SiC材料具有高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、高電子飽和率、高漂移速率，以及高抗輻射能力等優(yōu)越性能，這些優(yōu)勢(shì)有望大幅降低電力電子裝置的損耗和體積、重量，因而SiC電力電子器件在高效率、高頻率和高溫度的電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，具有Si功率器件難以比擬的巨大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。SiC 作為第三代化合物半導(dǎo)體，相比Si具有大禁帶寬度、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率三個(gè)最顯著特征。4H-SiC的禁帶寬度是Si的3倍，因此SiC材料能夠在更高溫（如汽車電子）下穩(wěn)定工作。SiC的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)可以達(dá)到Si的10倍，與Si器件相比，SiC 可以在更高雜質(zhì)濃度、更薄漂移層厚度的情況下制作出高耐壓功率器件。從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)“高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高頻”三個(gè)特性。SiC 的導(dǎo)熱率可達(dá) Si 的 3 倍，因此能夠提高熱傳導(dǎo)能力。隨著電子元器件集成度提升，功率和密度增大，單位體積發(fā)熱量增加，高導(dǎo)熱率的材料有利于元器件向更小型化發(fā)展。

 

 

當(dāng)采用SiC時(shí)，電源的開關(guān)頻率可以設(shè)計(jì)得更高，這將提高器件的能效，降低無源元件的尺寸/成本，因?yàn)闊o源器件在應(yīng)用系統(tǒng)總成本中占比很高。而采用較小的無源器件時(shí)，還可以縮減模塊的整體尺寸，并且可以再一次降低應(yīng)用整體成本。此外，當(dāng)使用SiC解決方案獲得更高能效時(shí)，可以降低動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的尺寸，同樣也能降低整車的總體成本。根據(jù) Cree公司的測(cè)算，采用SiC可節(jié)省5-10%的電池使用量，每輛車成本節(jié)約 400-800美元，價(jià)格只增加200美元，每輛車凈節(jié)省200-600美元。

 

 

體積縮小60%以上，重量降低近40%，功率密度提升近3倍；開關(guān)頻率達(dá)到20kHz以上，電容減少30%以上，諧波減??；電驅(qū)系統(tǒng)的開關(guān)噪音減小約6dB。其中，小功率/小負(fù)載區(qū)，SiC系統(tǒng)效率提高了6~20%；中功率/中負(fù)載區(qū)，SiC電控效率提高3~5%；大功率/大負(fù)載區(qū)，SiC電控效率提高1~2%。

 

 

 

SiC樣機(jī)Si產(chǎn)品相比，效率方面，SiC效率提高約2%，最高達(dá)到97%；功率密度方面，體積下降40%，功率密度提高約65%。

 

 

 

SiC樣機(jī)（2.8kW）與Si控制器（2.2kW）相比，SiC樣機(jī)效率提高約4%，最高達(dá)到96%；SiC輸出功率增大27%；功率密度提升約60%。

 

 

相比傳統(tǒng)的硅器件，碳化硅功率器件在充電樁領(lǐng)域應(yīng)用可以提升電源系統(tǒng)開關(guān)頻率和效率，并降低無源器件（電感、電容等）的重量和體積，提升系統(tǒng)功率密度。比如市面上主流的15kW充電樁模塊，一臺(tái)15kW的充電樁模塊電源內(nèi)部一般會(huì)用到４顆或８顆SiC MOSFET，具體使用數(shù)量取決于所選器件的導(dǎo)通電阻值和輸出電流。

 

 

據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）統(tǒng)計(jì)，中國新能源汽車的市場(chǎng)規(guī)模占全球的40%-50%。我國2020年新能源汽車產(chǎn)量為136.6萬輛，預(yù)計(jì)2021年產(chǎn)量將達(dá)到250萬輛，同比增長83%。

 

 

 

 

CASA Research預(yù)計(jì)國內(nèi)2025年新能源汽車產(chǎn)量將達(dá)到640萬輛，2030年達(dá)到1520萬輛，2035年達(dá)到2000萬輛。根據(jù)《新能源汽車發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》（國辦發(fā)（2020）39號(hào)），到2025年，我國新能源汽車新車銷量占比達(dá)到20%左右；到2035年，純電動(dòng)汽車成為新銷售車輛的主流，公共領(lǐng)域用車全面電動(dòng)化。

 

 

整車龍頭企業(yè)已經(jīng)引入SiC，更多企業(yè)列入未來規(guī)劃。整體來看，國內(nèi)新能源汽車企業(yè)首先在OBC和DC-DC中應(yīng)用SiC器件，然后逐步滲透到可靠性要求更高的電機(jī)控制器。據(jù)了解，比亞迪、北汽新能源、吉利汽車、上海大眾、尼桑在其部分車型中的OBC和DC-DC中使用了SiC器件；比亞迪、特斯拉上海工廠、宇通客車、吉利汽車在電機(jī)控制器中使用了SiC器件；傳統(tǒng)車企北汽新能源、江淮汽車、紅旗、現(xiàn)代、本田、寶馬、奧迪以及造車新勢(shì)力如蔚來、小鵬、理想等企業(yè)即將在其主驅(qū)逆變器中采用SiC。據(jù)調(diào)研，比亞迪2016年開始將SiC MOSFET大規(guī)模應(yīng)用于新能源汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器（OBC）產(chǎn)品中，2020年應(yīng)用于比亞迪漢電機(jī)控制器中；北汽新能源2018年開始在車載充電機(jī)和DC/DC中使用SiC器件，預(yù)計(jì)2023年及以后應(yīng)用于電機(jī)控制器，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)在進(jìn)行整車高溫試驗(yàn)。

 

 

 

電驅(qū)動(dòng)集成系統(tǒng)推動(dòng)SiC上車應(yīng)用。已有多家零部件供應(yīng)商發(fā)布了開發(fā)、量產(chǎn)SiC電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)劃，例如國外的博世、德爾福、采埃孚、法雷奧，國內(nèi)的比亞迪、精進(jìn)電動(dòng)、上海電驅(qū)動(dòng)、緯湃科技等。

 

 

另外，新能源汽車電驅(qū)動(dòng)直流電壓平臺(tái)逐漸上升到800V，SiC功率半導(dǎo)體將成為必然選擇。從400V提升到800V，意味著電動(dòng)汽車所有的高壓元器件及管理系統(tǒng)都要提高標(biāo)準(zhǔn)，首當(dāng)其沖的就是逆變器。功率器件是電動(dòng)汽車逆變器的核心能量轉(zhuǎn)換單元，目前，傳統(tǒng)IGBT通常適應(yīng)的高壓平臺(tái)在600-700V左右，如果直流母線電壓提升到800V以上，那么對(duì)應(yīng)的功率器件耐壓則需要提高到1200V左右。SiC由于其高耐壓的特性，在1200V的耐壓下阻抗遠(yuǎn)低于Si，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通損耗會(huì)相應(yīng)降低，同時(shí)由于SiC可以在1200V耐壓下選擇MOSFET封裝，可以大幅降低開關(guān)損耗，這將大幅提高功率器件的效率，有研究指出，應(yīng)用1200V的碳化硅模塊較750V的IGBT模塊可以將整車能耗降低7.9%。

 

 

據(jù)調(diào)研了解，國內(nèi)新能源汽車?yán)m(xù)航里程500km以上車型的電機(jī)控制器SiC滲透率將逐漸加速，到2023年左右達(dá)到100%；續(xù)航里程400km-500km新能源汽車車型電機(jī)控制器將在2023年左右開始使用SiC功率半導(dǎo)體，整體滲透率在40%左右；續(xù)航里程400km以下車型電機(jī)控制器將在2025年以后使用SiC功率半導(dǎo)體，整體滲透率小于10%。

 

據(jù)CASA Research數(shù)據(jù)顯示，2021年國內(nèi)新能源汽車SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模（含充電樁）約為31.2億元，到2026年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到193.6億元，年均復(fù)合增長率44%。其中，2021年國內(nèi)新能源汽車SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約為30億元，到2026年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到170億元，年均復(fù)合增長率41.5%；2021年國內(nèi)充電樁SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約為9400萬元，到2026年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到25億元，年均復(fù)合增長率92.7%。國內(nèi)新能源汽車SiC的應(yīng)用進(jìn)展持續(xù)快于預(yù)期，CASA Research在《第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》（2020）的基礎(chǔ)上修正了預(yù)測(cè)模型相關(guān)參數(shù)，以便更好地服務(wù)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

 

國內(nèi)新能源汽車SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)引領(lǐng)全球SiC市場(chǎng)發(fā)展。據(jù)Yole 2020年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2019年全球新能源汽車SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約為14.6億元，年均復(fù)合增長率38%，到2025年市場(chǎng)規(guī)模約為100億元。2019年全球充電基礎(chǔ)設(shè)施SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約為3250萬元，年均復(fù)合增長率90%，到2025年市場(chǎng)規(guī)模約為14.6億元?？傮w來看，Yole 在2020年對(duì)新能源汽車SiC功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)預(yù)期偏低，對(duì)我國市場(chǎng)的發(fā)展預(yù)估不足。

 

 

我國SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)取得了長足的進(jìn)步，據(jù)《第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展年報(bào)》（2020年）數(shù)據(jù)顯示，2020年我國SiC、GaN電力電子產(chǎn)值規(guī)模達(dá)44.7億元，同比增長54%，襯底材料約2.2億元，外延及芯片約5億元，器件及模組約7.2億元，裝置約30億元，相較前幾年，中下游的增長速度加快。同時(shí)，我國SiC產(chǎn)業(yè)也面臨一些矛盾，解決這些問題需要全行業(yè)的共同努力。

 

 

據(jù)CASA Research測(cè)算，國內(nèi)2021年新能源汽車市場(chǎng)6英寸SiC晶圓需求量超過10萬片，預(yù)計(jì)到2026年需求量將增長到近70萬片。若考慮新能源汽車、PV光伏、5G電源、軌道交通等其他應(yīng)用，國內(nèi)2021年6英寸SiC晶圓需求量在20-25萬片之間，預(yù)計(jì)到2026年需求量將增長到150萬-200萬片之間。

 

據(jù)《第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》（2020年）數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)SiC導(dǎo)電型襯底折算4英寸產(chǎn)能約為40萬片/年，SiC-on-SiC 外延片（表示在碳化硅襯底上沉積碳化硅）折算 6 英寸產(chǎn)能約為22萬片/年，SiC-on-SiC 器件/模塊（4/6 英寸兼容）產(chǎn)能約26萬片/年。

 

 

在此情況下，國際企業(yè)已經(jīng)完成大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)，2020年-2022年產(chǎn)能將逐步釋放。科銳預(yù)計(jì)在2024 年前產(chǎn)能擴(kuò)充30倍，羅姆在2024年前產(chǎn)能擴(kuò)充16倍等?？其J、英飛凌、羅姆、X-Fab等均已實(shí)現(xiàn)6英寸產(chǎn)線量產(chǎn)，預(yù)計(jì)2022年升級(jí)到8英寸產(chǎn)線。

 

 

產(chǎn)業(yè)小，市場(chǎng)大。與國際企業(yè)相比，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍然較小，企業(yè)優(yōu)勢(shì)不明顯。各細(xì)分應(yīng)用市場(chǎng)的核心器件均由Cree | Wolfspeed、ROHM、Infineon等國外企業(yè)占據(jù)，國產(chǎn)產(chǎn)品市占率不足10%。整體來看，國內(nèi)前幾家的市場(chǎng)占比仍然較小，而領(lǐng)先企業(yè)的SiC產(chǎn)品的單獨(dú)銷售規(guī)模也未超過10億元，并未形成具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的龍頭企業(yè)。隨著越來越多的資本和競(jìng)爭者進(jìn)入該領(lǐng)域，預(yù)計(jì)未來幾年，國內(nèi)企業(yè)的兼并、重組事件將增多，產(chǎn)業(yè)鏈的聚集與融合將成為常態(tài)。

 

產(chǎn)品慢，市場(chǎng)快。整體來看，國際企業(yè)從產(chǎn)品數(shù)量、技術(shù)指標(biāo)、企業(yè)規(guī)模等各方面都超過國內(nèi)企業(yè)，國內(nèi)下游整車企業(yè)從產(chǎn)品可靠性、批量供應(yīng)能力等方面考慮優(yōu)先選擇國外大企業(yè)進(jìn)行合作，國內(nèi)SiC產(chǎn)品上車適用的機(jī)會(huì)較少。國內(nèi)能批量生產(chǎn)SiC單晶襯底的公司包括天科合達(dá)、山東天岳、爍科晶體、同光晶體等，中科鋼研、南砂晶圓、福建北電新材料、世紀(jì)金光、中電化合物、江蘇超芯星等公司具備供貨能力。批量出貨的SiC外延企業(yè)為瀚天天成和東莞天域，中電科55所、中電科13主要自用。SiC器件能夠出貨的企業(yè)主要有泰科天潤、55所、華潤微、上海瀚薪科技、瞻芯電子、基本半導(dǎo)體、鍇威特、三安集成等。SiC模塊目前正在推進(jìn)布局的企業(yè)包括華微電子、士蘭微、江蘇宏微、斯達(dá)半導(dǎo)體、中恒微、芯聚能等。

 

 

 

 

 

資本加持，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善。我國第三代半導(dǎo)體SiC投資逐年增加，逐漸形成了襯底、外延、器件/模組、應(yīng)用及裝備輔料完整產(chǎn)業(yè)鏈。據(jù)《第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展年報(bào)》（2020年）數(shù)據(jù)顯示，2020年SiC投資17筆，涉及金額550億元。據(jù)CASA Research不完全統(tǒng)計(jì)，2021年上半年SiC投資17筆，涉及金額140億元（不完全披露）。

 

另一方面，“產(chǎn)線多、產(chǎn)品少”的現(xiàn)象較為突出。由于5G、人工智能、新能源等發(fā)展提速，對(duì)半導(dǎo)體需求猛增，產(chǎn)業(yè)的關(guān)注度日益增高，國產(chǎn)化替代成為發(fā)展趨勢(shì)，也出現(xiàn)了各地方半導(dǎo)體項(xiàng)目一哄而上、部分低水平重復(fù)的現(xiàn)象，第三代半導(dǎo)體相關(guān)項(xiàng)目估值過高，造成了不理性的市場(chǎng)表現(xiàn)和資源浪費(fèi)。據(jù)CASA Research不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年上半年，SiC襯底已有產(chǎn)線17條，在建產(chǎn)線超過10條；SiC器件/模組已有產(chǎn)線13條，在建產(chǎn)線超過10條。但是，能夠批量出貨的產(chǎn)線并不多。

 

投資切忌“急功近利”，企業(yè)要加強(qiáng)“內(nèi)功修煉”。政府部門和投資機(jī)構(gòu)要保持清醒的頭腦，有所為有所不為，引導(dǎo)資本流向具備量產(chǎn)能力的項(xiàng)目，不要盲目引進(jìn)新的項(xiàng)目，避免資源的過度浪費(fèi)；鼓勵(lì)建設(shè)國家級(jí)、省部級(jí)等公共技術(shù)研發(fā)平臺(tái)及中試驗(yàn)證平臺(tái)，開展從材料、工藝、集成、應(yīng)用全鏈條關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)小批量中試驗(yàn)證；鼓勵(lì)企業(yè)研發(fā)更大尺寸晶圓、開發(fā)新的制造工藝、提升產(chǎn)品質(zhì)量，打造一批自主創(chuàng)新能力強(qiáng)、技術(shù)水平先進(jìn)、市場(chǎng)占有率高、競(jìng)爭能力強(qiáng)的領(lǐng)軍企業(yè)；鼓勵(lì)有條件的企業(yè)有序擴(kuò)產(chǎn)和具備量產(chǎn)條件的項(xiàng)目落地，加強(qiáng)窗口指導(dǎo)，避免不符合地方發(fā)展需求和實(shí)際的SiC半導(dǎo)體項(xiàng)目盲目落地。

 

 

我國擁有全球最大的新能源汽車應(yīng)用市場(chǎng)，如何形成對(duì)我國SiC產(chǎn)業(yè)的有效拉動(dòng)成為行業(yè)各方共同探討的問題。首先，強(qiáng)化技術(shù)攻關(guān)。要加速突破襯底材料、外延、芯片和封裝測(cè)試瓶頸；要不斷開發(fā)新工藝和新技術(shù)，加速實(shí)現(xiàn)6英寸SiC襯底和外延材料的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移，降低材料的缺陷密度，提升產(chǎn)品良率并降低成本；盡快推出符合新能源汽車應(yīng)用的SiC MOSFET產(chǎn)品；推動(dòng)建設(shè)國際一流的SiC、GaN IDM和Foundry等。其次，推進(jìn)車規(guī)級(jí)SiC半導(dǎo)體認(rèn)證體系。構(gòu)筑車規(guī)半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)體系，打造專業(yè)的車規(guī)半導(dǎo)體測(cè)試平臺(tái)，推進(jìn)半導(dǎo)體上車前的車規(guī)測(cè)試，并與國外產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)標(biāo)測(cè)試，整合國內(nèi)半導(dǎo)體優(yōu)勢(shì)資源，解決共性關(guān)鍵產(chǎn)品技術(shù)和測(cè)試技術(shù)，推進(jìn)車規(guī)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化。第三，加大國產(chǎn)SiC半導(dǎo)體產(chǎn)品的試用和驗(yàn)證。政府組織整車企業(yè)和SiC半導(dǎo)體企業(yè)成立試用驗(yàn)證平臺(tái)，并出臺(tái)保險(xiǎn)補(bǔ)償機(jī)制，鼓勵(lì)整車企業(yè)敢用、愿用國產(chǎn)產(chǎn)品。通過真實(shí)應(yīng)用環(huán)境考驗(yàn)，不斷試錯(cuò)、發(fā)現(xiàn)和解決器件問題，提升國內(nèi)SiC半導(dǎo)體企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭力，降低國內(nèi)應(yīng)用企業(yè)的供應(yīng)鏈安全風(fēng)險(xiǎn)。