本文内容由第三代半导体联合创新孵化中心

（微信公众号ID：casazlkj )

根据资料整理，转载请注明出处。

SiC 应用于新能源车，可以降低损耗、减小模块体积重量、提升续航能力。

汽车行业向电动化、智能化、数字化及联网化方向发展，直接带动汽车含硅量提升。新能源电动汽车的出现意味着传统汽车的核心竞争要素将被取代，产品价值链被重塑。

我国作为全球最大的新能源汽车市场，随着特斯拉等品牌开始大量推进SiC解决方案，国内的厂商也快速跟进，以比亚迪为代表的整车厂商开始全方位布局，推动第三代半导体器件的在汽车领域加速。

受5G浪潮、汽车电气化、物联网、智慧城市、军用雷达等宏观要素推动，终端的消费电子、汽车电子带来更新换代需求；而云端数据中心催化了服务器市场的高速增长；同时5G基站新浪潮带来了通讯电源市场的爆发。

一方面受通讯电源、服务器电源的市场高速增长影响，另一方面在工商业电源中成本敏感度稍低，随着SiC、GaN产品的成本下降，大量解决方案的出台，第三代半导体产品的性价比开始凸显。

SiC在电动汽车中的应用

SiC 碳化硅材料特性

硅是半导体行业第一代基础材料，目前全球95%以上的集成电路元器件是以硅为衬底制造的。半导体材料经过几十年的发展，可以分为三代：

第一代半导体材料：锗、硅等单晶半导体材料，硅拥有1.1eV的禁带宽度以及氧化后非常稳定的特性。

第二代半导体材料：砷化镓、锑化铟等化合物半导体材料，砷化镓拥有1.4电子伏特的禁带宽度以及比硅高五倍的电子迁移率。

第三代半导体材料：以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，有更高饱和漂移速度和更高的临界击穿电压等突出优点，适合大功率、高温、高频、抗辐照应用场合。

半导材料发展至今，第一代硅材料半导体已经接近完美晶体。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅材料的极限，基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。

三代半导体材料特性参数比较

第三代半导体由于在物理结构上具有能级禁带宽的特点，又称为宽禁带半导体，主要是以氮化镓和碳化硅为代表，其在半导体性能特征上与第一代的硅、第二代的砷化镓有所区别，使得其能够具备高禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高电子饱和漂移速率等优势，从而能够开发出更适应高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的小型化功率半导体器件，可有效突破传统硅基功率半导体器件及其材料的物理极限。

宽禁带半导体更适用于高电压、高功率领域

SiC与Si相比，在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势，是材料端革命性的突破。在耐高压方面，SiC击穿场强是Si的10倍，这意味着同样电压等级的SiCMOSFET晶圆的外延层厚度只需要Si的十分之一，对应的漂移区阻抗大大降低，且SiC禁带宽度是Si的3倍，导电能力更强。在耐高温方面，SiC热导率及熔点非常高，是Si的2-3倍。在高频方面，SiC电子饱和速度是Si的2-3倍，能够实现10倍的工作频率。

根据Rohm对SiCMOSFET在汽车应用中的进度预测，随着技术成熟，SiCMOSFET将逐渐替代部分SiMOSFET。通过采用全SiC功率模块制造的逆变器可以使开关损耗降低75％（芯片温度为150°C），逆变器尺寸下降43%，重量轻6kg，最终汽车连续续航距离增加20-30%。

Rohm对SiCMOSFET在汽车应用中的进度预测

SiC功率模块带来的逆变器升级

目前SiC市场渗透率相对较低，根据Cree对SiC器件的预测，18年全球SiC的器件销售额4.2亿美元，预计在2024年达到50亿美元。特斯拉2018年将SiC用于

从竞争格局上看，Cree、Rohm、ST都已形成了SiC衬底-外延-器件-模块垂直供应的体系，而Infineon、Bosch、OnSemi等厂商则购买SiC衬底，随后自行进行外延生长并制作器件及模块。目前SiC市场的供给牢牢把控在衬底厂商手里，Cree、II-VI及Si-Crystal（Rohm旗下）合计占据了90%的出货量，而器件及模组的供应商中Cree、Rohm、Infineon及ST合计占据了超过70%的市场份额，但总体上由于市场目前还处于初期阶段，渗透率较低，未来几年的竞争格局还有较大不确定性。

SiC 碳化硅在新能源汽车应用中的优势

SiC提升电能转换效率，增加续航里程续航里程是电动车的一大痛点。结合英飞凌的研究数据，我们认为SiC器件可以从导通/开关两个维度降低损耗，整体损耗相比Si基器件降低80%以上，实现增加电动车续航里程的目的。

►SiC材料临界击穿电场高，导通电阻低，可降低器件的导通损耗。由于SiC的禁带宽度（3.3eV）远高于Si（1.1eV），因此其漂移区宽度得到大大缩短、可实现的掺杂浓度也得到提高。在SiCMOSFET导通时，正向压降和损耗都小于Si-IGBT。根据英飞凌研究，当负载电流为15A时，常温下SiCMOSFET的正向压降只有SiIGBT的一半，在175℃结温下，SiCMOSFET的正向压降约是SiIGBT的80%。

►SiC-MOSFET不存在拖尾电流，载流子迁移率高，降低器件开关损耗。Si-IGBT模块中会集成快恢复二极管（FRD），在关断会存在反向恢复电流及拖尾电流，导致其开关速度受到限制，从而造成较大的关断损耗。而SiC-MOSFET属于单极器件，更像一个刚性开关，不存在拖尾电流，且较高的载流子迁移率（约Si的3倍）也减少了开关时间，损耗因此得以降低。根据英飞凌研究，在25℃结温下，SiCMOSFET关断损耗大约是SiIGBT的20%；在175℃的结温下，SiCMOSFET关断损耗仅有IGBT的10%。

SiC的材料特性有助于降低器件导通和开关损耗

SiC器件的损耗相比Si基器件降低80%以上

SiC助力新能源车实现轻量化。轻量化是整车厂的不懈追求。我们认为SiC器件具备高饱和速率、高电流密度、高热导率的特点，有利于新能源汽车零部件轻量化的实现。

►SiC材料具备更高的电流密度，相同功率等级下封装尺寸更小。SiC具备较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度。在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，有助于提升系统的功率密度。以IPM为例，碳化硅功率模块体积可缩小至硅功率模块的2/3-1/3。

►SiC能够实现高频开关，减少无源器件的体积和成本。SiC材料的电子饱和速率是Si的2倍，有助于提升器件的工作频率；此外，如上文所述，高临界击穿电场（10倍于Si）的特性使其能够将MOSFET带入高压领域，克服IGBT开关过程中的拖尾电流问题，开关损耗低，提升实际应用中的开关频率，减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用，从而减少系统体系和重量。在实现相同电感电流的情况下，开关频率越高，可以适当降低电感值。

►SiC禁带宽且具有良好的热导率，可以减小散热器的体积和成本。由于SiC材料具有宽禁带宽度且热导率高的特点，更容易散热，器件可以在更高的环境温度下工作。理论上，SiC功率器件可在175℃结温下工作。主流电动汽车一般包含两套水冷系统——引擎冷却系统和电力电子设备的冷却系统，冷却温度分别为105和70℃。如果采用SiC功率器件，可以使器件工作于较高的环境温度中，有望实现两套水冷系统合二为一，甚至采用风冷系统，减少散热器体积及成本。

SiC的器件特性有助于电动车实现轻量化

快充使得整车电平提高，IGBT工作电压恐难满足需求

实现快充的关键是通过增大电流或提升电压提升充电功率，由于电流提升存在可预见的上限，高电压是实现快充的必然趋势。根据e-technology的研究，受到充电插头及电芯的温度限制，即使采用液冷充电插头，电动车充电也存在500A的电流上限，要实现200kW以上的快充功率，电动车必然会从400V系统转向800V系统。同时，达到相同功率的情况下，提升电压则可以相应降低电流，减少散热及导线横截面。根据e-technology的估算，以100kWh的电池为例，从400V电车系统提升为800V电车系统，由于电池散热减重及导线质量降低可以推动电池实现25kg的重量降低，降低电车能耗，提升电车续航里程。

SiC 碳化硅市场预测

国内外的企业都已意识到了碳化硅（SiC）的先进性并纷纷布局。从上世纪80年代开始，丰田已经研究布局碳化硅（SiC），比国际同行提前30年。当前全球市场中，科瑞公司、英飞凌、罗姆、意法半导体等企业在此方面优势明显。

据专业机构预测，2021 年国内SiC 器件/模块市场规模为10 亿元/24 亿元，2025 年有望达到62 亿元/78 亿元，年复合增速达58%/35%，迎来高速增长期功率开关器件在新能源汽车中的应用范围很广，其中主要包括主逆变器、直流DC/DC 转换器、车载充电机等。

以新能源车出货量为基础，配合渗透率、SiC模块/器件单车价值等假设测算，得出2025 年中国新能源车及周边应用将带来62 亿元的SiC器件市场空间，78 亿元的SiC 模块市场空间（包含器件成本），2021-2025 年复合增速达58%/35%。

中国新能源车用SiC 模块及器件市场测算表

本文内容由第三代半导体联合创新孵化中心（ID：casazlkj )根据相关资料整理，转载请注明出处。本文任何之观点，皆为交流探讨之用，不构成任何投资建议，也不代表本公众号的立场。如果有任何异议，欢迎联系国际第三代半导体众联空间。

第三代半导体材料及应用联合创新基地

第三代半导体联合创新创业孵化中心

国际第三代半导体众联空间

更多精彩内容，敬请关注：微信公众号 casazlkj