碳化硅功率器件的應用機會(huì )及未來(lái)

5 月 17 日，深圳市森國科科技股份有限公司董事長(cháng)楊承晉在 2023 第四屆產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇中，作了《碳化硅功率器件的應用機會(huì )及未來(lái)》的主題演講。

楊承晉董事長(cháng)主要圍繞碳化硅功率器件、碳化硅器件的未來(lái)應用做了分享。

碳化硅材料優(yōu)勢

相對于第一代（硅基）半導體，第三代半導體禁帶寬度大，電導率高、熱導率高。第三代半導體的禁帶寬度是第一代和第二代半導體禁帶寬度的近 3 倍，具有更強的耐高壓、高功率能力。

碳化硅更適合作為襯底材料。在高壓和高可靠性領(lǐng)域選擇碳化硅外延，在高頻領(lǐng)域選擇氮化鎵外延。

碳化硅襯底器件體積小。由于碳化硅具有較高的禁帶寬度，碳化硅功率器件可承受較高的電壓和功率，其器件體積可變得更小，約為硅基器件的 1/10。碳化硅器件電阻更小。同樣由于碳化硅較高的禁帶寬度，碳化硅器件可進(jìn)行重摻雜，碳化硅器件的電阻將變得更低，約為硅基器件的 1/100。

碳化硅襯底材料能量損失更小。在相同的電壓和轉換頻率下，400V 電壓時(shí)，碳化硅 MOSFET 逆變器的能量損失約為硅基 IGBT 能量損失的 29%-60% 之間；800V 時(shí)，碳化硅 MOSFET 逆變器的能量損失約為硅基 IGBT 能量損失的 30%-50% 之間。

碳化硅器件特性

碳化硅器件在具體應用場(chǎng)景中表現出的特性是:1、耐高溫:硅基材料 120°C 場(chǎng)景需要散熱，使用 SiC 在 175°C 結溫不需要散熱，可承受 600°C 以上高溫環(huán)境。2、高壓大功率:二極管 600-1700V，MOS 管 800-3300V，如新能源車(chē)直流快充僅 15 分鐘可完成 80%。3、高頻率:能量損耗減少了四分之三，轉化率高，如提升了新能源車(chē) 5%-10% 續航能力。4、小體積:因為阻抗小，同性能的碳化硅器件尺寸縮小到硅基的十分之一，模組尺寸更大幅縮小。未來(lái)在高壓、高頻、大功率、環(huán)境惡劣的場(chǎng)景下，碳化硅器件將逐漸替代硅基器件。

如何突破功率半導體器件性能天花板?

為了突破功率半導體器件性能天花板，需要發(fā)力的幾個(gè)點(diǎn)是：高耐壓:在大功率應用中，耐壓能力是一個(gè)重要的硬指標；高頻率:更高的開(kāi)關(guān)頻率不僅能夠提升功率器件自身的性能，還能夠帶來(lái)一個(gè)明顯的優(yōu)勢，就是允許使用更小的外圍元件，進(jìn)而減小系統整體的尺寸；高可靠:由于要承載更高的功率密度，所以功率器件需要耐高溫，具有更高的熱穩定性，以及對抗過(guò)流過(guò)壓等瞬變的能力。低功耗:影響功率器件功耗的因素有很多，以一個(gè)功率二極管為例，其功耗主要包括與反向恢復過(guò)程相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗、與正向壓降 VF 相關(guān)的正向導通損耗，以及反向漏電流帶來(lái)的反向損耗。

根據 Yole 預測，預計到 2027 年,SiC 器件市場(chǎng)將從 2021 年的 10 億美元業(yè)務(wù)增長(cháng)到 60 億美元以上，主要包括新能源汽車(chē)、泛新能源市場(chǎng)。

碳化硅的應用

碳化硅應用-新能源汽車(chē)

新能源汽車(chē)從 400V 平臺向 800V 平臺躍遷已是業(yè)內共識，可使汽車(chē)電池在 10 分鐘內充滿(mǎn) 80% 電量，解決「里程焦慮」和「充電焦慮」。SiC 逆變器使得電源頻率增加，電機轉速增加，相同功率下轉矩減小，體積減小。800V 架構時(shí)代來(lái)臨，SiC 在高壓下較 IGBT 性能優(yōu)勢更為明顯，損耗降低度更大。SiC 在新能源車(chē)主逆變器及 OBC 中滲透率將快速提升。

如今新能源汽車(chē)使用碳化硅器件已經(jīng)蔚然成風(fēng)：

2018 年特斯拉從 Moldel 3 開(kāi)始大規模采用 SiC 功率器件。2019 年，保時(shí)捷率先量產(chǎn) 800V 高電壓平臺電動(dòng)車(chē) Taycan，其最大充電功率可達 270kW。2020 年，現代集團發(fā)布 E-GMP 平臺，搭載 400V/800V 超高壓充電系統，可實(shí)現充電 5 分鐘續航 100km。2021 年，奧迪發(fā)布 PPE 平臺的 A6e-tron 概念車(chē)，搭載 800V 高壓電氣系統。2021 年，比亞迪發(fā)布 e 平臺 3.0，該平臺具備 800V 高壓閃充技術(shù)，最高可實(shí)現充電 5 分鐘續航 150km。2021 年，北汽極狐發(fā)布極狐 aSHi 版，具備 800V 充電架構，實(shí)現 10 分鐘補充 196 公里續航的電量。2021 年 10 月，小鵬汽車(chē)公布首個(gè)量產(chǎn)的 800V 高壓 SiC 平臺，充電 5 分鐘最高可補充續航 200 公里。

碳化硅應用-光伏逆變

預計到 2025 年時(shí)，全球光伏新增裝機量有望增加至 287GW，2019-2025 年間復合增長(cháng)率為 16.40%。其中逆變器市場(chǎng)需求將大幅增長(cháng)。

SiC MOSFET 或 SiC MOSFET+SiCSBD 模組的光伏逆變器能將轉換效率由 96% 提升至 99% 以上，能量損耗可降低 50% 以上，設備循環(huán)壽命提升 50 倍。對于 100kW 的太陽(yáng)能逆變器，其平均需要 30-50 顆 SiC 器件。二極管與三極管比例在 4:1 與 5:1 之間。據 CASA 預測，2025 年光伏逆變器中 SiC 器件價(jià)值占比將增長(cháng)至 50%。

碳化硅應用-儲能

2021-2025 年電力系統用儲能裝機需求分別為 117、190、274、367 和 507GWh，需求年平均增速約為 83.34%。2021 年儲能逆變器 (PCS) 和能量管理系統 (EMS) 價(jià)格按照 0.8 元/W 計算，2025 年每年價(jià)格下降 8%，則分別為 234、349、463、571、726 億市場(chǎng)空間。其中功率器件占比 5% 左右，將有 11.7 億、17.5 億、23.1 億、28.5 億、36.3 億的市場(chǎng)機會(huì )。

碳化硅應用-充電樁

2020 年，全球充電樁市場(chǎng)規模達到了 1925.32 百萬(wàn)美元，預計 2027 年將達到 5923.22 百萬(wàn)美元，年復合增長(cháng)率 (CAGR) 為 16.84%。中國 2020 年市場(chǎng)規模為 1131.52 百萬(wàn)美元，預計 2027 年將達到 3247.44 百萬(wàn)美元，年復合增長(cháng)率 (CAGR) 為 15.63%。中國電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施促進(jìn)聯(lián)盟統計，載至 2022 年 3 月，聯(lián)盟內成員單位總計上報公共類(lèi)充電樁 123.2 萬(wàn)臺，其中直流充電樁 50.2 萬(wàn)臺。從 2021 年 4 月到 2022 年 3 月，月均新增公共類(lèi)充電樁約 3.2 萬(wàn)臺。

隨著(zhù)新能源汽車(chē)從 400V 向 800V 躍遷，直流充電采用的是高電壓大功率充電，電壓從 1000V 向 1400V 演進(jìn)，并開(kāi)始采用 SiC MOS 模塊，功率達到 30-40KW。

SiC 功率器件的未來(lái)

提高器件的可靠性和效率

1、提高材料質(zhì)量和工藝穩定性:碳化硅功率器件生產(chǎn)過(guò)程中需要控制材料質(zhì)量和工藝穩定性，尤其是在制造高質(zhì)量晶體時(shí)。此外，還需要采用先進(jìn)的微細加工技術(shù)，提高器件的精度和一致性，從而提升器件的可靠性和效率。

2、優(yōu)化設計和結構: 在碳化硅功率器件設計方面，需要考慮材料的特性和應用場(chǎng)景的要求，選擇最優(yōu)的結構和參數。同時(shí)，還需要通過(guò)設計優(yōu)化減少能量損失和熱效應，優(yōu)化器件的電熱特性和穩定性。

3、改進(jìn)封裝技術(shù):碳化硅功率器件的封裝方式對器件的性能和可靠性影響很大。因此，需要優(yōu)化封裝材料和結構，提高溫度承受能力和抗電氣應力能力。此外，還需要采用先進(jìn)的封裝工藝，提高封裝可靠性和耐久性。

器件尺寸縮小

碳化硅功率器件的未來(lái)趨勢是朝著(zhù)尺寸縮小的方向發(fā)展。針對此趨勢，可以從以下方面進(jìn)行更深入的探討：

1. 更小的芯片尺寸

碳化硅器件尺寸的縮小，可以通過(guò)采用更先進(jìn)的制造工藝來(lái)實(shí)現，目標是在不增加器件大小的情況下提高芯片功率密度和效率。隨著(zhù)尺寸的縮小，碳化硅器件的電路集成度不斷提高。高集成度的器件可以帶來(lái)更低的損耗和更小的體積，同時(shí)也可以實(shí)現更高的性能。

2. 更高的工作溫度

碳化硅器件的尺寸縮小還可以降低器件的熱阻，使得器件能夠在更高的溫度下正常工作。這對于一些高溫工作條件下的應用非常有益，例如航空航天、軍事和汽車(chē)行業(yè)等。

降低成本

碳化硅功率器件隨著(zhù)市場(chǎng)規模的快速增長(cháng)，降低成本是未來(lái)大趨勢，可以從以下方面進(jìn)行更深入的探討：

更大尺寸的襯底，比如 6 寸到 8 寸；更高效的村底長(cháng)晶效率，大幅度提升良率;更低損耗的水冷激光切割;更高效的外延生長(cháng)效率;進(jìn)一步擴大晶圓代工的生產(chǎn)規模，以規?；档蜕a(chǎn)成本。