深圳国际半导体-SiC专场高峰论坛

第四届第三代半导体产业发展高峰论坛分为碳化硅和氮化镓两大板块.



SiC专场论坛

主要涉及SiC材料特性及应用，分析了SiC单晶生长技术，碳化硅功率器件应用，半导体外延片的发展，以及量产解决方案等。



物理气相传输法是制备 SiC 衬底最常用的方法。目前 SiC 晶体生长包括物理气 相传输法（PVT）、高温化学气相沉积法（HT-CVD）、液相法（LPE）三种。




SIC在高温、高压、大电流和高频场合优势突出，不管是击穿电场，禁带宽度，电子饱和速度和导热系数都远高于硅，加上其低损耗，决定了碳化硅在射频器件和功率器件上的广泛应用。 其中SiC功率器件占主要市场应用。

射频器件材料主要有三种：GaAs,基于Si的LDMOS以及GaN. 在射频器件应用领域常用的SIC材料多指半绝缘型碳化硅衬底。半绝缘型碳化硅衬底制备的氮化镓射频器件主要为面向通信基站和雷达应用的功率放大器。

SIC碳化硅功率器件



碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、高频率、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势，将极大地提高现有使用硅基功率器件的能源转换效率，对高效能源转换领域产生重大而深远的影响，主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。



SiC、GaN和Si等三类半导体材料功率器件对比及其市场占比：







碳化硅应用-新能源汽车





新能源车将成为 SiC 最大市场。电动汽车中需要使用碳化硅器件的装置：DC/AC主逆变器，汽车空调，OBC车载充电器，电池充电器，电机驱动器，DC/DC变换器等。SiC器件可以使纯电动汽车、混合动力车的电机控制系统损失的功率降低到1/10，实现低功耗化；同时，能将新能源汽车的效率提高10%，使用SiC工艺生产的功率器件的导通电阻更低、芯片尺寸更小、工作频率更高，并可耐受更高的环境温度。其中，SiC SBD、SiC MOSFET 器件主要应用于OBC 与DC/DC，SiC MOSFET主要用于电驱动。





特斯拉 Model 3~ 车型采用了意法半导体的碳化硅MOSFET模块，显著提升年辆续航里程与性能。

2020年，比亚迪高端车型“汉”搭载了碳化硅器件；预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中实现碳化硅器件对硅基IGBT器件的全面替代，将整车性能在现有基础上再提升10%



* 相比硅基器件，引入碳化硅后，逆变器输出功率可增至2.5倍，体积缩小1.5倍，功率密度为原有3.6 倍。



* 以22kW双向OBC为例，SiC系统成本与Si相比，减少了15%；同时能量密度是Si系统的1.5 倍，通过减少能耗每年可减少单位成本40美元左右。



基于碳化硅研制的功率器件，为氢能汽车燃料电池 DC/DC 变换器带来革命性的创新。为能够适配使用原有400v直流快充桩，搭载800v电压平台新车须配有额外DCDC转换器进行升压，进一步增加对DCDC的需求。



相比传统基于 IGBT 模块变换器产品，SiC 基功率器件开关频率提升4 倍以上、功率密度提升3 倍以上，系统平均效率大于97%，最高效率可达99%。



在新能源汽车上，硅基功率器件具备成本优势，也仍将占据一定市场份额，并与宽禁带半导体器件长期并存。未来，硅基IGBT模块及SiC模块也将成为新能源汽车半导体中的主要应用形式。相对于硅基器件，SiC功率半导体在高工艺、高性能与成本间的平衡，将成为SiC功率器件真正大规模落地的关键核心点。





根据Yole报告，2021年碳化硅功率器件的市场规模为11亿美元，受益于 电动汽车/充电桩、 光伏新能源等市场需求驱动，预计2027年将增长至63亿美元，复合年增长率CAGR约34%。而电动车（逆变器+OBC+DC/DC转换器）是SiC最大的下游应用，占比由62.8%增长到79.2%，市场份额持续提升。碳化硅材料性能上限高，与新能源车高度适配；而新能源汽车市场快速发展将推动碳化硅市场快速增长。在国产替代的需求和政策刺激下，也期待国内的SiC企业能够承担起满足市场需求的重任，迎接SiC“上车”时代的到来。

碳化硅应用-泛新能源



光伏和储能



光伏储能是 SiC 功率器件第二大应用市场，2021 年该全球市场规模为 1.5 亿美元，预计至 2027 年增加至 4.6 亿美元，2021-27 年 CAGR 为 20.0%。在光伏发电中，传统 Si 逆变器成本约占10%， 但却是系统能量损耗的主要来源之一。使用 SiC 器件的光伏逆变器可以将能量损耗降低50%以上 ，将能量转换效率从96%提升至99%，且能提高设备循环寿命50倍并缩小设备体积。SiC 凭借自身导通电阻低开关损耗小的优势，代替传统 Si 器件为大势所趋，可有效助力光伏与储能系统，节约全球能源。



据 SolarPower Europe 数据，在中性预期下，全球光伏新增装机量将以 15.6% CAGR 从2021年的 168GW增长至2026年的346GW，而光伏逆变器中 SiC 器件的市场渗透率将在同年提升至50%左右。 第三代芯片的市场占有率将随着装机量与渗透率的提升而持续扩大。

充电桩：充电桩向大功率方向发展，SiC 器件渗透率进一步提升.

碳化硅MOSFET是宽禁带高速器件，可以实现高压大电流高速开关，从而使得相关应用的实现带来革命性的变化，直流充电桩就是其中之一，碳化硅也进一步推动了直流充电桩的发展。尽管碳化硅成本相比传统硅器件高，但在充电桩的应用中，由于功率密度提高，反而能够降低充电桩的系统成本。随着超充、快充需求的增加，全 SiC 模块开始在充电桩上大量采用，根据各公司官网参数，800V 架构的高性能充电桩大部分采用全 SiC 模块。因此，可提供高功率密度、耐高温的碳化硅功率器件，自然成为电动汽车充电桩的最佳选择。



SiC 二极管的典型应用：汽车、工业能源、消费



碳化硅二极管具有快速开关速度和高电压承受能力，适用干高频和高温应用，如电源和射频电路等，此外，碳化硅二极管还具有低反向漏电流和低开关电容等优点，能够提高系统效率并减少能量浪费。碳化硅二极管在高功率、高频、高温等极端环境下具有优异的性能，所以可以用于许多领域，如电源电路、电动汽车、太阳能逆变器、LED照明等。


 
以上是针对此次深圳国际半导体高峰论坛SiC专场的学习和拓展，磨澳将继续学习为大家提供更多行业资讯以及半导体行业“切磨抛”，后续将针对GaN专场进行总结和分享。