(jiàn)數(shù)量實現(xiàn)充電(β≈diàn)效率提升。根據英飛(fēi)淩的(de)材料顯示，在 D∞φCDC 中使用(yòng)4 顆1200V SiC MOSFET替代8顆650V矽基β↔€₩MOSFET，在同樣功率下(xià)，可(kφ±©ě)将原來(lái)的(de)兩相(xiàng)全橋LLC電(diàn)路(lù)簡化(♣ ¥huà)為(wèi)單相(xiàng)全橋 LLC電(diànβΩ←)路(lù)，所用(yòng)器(qì)件(jiàn)↓&✔♦數(shù)量減少(shǎo) 50%，提升電(diàn)路(lù)整體(t©γ÷∏ǐ)效率。同樣在 ACDC 中，使用(yòng) SiC MOSFET可(kě)βε将三相(xiàng) Vienna整流器(qì)拓撲電(diàn)路(lù)簡化(huà)為(wè§✔÷i)兩相(xiàng)結構，器(qì)件(jiàn)數(shù♠≥¥)量減少(shǎo) 50%實現(xiàn)效率提升。
3、光(guāng)伏
基于矽基器(qì)件(jiàn)的(de)傳統逆變器(qì)成&≈本約占光(guāng)伏發電(diàn)系統 10%，卻是(shì)系統能(né≈★ng)量損耗的(de)主要(yào)來(lá×₩÷i)源之一(yī)。使用(yòng) SiC MOSFET 功率模塊的(de)光(gα→ φuāng)伏逆變器(qì)，能(néng)量損耗降低(dī)8%，相(xiàng∑₩♦)同條件(jiàn)下(xià)輸出功率提升27%，推動發電(diàn)™✔•α系統在體(tǐ)積、壽命及成本上(shàng)實現(xiàn)重要(÷γ$yào)突破。
英飛(fēi)淩最早于 2012年(nián)推出 CoolSiC 系列産品應用(✘÷επyòng)于光(guāng)伏逆變器(qì)，2020 年(nián)以來(lá♦δ₩i)，西(xī)門(mén)子(zǐ)、安森(sēn)美(měi)等衆多(duō)廠♣$(chǎng)商陸續推出相(xiàng)關産品，SiC光(guāng₽πα<)伏逆變器(qì)應用(yòng)進一(yī)步推廣。據CASA 數(shù)據，2020 年(©→γ£nián)光(guāng)伏逆變器(qì)中碳化(☆β±γhuà)矽器(qì)件(jiàn)滲透率為(wèi) 10%，預計(jì) 2025 年(niᥣ☆n)将增長(cháng)至50%。高(gāo)效、高(gāo)功率密度、高(gā"♦π∏o)可(kě)靠和(hé)低(dī)成本為(wèi)光(guā ₩ng)伏逆變器(qì)未來(lái)發展趨勢，Si↑€C半導體(tǐ)有(yǒu)望迎來(lái)廣闊增量空(kōng)間(α>jiān)。
4、工(gōng)業(yè)控制(zhì)
SiC半導體(tǐ)在工(gōng)業(yè)控€¶制(zhì)領域的(de)應用(yòng)場↔$☆♦(chǎng)景主要(yào)是(shì)軌道(dào)交通(tōng)和(hé™☆γ★)智能(néng)電(diàn)網。軌道(dào)交通(tōng)方面，SiC™§半導體(tǐ)應用(yòng)于軌道(dào)交通(tōng)牽引變流器(qì)≈♥&能(néng)極大(dà)發揮碳化(huà)矽器(qì)件(jiàn)高(gāo)溫、高(g₩☆āo)頻(pín)和(hé)低(dī)損耗特性，提高(gāo)牽引← 變流器(qì)裝置效率，符合軌道(dào)交通(tōng)大(dà)容量、輕量化(huà)和(hé←∑★★)節能(néng)型牽引變 流裝置的(de)應用(yòng)需求，從(cóng)而提升系統的(de© β)整體(tǐ)效能(néng)。根據Digitimeα←←↑s，2014 年(nián)日(rì)本小(xiǎo)田急電(diàn)鐵(t<↕γ∑iě)新型通(tōng)勤車(chē)輛(liàng)配備了 ≥(le)三菱電(diàn)機(jī) 3300V、150÷β'0A 全碳化(huà)矽功率模塊逆變器(qì)，開(kāi)關損耗降低(dī) 55%¶™、體(tǐ)積和(hé)重量減少(shǎo)65%、電(di™§ ←àn)能(néng)損耗降低(dī) 20%至 λ36%。
智能(néng)電(diàn)網方面，相(xiàng)比其他(tā)電(d$π←↕iàn)力電(diàn)子(zǐ)裝置，電(di><àn)力系統要(yào)求更高(gāo)的(de)電β×→↕(diàn)壓、更大(dà)的(de)功率容量和(hé)更高(gāo)的(de)可(kě↓×ε)靠性，SiC半導體(tǐ)突破了(le)矽基功率半導體(tǐ)器(qì ★≥)件(jiàn)在大(dà)電(diàn)壓、高(gāo)功率和(hé)高(gāo)溫'←$®度方面的(de)限制(zhì)所導緻的(de)系統局限性，并具♠≈有(yǒu)高(gāo)頻(pín)、高(g™₹←āo)可(kě)靠性、高(gāo)效率、低(dī)損耗等獨特優勢，在固态變壓器(qì)、柔©§性交流輸電(diàn)、柔性直流輸電(diàn)、高(gāo)壓直流輸電(diàn)及配電(diàα→★n)系統等應用(yòng)方面推動智能(néng)電(di∏€ <àn)網的(de)發展和(hé)變革。此外(wài)碳化(★"huà)矽半導體(tǐ)在風(fēng)力發電(diàn)、工(gōng)業(yè)電(dià ×αn)源、航空(kōng)航天等領域也(yě)≈≤™已實現(xiàn)成熟應用(yòng)。
5、射頻(pín)
5G 發展推動GaN-on-SiC器(qì)件(jiàn)需求φ♠增長(cháng)，市(shì)場(chǎng)空(kōng)間(©★®jiān)廣闊。微(wēi)波射頻(pín)•器(qì)件(jiàn)中功率放(fàng)大(dà)器(qì)直 接決定>&★移動終端和(hé)基站(zhàn)無線通(tōngγ'÷ )訊距離(lí)、信号質量等關鍵參數(shù)，5G 通(tōng)訊高(g₩"↑☆āo)頻(pín)、高(gāo)速、高(gāo)功§£率特點對(duì)其性能(néng)有(yǒu)更高(gā∏♠o)要(yào)求。以SiC為(wèi)襯底的(de)GaN射頻(pín)器(qì)件(jiàn)♣φ同時(shí)具備碳化(huà)矽高(gāo)導熱(r¶™è)性能(néng)和(hé)GaN高(gāo)頻(pín)段下(xià)≠←大(dà)功率射頻(pín)輸出優勢，在功率放(fàng)大(dà)器(qì)上(shàng)的±$λ(de)應用(yòng)可(kě)滿足 5G 通(tōng)訊對(duì)高ε♥(gāo)頻(pín)性能(néng)、高•✘(gāo)功率處理(lǐ)能(néng)力要(yào)求。當前 5G 新建基站§ ∞(zhàn)仍使用(yòng) LDMOS 功率放(fàng)大(dà)器(qì)， &但(dàn)随5G 技(jì)術(shù)進一(yī)步 發展，MIMO基站(zh↑♥àn)建立需使用(yòng)氮化(huà)镓功率放(fàng)大(dà)器≠(qì)，氮化(huà)镓射頻(pín)器(qì)件(jiàn)在∑↔α功率放(fàng)大(dà)器(qì)中滲Ω♣σ透率 将持續提升。據 Yole預測，2024年(nián)GaN-on-SiC器(qì)件(jiγε♣∏àn)市(shì)場(chǎng)有(yǒu)望★₹突破 20 億美(měi)元，2027 年(nián)進一(yī)步增長(cháng)↕→α至 35 億美(měi)元。
