預(yù)計未來幾年SiC市場將充分受益于新能源汽車滲透提升、電動車配套設(shè)備建設(shè)和5G通訊基站及數(shù)據(jù)中心建設(shè)，其中汽車電動化為驅(qū)動SiC市場規(guī)模增長的最主要因素。
Yole指出，采用SiC的汽車解決方案能提高系統(tǒng)效率，有效減輕車身重量并使得結(jié)構(gòu)更加緊密，目前在新能源車上主要用于功率控制單元(PCU)、逆變器，及車載充電器等方面。
到2024年，SiC功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達到20億美元，2018-2024年復(fù)合增長率約為50%，其中汽車成為SiC功率半導(dǎo)體[敏感詞]的下游應(yīng)用市場，占比將達到約50%；而根據(jù)Researchand Markets預(yù)測，全球SiC市場收入將達到30億美元，2017-2023年復(fù)合增長率約為27%。
繼去年8月在美國紐交所上市后，7月7日，小鵬汽車第二次IPO，在香港聯(lián)交所正式掛牌上市。小鵬汽車開盤價為168港元（約140人民幣），市值一度達到2800億港元（約2332億人民幣）。本次IPO，小鵬汽車募資116億元，將重點用于開發(fā)更多產(chǎn)品組合和新技術(shù)。據(jù)小鵬高管透露，他們正在積極尋找國產(chǎn)供應(yīng)商，希望在2022年推出SiC車型。
采取SiC器件等一系列電控技術(shù)，可提高汽車?yán)m(xù)航里程。在低負荷情況下，相比IGBT，SiC器件帶來的效率提升可以達到5%以上，在中大扭矩區(qū)，SiC器件效率可提升1%-2%，而絕大部分的工況都處于中低速小扭矩區(qū)，因此應(yīng)用SiC器件后，車輛續(xù)航會有明顯的效率提升，總續(xù)航可以提升20公里以上。
據(jù)小鵬汽車動力總成中心IPU硬件高級專家陳宏介紹，SiC技術(shù)的應(yīng)用與整車?yán)m(xù)航里程的提升有著緊密的聯(lián)系。相比硅基IGBT，SiC MOSFET具有耐高溫、低功耗及耐高壓等特點。采用SiC技術(shù)后，電機逆變器效率能夠提升約4%，整車?yán)m(xù)航里程將增加約7%。
碳化硅(SiC)由于其獨特的物理及電子特性, 在一些應(yīng)用上成為[敏感詞]的半導(dǎo)體材料: 短波長光電器件, 高溫, 抗幅射以及高頻大功率器件，其主要特性及與硅(Si)和砷化鎵(GaAs)的對比如下。
由于碳化硅的寬能級, 以其制成的電子器件可在極高溫下工作，這一特性也使碳化硅可以發(fā)射或檢測短波長的光, 用以制作藍色發(fā)光二極管或幾乎不受太陽光影響的紫外線探測器。
碳化硅可以抵受的電壓或電場八倍于硅或砷化鎵, 特別適用于制造高壓大功率器件如高壓二極管、功率三極管、可控硅以及大功率微波器件. 另外, 此一特性可讓碳化硅器件緊密排列, 有利于提高封裝密度。
碳化硅是熱的良導(dǎo)體, 導(dǎo)熱特性優(yōu)于任何其它半導(dǎo)體材料。
事實上, 在室溫條件下, 其熱傳導(dǎo)率高于任何其它金屬，這使得碳化硅器件可在高溫下正常工作。
高飽和電子遷移速度(cm/sec @E 2x105V/cm)：
由于這一特性, 碳化硅可制成各種高頻器件(射頻及微波)。
多年來，主流的功率半導(dǎo)體技術(shù)一直（現(xiàn)在仍然）是硅基，即功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。
功率MOSFET被認(rèn)為是[敏感詞]、[敏感詞]的器件，用于適配器、電源和其他產(chǎn)品。它們用于高達900伏的應(yīng)用中。
最主要的中端功率半導(dǎo)體器件是IGBT，它結(jié)合了MOSFET和雙極晶體管的特性。IGBT用于400伏~10千伏的應(yīng)用。
問題在于，從5伏到幾百伏，硅MOSFET一直都是一種很好的技術(shù)。當(dāng)電壓達到600伏到900伏時，硅MOSFET很好，但它開始出現(xiàn)能量損失。
功率MOSFET和IGBT正在達到其理論極限，并且存在不必要的能量損失。器件因傳導(dǎo)和開關(guān)而產(chǎn)生能量損失。傳導(dǎo)損耗是由器件中的電阻引起的，而開關(guān)損耗是在開關(guān)狀態(tài)期間發(fā)生的。
典型混聯(lián)型電力驅(qū)動系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如下圖 所示，由儲能電池、雙向DC-DC 變換器、逆變器/變流器、電動機、發(fā)電機、控制電路和電感電容組成。
其中，雙向DC-DC變換器將儲能電池的電壓泵升到逆變器所需的高壓直流；逆變器/變流器將直流電壓轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電機的三相交流電；發(fā)電機與燃油發(fā)動機相連。
其較為理想的工作狀態(tài)是：啟動和低速時，燃油發(fā)動機關(guān)閉，電池向電動機供電并驅(qū)動汽車行駛；爬坡和加速時，燃油發(fā)動機和電動機可同時工作；減速和制動時，電動機和發(fā)電機均可進行再生制動，向電池充電，能量得到回收。
實際上，現(xiàn)在的大功率電力電子設(shè)備無論是成本、體積，還是功率密度，都不是很適應(yīng)汽車工業(yè)的需求。因為傳統(tǒng)的大功率電力電子設(shè)備主要面向一般工業(yè)和可再生能源領(lǐng)域，在性能上要求沒有汽車行業(yè)這么苛刻。
對于新一代大功率電動汽車，其電力驅(qū)動系統(tǒng)需從傳統(tǒng)工業(yè)級進入到真正的汽車工業(yè)級。
為此，美國能源局制定了2020 年HEV 的發(fā)展目標(biāo)：電力電子設(shè)備的功率密度超過14.1kW/kg，體積小于13.4kW/L，效率超過98%，價格低于3.3/kW。
這個發(fā)展目標(biāo)對電力電子器件和拓撲性能、控制策略、系統(tǒng)集成以及封裝都提出了新的要求和挑戰(zhàn)。
SiC 功率半導(dǎo)體器件具有Si基器件無可比擬的電氣性能：
臨界擊穿電場高達2MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐壓能力(10 倍于Si)。
由于SiC 材料的熱導(dǎo)率較高(3倍于Si)，散熱更容易，器件可工作在更高的環(huán)境溫度下。有報導(dǎo)，SiC 肖特基二極管在361℃的工作結(jié)溫下正常工作超過1 小時。
SiC 可顯著減小散熱器的體積和成本。理論上，SiC 功率器件可在175℃結(jié)溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。
上圖為采用SiC SBDs的小功率EV 車載逆變器散熱片體積和采用傳統(tǒng)Si基半導(dǎo)體器件散熱片體積的對比，可看出，采用SiCSBDs 器件散熱片的體積大大減小。
對于主流的大功率HEV，一般包含兩套水冷系統(tǒng)，一套是引擎冷卻系統(tǒng)，冷卻溫度約105℃，另一套是電力電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，冷卻溫度約為70℃。
如果采用SiC 功率器件，由于其具有3 倍于Si 的導(dǎo)熱能力，可以使器件工作于較高的環(huán)境溫度中。
長期以來，HEV 設(shè)計者一直希望將兩套水冷系統(tǒng)合二為一，其直接效益是大大降低了HEV 驅(qū)動系統(tǒng)的成本。
此外，SiC 功率器件的高導(dǎo)熱性也使風(fēng)冷在未來的中、大功率電動汽車中成為可能。
SiC 材料具有兩倍于Si 的電子飽和速度，使得SiC 器件具有極低的導(dǎo)通電阻(1/100 于Si)，導(dǎo)通損耗低；SiC 材料具有3倍于Si 的禁帶寬度，泄漏電流比Si 器件減少了幾個數(shù)量級，從而可以減少功率器件的功率損耗；關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，可大大提高實際應(yīng)用的開關(guān)頻率(10 倍于Si)。
由于器件電流密度高(如Infineon 產(chǎn)品可達700A/cm2)，在相同功率等級下，全SiC 功率模塊(SiC MOSFETsSiC SBD)的封裝尺寸顯著小于Si IGBT 功率模塊。
由于開關(guān)損耗的降低，SiC 器件能工作于20kHz 以上開關(guān)頻率，將夠顯著減小無源器件的體積和成本。
▲三菱電機 11kW Si 和SiC 逆變器體積對比，其中SiC逆變器的功率密度達到10W/cm3
隨著電動汽車以及其他系統(tǒng)的增長，碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體市場正在經(jīng)歷需求的突然激增。
這便是SiC的用武之地。基于氮化鎵（GaN）的功率半導(dǎo)體也正在出現(xiàn)。GaN和SiC都是寬帶隙技術(shù)。硅的帶隙為1.1 eV。相比之下，SiC的帶隙為3.3 eV，GaN的帶隙為3.4 eV。
SiC是一種基于硅和碳的復(fù)合半導(dǎo)體材料。在生產(chǎn)流程中，專門的SiC襯底被開發(fā)出來，然后在晶圓廠中進行加工，得到基于SiC的功率半導(dǎo)體。
許多基于SiC的功率半導(dǎo)體和競爭技術(shù)都是專用晶體管，它們可以在高電壓下開關(guān)器件的電流。它們用于電力電子領(lǐng)域，可以實現(xiàn)系統(tǒng)中電力的轉(zhuǎn)換和控制。
▲碳化硅智能功率模塊
與傳統(tǒng)硅基器件相比，SiC的擊穿場強是傳統(tǒng)硅基器件的10倍，導(dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)硅基器件的3倍，非常適合于高壓應(yīng)用，如電源、太陽能逆變器、火車和風(fēng)力渦輪機。
另外，SiC還用于制造LED。碳化硅材料各項指標(biāo)均優(yōu)于硅，其禁帶寬度幾乎是硅的3倍，理論工作溫度可達600℃，遠高于硅器件工作溫度。技術(shù)成熟度[敏感詞]，應(yīng)用潛力[敏感詞]。
在低擊穿電壓 (約 50V 下）,碳化硅器件的比導(dǎo)通 電阻僅有 1.12uΩ,是硅同類器件的約 1/100。
在高擊穿電壓 (約 5kV 下）,比導(dǎo)通電 阻提高到 25.9mΩ, 卻是硅同類器件的約 1/300。
更低的導(dǎo)通電阻使得碳化硅電力電子器件具有更小的導(dǎo)通損耗,從而能獲得更高的整機效率。
商業(yè)化的硅肖特基二極管通常耐壓在 300V 以下,而[敏感詞]商業(yè)化的碳化硅肖特基二極管的電壓定額就已近達到了600V ; [敏感詞]商業(yè)化的碳化硅 MOSFET 電壓定額為 1200V ,而常用的硅 MOSFET大多在 1kV 以下。
▲典型的EV/HEV電路框圖及適用于SiC/GaN的可能性
碳化硅器件的極限工作溫度有望達到 600℃以上, 而硅器件的[敏感詞]結(jié)溫僅為 150℃。
碳化硅器件抗輻射能力較強,在航空等領(lǐng)域應(yīng)用可以減輕輻射屏蔽設(shè)備的重量。
碳化硅器件對電動車充電模塊性能的提升主要體現(xiàn)在三方面：
（1）提高頻率，簡化供電網(wǎng)絡(luò)；
◆ 全球?qū)Φ谌雽?dǎo)體均展開全面戰(zhàn)略部署
2014年初，美國宣布成立“下一代功率電子技術(shù)國家制造業(yè)創(chuàng)新中心”，期望通過加強第三代半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，使美國占領(lǐng)下一代功率電子產(chǎn)業(yè)。
這個正出現(xiàn)的規(guī)模[敏感詞]、發(fā)展最快的新興市場，并為美國創(chuàng)造出一大批高收入就業(yè)崗位。
日本建立了“下一代功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)開發(fā)聯(lián)盟”由大阪大學(xué)牽頭，協(xié)同羅姆、三菱電機、松下電器等18家從事SiC和GaN材料、器件以及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的知名企業(yè)、大學(xué)和研究中心；歐洲啟動了產(chǎn)學(xué)研項目“LAST POWER”，由意法半導(dǎo)體公司牽頭，協(xié)同來自意大利、德國等六個歐洲國家的私營企業(yè)、大學(xué)和公共研究中心，聯(lián)合攻關(guān)SiC和GaN的關(guān)鍵技術(shù)。
我國的“中國制造2025”計劃中明確提出要大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。2015年5月，中國建立第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地，搶占第三代半導(dǎo)體戰(zhàn)略新高地；國家科技部、工信部、北京市科委牽頭成立第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA），對推動我國第三代半導(dǎo)體材料及器件研發(fā)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。
◆ 制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸在于成本和可靠性驗證
行業(yè)發(fā)展的瓶頸目前在于SIC襯底成本高：目前SIC的成本是Si的4-5倍，預(yù)計未來3-5年價格會逐漸降為Si的2倍左右，SIC行業(yè)的增速取決于SIC產(chǎn)業(yè)鏈成熟的速度，目前成本較高，且SIC器件產(chǎn)品參數(shù)和質(zhì)量還未經(jīng)足夠驗證。
SIC MOS的產(chǎn)品穩(wěn)定性需要時間驗證：根據(jù)英飛凌2020年功率半導(dǎo)體應(yīng)用大會上專家披露，目前SiC MOSFET真正落地的時間還非常短，在車載領(lǐng)域才剛開始商用（Model 3中率先使用了SIC MOS的功率模塊），一些諸如短路耐受時間等技術(shù)指標(biāo)沒有提供足夠多的驗證，SIC MOS在車載和工控等領(lǐng)域驗證自己的穩(wěn)定性和壽命等指標(biāo)需要較長時間。
根據(jù)Yole預(yù)測，SIC和GaN電力電子器件（注意是GaN在電力電子中的應(yīng)用，不包括在高頻射頻器件）2023年在整體功率器件滲透率分別為3.75%和1%；驅(qū)動因素是新能源汽車新能源發(fā)電以及快充。
目前國內(nèi)外SIC產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，成本持續(xù)下降，下游接受度也開始提升，目前整個產(chǎn)業(yè)鏈處于行業(yè)爆發(fā)的前夜。
SiC 器件：10年20倍成長，國內(nèi)全面布局
◆ 應(yīng)用：新能源車充電樁和光伏等率先采用
SiC具有前述所說的各種優(yōu)勢，是高壓/高功率/高頻的功率器件相對理想的材料,所以SiC功率器件在新能源車、充電樁、新能源發(fā)電的光伏風(fēng)電等這些對效率、節(jié)能和損耗等指標(biāo)比較看重的領(lǐng)域，具有明顯的發(fā)展前景。
高頻低壓用Si-IGBT,高頻高壓用SiC MOS,電壓功率不大但是高頻則用GaN。當(dāng)?shù)皖l、高壓的情況下用Si的IGBT是[敏感詞]，如果稍稍高頻但是電壓不是很高，功率不是很高的情況下，用Si的MOSFET是[敏感詞]。如果既是高頻又是高壓的情況下，用SiC的MOSFET[敏感詞]。電壓不需要很大，功率不需要很大，但是頻率需要很高，這種情況下用GaN效果[敏感詞]。
以新能源車中應(yīng)用SIC MOS為例，根據(jù)Cree提供的測算:將純電動車BEV逆變器中的功率組件改成SIC時,大概可以減少整車功耗5%-10%；這樣可以提升續(xù)航能力，或者減少動力電池成本。
同時SIC MOS在快充充電樁等領(lǐng)域也將大有可為?？焖俪潆姌妒菍⑼獠拷涣麟?透過IGBT或者SIC MOS轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?然后直接對新能源汽車電池進行充電，對于損耗和其自身占用體積問題也很敏感，因此不考慮成本，SIC MOS比IGBT更有前景和需求，由于目前SIC的成本目前是Si的4-5倍，因此會在高功率規(guī)格的快速充電樁首先導(dǎo)入。
在光伏領(lǐng)域，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器未來的發(fā)展趨勢，因此基于性能更優(yōu)異的SIC材料的光伏逆變器也將是未來重要的應(yīng)用趨勢。
在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時，幾乎沒有反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)時間小于20ns，因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。
另一個重要的特點是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這使得SIC肖特基二極管非常適合并聯(lián)實用，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。
5）正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作；
6）開關(guān)特性幾乎與溫度無關(guān)。
根據(jù)CASA的統(tǒng)計，業(yè)內(nèi)反應(yīng)SiC SBD實際的批量采購成交價已經(jīng)降至1元/A以下，耐壓600-650V的產(chǎn)品業(yè)內(nèi)批量采購價約為0.6元/A，而耐壓1200V的產(chǎn)品業(yè)內(nèi)批量采購價約為1元/A。
如上表所示，2019年部分SIC肖特基二極管產(chǎn)品價格實現(xiàn)了20%-35%的降幅，SIC二極管價格的持續(xù)降低以及和Si二極管價差的縮小將進一步促進SIC二極管的應(yīng)用。
SIC難度大部分集中在SIC晶片的長晶和襯底制作方面，但是要做成器件，也有一些自身的難點，主要包括：
1、外延工藝效率低：碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)量較低。
2.歐姆接觸的制作：歐姆接觸是器件器件制作中十分重要的工藝之一，要形成好的碳化硅的歐姆接觸在實際中還是有較大難度；
3.配套材料的耐高溫：碳化硅芯片本身是耐高溫的，但與其配套的材料就不見得能夠耐得住600℃以上的溫度。所以整體工作溫度的提高，需要不斷的進行配套材料方面創(chuàng)新。
SIC的優(yōu)異性能大家認(rèn)識的較早，之所以最近幾年才有較好的進展主要是因為SIC片和SIC器件兩個方面相比傳統(tǒng)的功率器件均有一些難點，器件生產(chǎn)的高難度高成本加上碳化硅片制造的高難度（后面會提及），兩者互為循環(huán)，一定程度上制約了過去幾年SIC應(yīng)用的推廣速度，隨著產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，SIC正處于爆發(fā)的前夜，拐點漸行漸近。
◆ 空間&增速：SIC 器件未來 5-10 年復(fù)合 40%增長
IHS預(yù)計未來5-10年SIC器件復(fù)合增速40%：根據(jù)IHSMarkit數(shù)據(jù)，2018年碳化硅功率器件市場規(guī)模約3.9億美元，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動，以及光伏風(fēng)電和充電樁等領(lǐng)域?qū)τ谛屎凸囊筇嵘?，預(yù)計到2027年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過100億美元，18-27年9年的復(fù)合增速接近40%。
滲透率角度測算 SIC MOS 器件市場空間：（SIC MOS 只是 SIC 器件的一種） SIC MOS 器件的下游和 IGBT 重合度較大，因此，驅(qū)動 IGBT 行業(yè)空間高成長驅(qū)動因素如車載、充電樁、工控、光伏風(fēng)電以及家電市場，也都是 SIC MOS 功率器件將來要涉足的領(lǐng)域；根據(jù)我們之前系列行業(yè)報告的大致測算，2019 年 IGBT 全球 58 億美金，中國22億美金空間，在車載和充電樁和工控光伏風(fēng)電等的帶動下，預(yù)計 2025 年 IGBT 全球 120 億美金，中國 60 億美金。
SIC MOS器件的滲透率取決于其成本下降和產(chǎn)業(yè)鏈成熟的速度，根據(jù)英飛凌和國內(nèi)相關(guān)公司調(diào)研和產(chǎn)業(yè)里的專家的判斷來看，SIC MOS滲透IGBT的拐點可能在2024年附近。
預(yù)計2025年全球滲透率25%，則全球有30億美金SIC MOS器件市場，中國按照20%滲透率2025年則有12億美金的SIC MOS空間。
即不考慮SIC SBD和其他SIC功率器件，僅測算替代IGBT那部分的SIC MOS市場預(yù)計2025年全球30億美金，相對2019年不到4億美金有超過7倍成長，且2025-2030年增速延續(xù)。
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