電力電子器件領域，碳化硅大有可為

• 劉春天 2023年2月22日 來源：中研網 504 27
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第三代半導體材料是繼以硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表的第一代和第二代半導體材料之后，迅速發展起來的寬禁帶半導體材料。具體是指帶隙寬度達到2.0-6.0eV的寬禁帶半導體材料，包括了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）,從現階段發展來看，GaN材料更適合1000V以下電壓等級，

根據中研網《2023-2028年中國第三代半導體行業發展現狀分析與投資前景預測研究報告》分析，第三代半導體：更先進的材料，更優異的產品特性。第三代半導體材料是指帶隙寬度達到2.0-6.0eV的寬禁帶半導體材料，包括了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），是制造高壓大功率電力電子器件的突破性材料。相比硅基，SiC材料在熱導率、開關頻率、電子遷移率和擊穿場強均具備優勢，因此SiC材料具備更高效率和功率密度。從產業鏈來看，襯底是價值鏈核心，在成本SICSBD器件中，襯底價值量占比達到47%。我們認為，襯底價格下降是推動碳化硅產業鏈發展的核心環節，襯底行業的發展也是未來SiC產業降本增效和商業化落地的核心驅動因素。

市場空間仍待開發，產業鏈成熟度逐步提升。從市場空間上來看，根據Yole數據，預計2027年市場空間將超過60億美元，僅碳化硅器件中的功率器件的市場規模將從2021年的10.90億美金增長至2027年的62.97億美金，GAGR達到34%，從細分行業需求來看，新能源產業鏈和充電基礎設施將為增長最快領域。從供給端來看，目前整體產業鏈受限于SiC襯底產能、對襯底缺陷缺乏有效控制、向大尺寸襯底轉移等因素，同時在外延膜生產設備基本依靠海外、厚度與摻雜濃度均勻性等因素，外延生產同樣存在壁壘。多因素導致國內SiC市場短期仍表現為供不應求局面。

海外廠商為主導，國內企業正加速追趕。從行業競爭角度來看，美歐日為主導，海外廠商例如Wolf speed已突破8英寸節點，國內企業還處于4、6英寸襯底導入階段。但是國內企業目前正在加速追趕，在專利和市占率持續提升，國內碳化硅產業化帶有“學研”基因極為突出，包括天岳、天科合達均為始于院校研究所。

滲透率提升市場空間打開，短期分歧不改長期趨勢。市場對SiC產業呈現眾多分歧，包括長期系統成本與單一成本成本分歧、技術進步對產業鏈沖擊以及多制造環節的自主可控等，但我們認為針對新興產業來說，隨著未來長期襯底價格下降，SiC器件接受度和滲透率迎提升，短期分歧不改行業長期成長。

從SiC材料適用范圍來看，碳化硅器件可廣泛應用于高壓、高頻和大電流場景，因此十分適合光伏、新能源車和5G通信領域。

從電化學性質差異來看，SiC襯底材料可以分為導電型襯底（電阻率區間15~30mΩ·cm）和半絕緣型襯底（電阻率高于105Ω·cm），在不同襯底片上生長GaN外延制成HEMT等微波射頻器件，應用于5G通信、衛星、雷達等領域。在導電型襯底片上生長SiC外延層，通過進一步加工制成SiCSBD，SiCMOSFET等功率器件，應用于新能源車電驅電控、OBD和DC/DC，光伏逆變電站、軌交、電網和航空領域。

SiC的發現始于1824年的瑞典科學家J.J.Berzelius，但是鑒于當時硅（Si）技術的卓越發展，SiC的研究工作沒有再進一步。直到20實際90年代，Si基電力電子裝置出現了性能瓶頸，再次激發了相關機構對SiC材料的研究興趣。

由于Si和C之間的共價鍵比Si原子之間的要強，因此SiC材料要比Si材料具備更高的擊穿電場強度、載流子飽和漂移速率、惹到行和熱穩定性。SiC具有250多種不同晶體結構，但目前能商業化落地只有4H-SiC和6H-SiC，由于4H-SiC相比6H-SiC具備更高載流子遷移率，因此成為SiC基電力電子器件的首選。

在同電壓場景下，寬禁帶半導體能做到更薄和更低的電阻。相同規格的SiC基MOSFET和Si基MOSFET相比，導通電阻降低為1/200，尺寸減小為1/10；相同規格的使用SiC基MOSFET的逆變器和使用Si基IGBT相比，總能量損失小于1/4。

在OBC充電樁場景下，SiC更高的擊穿電場強度，極低的導通電阻使得SiC能在22kW快充條件下實現更少期間數量和更高運行效率。在使用SiC材料情況下，相同功率條件下，期間個數也由22只硅基IGBT減少至14只SiCMOSFET。

在22kW雙向OBC應用場景下，對比Si基和SiC基系統成本和經濟效益。

Si的系統成本基本上是SiC基系統成本的1.18倍。其中SiC基器件組成OBC充電裝時，柵極驅動、磁性DC/DC、磁性AC/DC要節能接近一半左右，Si基器件的總系統成本是SiC基器件的1.18倍。

從系統經濟性角度來看，SiC基系統峰值效率能夠達到97%，而Si基系統峰值效率僅為95%，同時SiC基的能量密度能夠提升50%以上，具有非常強勁的性能提升。

第三代半導體行業加速發展，新能源產業鏈為增長驅動核心競爭力。盡管第三代半導體發現時間很早，但受制于成本和產業鏈不成熟等因素并未實現大規模商業化落地，2019年，以GaN-on-SiC等射頻器件的推廣，對設備開發，襯底和外延技術的推動形成了正向反饋。同時Wolfspeed已完成8英寸SiC襯底片的流片，6英寸產業鏈大規模商業化落地已逐步成型。

同時SiC功率器件廣泛用于新能源汽車、光伏、軌道交通等領域，未來市場增速能夠得到保證。同時國內市場也有多家企業布局SiC產業，未來市場競爭格局將持續深化。

預計27年市場空間將超過60億美元。根據Yole測算，僅碳化硅器件中的功率器件的市場規模將從2021年的10.90億美金增長至2027年的62.97億美金，復合年增長率約34%。

從細分行業來看，新能源產業鏈和充電基礎設施將為增長最快領域。

SiC器件主要應用在車載充電器、DC/DC轉換器和主驅逆變器上。在2017年之前車載充電器主要以SiCSBD為主，而在2017年后SiCSBD和SiCMOSFET的方案已經成熟。在2018年，DC/DC轉換器也由SiMOSFET逐漸變成以SiCMOSFET為主。

SiC功率器件主要應用于主驅逆變器、OBC、DC/DC車載電源轉換器和大功率DC/DC充電器領域。隨著未來800V電壓平臺推出，在大功率，大電流條件下減少損耗、增大效率和減小器件尺寸，電機控制器的主驅逆變器將不可避免從硅基IGBT替換為SiC基MOS模塊，存量替代市場空間巨大。特斯拉（Tesla）在2018年，將Model3車型的主驅動逆變器中已經使用了SiCMOSFET，將SiIGBT替換為。

SiC器件后，新能源汽車逆變器效率可以大幅提升，相同續航下對電池容量需求降低，以及實現系統冷卻體積和重量的優化，有效降低SiC器件本身帶來的成本增加。

SiC功率器件主要應用于主驅逆變器、OBC、DC/DC車載電源轉換器和大功率DC/DC充電器領域。隨著未來800V電壓平臺推出，在大功率，大電流條件下減少損耗、增大效率和減小器件尺寸，電機控制器的主驅逆變器將不可避免從硅基IGBT替換為SiC基MOS模塊，存量替代市場空間巨大。

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