为何碳化硅(SiC)被称为“千亿风口”?

       实现“碳中和”的多条路线,都绕不开碳化硅这个上游材料!目前已经有越来越多的机构在调研这一条线了,为什么是SiC碳化硅呢?因为它是上游核心材料,“碳中和”战略核心覆盖领域!


       国内要实现“碳中和”,需要发力的方向很多:供给端扩大光伏发电、风电发电;需求端提升新能源车比例;输送端发力特高压,全面发展新能源!


        而SiC碳化硅,正是光伏、新能源车、特高压的上游材料,凭借低功耗、耐高温、耐高压的优势,广泛应用于光伏逆变器、特高压基站、新能源车功率器件!


        2019 年中国 SiC、GaN 电力电子器件应用市场中,消费电源是第一大应用,占比 28%,工业及商业电源次之,占比 26%,新能源汽车排第三,占比 11%,未来随着 SiC、GaN 产品的成本下降,性价比优势开始凸显,将会有更多的应用场景。预测 2027 年 SiC 器件的市场规模将从 2020 的 6 亿美元增长至 100 亿美元,呈现高速增长态势。


     碳化硅功率器件主要应用领域


2019 年,新能源汽车细分市场的 SiC 器件应用规模(含整车和充电设施)约为 4.2 亿元,较上年增长了 70%,未来五年预计将保持超过 30%的年均增长。2019 年,第三代半导体电力电子器件在工业及商业电源的市场规模接近 9 亿元,增速超过 30%。


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,因此工商业领域,特别是毛利较高的高端市场,新技术的渗透较预期的快。


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全球 SiC 和 GaN各应用领域预测


在光伏发电应用中,基于 硅基器件的传统逆变器成本 约占系统 10% 左右,却是系统能量损耗的主要 来源之一。


使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅MOSFET 与 碳化硅 SBD 结合 的功率模块的光伏逆变器,转换效率可从96%提升至 99% 以上,能量损耗 降低 50% 以上,设备循环寿命提升 50 倍,从而能够缩小系统体积 、增加功率密度、延长器件使用寿命 、降低生产成本 。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中,碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。


光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测


汽车应用方面,特斯拉逆变器模组上率先采用了 24 颗碳化硅 SiC MOSFET。


Model 3 的 SiC 单管模块设计与 Model S/X 采用 Infineon IGBT 单管思路一致,好处是实现不同功率等级的可扩展,同时还能提升模块封装良率,降低半导体器件成本。


2020 年,比亚迪汉 EV 车型电机控制器首次使用了比亚迪自主研发并制造的 SiC MOSFET 控制模块,大大提高了电机性能。


宽禁带最直接的好处,有更高的击穿场强,也就是耐高压,即是可以控制更高的系统电压。比亚迪汉能够使用 650V 电压平台,也有碳化硅的功劳。高电压意味着低电流,能减少设备电阻的损耗。对电机设计来说,也更容易在小体积下实现更高功率,也因此,比亚迪汉可以轻松实现 3.9S 的 0–100 加速性能。


碳化硅还有两大优势,一个是饱和电子速度更高,一个是导热率更高、耐温性能更高。饱和电子速度快,也就是可以通过更大的电流。碳化硅材料的电子饱和速度是硅材料的两倍,因此在设备设计时,匹配的电流强度更容易远离设备的饱和电流,也就能实现在导通状态下更低的电阻。


这能减少电能的损耗,也有助于降低设备发热,简化散热设计。特别是在瞬时大电流情况下,设备温度积累减少,再加上耐温性增加与材料本身更强的导热率,也让设备散热更容易。车辆也就能爆发出更大的功率。这是比亚迪汉能实现363Kw 功率的原因。使用磷酸铁锂的情况下能达到 605 公里的续航里程,显然也有碳化硅的功劳。


丰田燃料电池车 Mirai 车型采用碳化硅模块,电装与丰田的 SiC功率模块的应用历经 HEV、燃料电池巴士和燃料电池乘用车。


新 Mirai 的新一代固态燃料电池核心组件 Toyota FC Stack 搭配了用多个 SiC 功率半导体的 FC 升压变换器。搭载了 SiC 功率半导体(含二极管和晶体管)的新型升压功率模块体积缩小了约 30%,损耗降低了约 70%,在实现功率模块小型化的同时提升了车辆的燃油效率。


根据 Infineon 数据,2020 年,48V 轻混汽车需要增加 90 美元功率半导体,电动汽车或者混动需要增加 330 美元功率半导体。如果要采用碳化硅器件,单车价值量则更高。


彭博新能源财经(BloombergNEF)预测,2025 年全球新能源汽车有望达到1100 万辆,中国占 50%,2030 年有望达到 2800 万辆,2040 年将达到 5600万辆。届时,电动汽车销量将占到全部新车销量的 57%。


预测 2025 年中国碳化硅晶片占全球比将从 2020 年的 8.6%提升至 16%。


根据半导体时代产业数据中心,预测 2020 年中国碳化硅晶片在半导体领域的出货量 13 万片,仅占全球 8.67%;预测 2025 年出货量 80 万片,2020-2025 年复合增长率为 43.8%,远高于全球 27.2%复合增长率,中国出货量占有率上升至 16%。

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