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发表于 2020-6-18 16:44:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
相对于传统的Si材料,SiC材料具有高禁带宽度、高热导率、高电子迁移速率等材料优势,使得SiC器件具有高击穿电压、高开关频率、高工作温度以及高功率密度等性能优势。SiC产品应用领域包括光伏、电网、电源、新能源汽车、家用电器等,在部分领域开始逐步取代Si基电力电子器件,市场潜力巨大。
2019年以来,我国发展面临世界经济增长低迷、国际经贸摩擦加剧、国内经济下行压力加大等诸多挑战,但是以SiC为代表的第三代半导体已成为集成电路产业发展重心,成长动能显著。发展SiC产业,是支撑“新基建”5G 基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩等领域的关键核心器件,是实现我国高端半导体“自主可控”的必由之路。

一、SiC功率器件
1.SiC二极管器件
SiC功率二极管可显著降低由反向恢复作用导致的自身损耗以及反并联可控功率半导体的开通损耗,在开关频率较高的应用中具有明显优势。
SiC二极管是最早进入市场的SiC功率器件产品,量产产品击穿电压600V~1700V,导通电流50A以上。2001年,德国Infineon公司率先推出SiC二极管产品。经过20年的发展,已经有20余家企业量产SiC肖特基二极管产品。
国外以Cree和Infineon为代表,其SiC肖特基二极管产品已经发展到第六代。国际上有700款SiC SBD产品在售,ROHM、Infineon、Cree和ST四家企业推出的产品种类占比高达53%。
国内已经实现600V~1700V SiC二极管产品的批量销售,代表企业为中国电科55所、泰科天润和北京世纪金光等。
表1  SiC SBD主要企业及其产品

微信图片_20200618163336.png

资料来源:CSA Research整理
2.SiC MOSFET器件
SiC MOSFET 高温与常温下导通损耗与关断损耗均很小,驱动电路简单,有利于电路节能和散热设备的小型化,市场上量产的产品主要分平面 MOS 和沟槽 MOS 两类。
国际上有10余家企业量产SiC MOSFET产品,击穿电压650V~1700V,导通电流超过100A。代表企业为Cree和ROHM,其SiC MOSFET产品已经发展到第三代。目前市场上共推出180余款SiC MOSFET系列产品,Cree和ROHM两家共推出78款产品,占比43%。
国内SiC Mosfet器件方面还处于产业推广的一个起步阶段,产品的技术成熟度还有待提升,产品的市场份额占有率仍需要大幅的提升。目前,中国电科55所、泰科天润、世纪金光、基本半导体等企业已经推出产品,击穿电压集中在1200V。
表2  SiC Mosfet主要企业及其产品
微信图片_20200618163339.png
资料来源:CSA Research整理
3.SiC JFET器件
SiC JFET是最早实现产业化的功率开关器件。与 MOSFET、IGBT 等器件相比,单极性JFET 具备良好的高频特性、高温稳定性及栅极可靠性。但是,SiC JFET器件门极使用PN结控制,无法与目前基于MOS结构(如MOSFET和IGBT)的器件驱动电路兼容,在应用和控制上较为复杂,限制了其广泛应用。
业内生产SiC JFET的企业较少,Mouser上只有UnitedSiC在销售SiC JFET产品,耐压为650V和1200V两种,最大电流63A。

4.SiC IGBT器件
SiC IGBT作为一种双极器件,电导调制效应的存在大大降低了导通电阻,使得在阻断电压增大时,导通电阻只增加很小的一点。这个优势使得 SiC IGBT 可以很好的工作在高压大功率领域。SiC IGBT 的研发工作起步较晚,目前虽正逐步解决上述问题,但产品尚未实现产业化。

5.SiC功率模块
SiC 功率模块可分为混合 SiC 功率模块和全 SiC 功率模块,其中,混合 SiC 功率模块用 SiC SBD 替换 Si FRD,可显著提高工作频率,与同等额定电流的 Si IGBT 模块产品相比,开关损耗大幅度降低。全SiC 模块采用了 SiC SBD 与 SiC MOSFET 一体化封装,解决了 Si IGBT及 FRD 导致的功率转换损耗较大问题,在高频范围中推动了外围部件小型化的发展。
表3  SiC 功率模块主要企业及其产品
微信图片_20200618163343.png
资料来源:CSA Research整理

二、SiC功率器件的应用


1.应用领域

目前碳化硅功率器件主要定位于功率在1kW-500kW之间、工作频率在10KHz~100MHz之间的场景,特别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用,如新能源汽车、光伏微型逆变器、电力牵引、智能电网、工业及商业电源等领域,可取代部分硅基MOSFET与IGBT。部分应用领域介绍如下:

(1)新能源汽车领域是SiC功率器件应用的主要驱动力

近年来,新能源汽车产业迅猛发展,成为了SiC功率器件市场拓展的重要推动力。SiC功率器件已经迅速进入了新能源充电桩、车载充电器、电机控制器等应用领域。特别是在电机控制器方面,应用碳化硅功率器件可以减少电机控制器80%的体积、70%的重量,最高效率可以达到99%。这些优势将有效地提升新能源汽车的持续续航能力、空间利用等关键的性能指标。
预计未来3-5年内,SiC MOSFET有望在电动汽车传动系统主逆变器中获得广泛应用,未来5年内驱动SiC器件市场增长的主要因素将由SiC二极管转变为SiC 晶体管。特斯拉在其model3电机控制器的逆变器中已经采用了SiC MOSFET的芯片作为核心的功率器件,整个功率模块单元由单管模块组成,采用标准6-switches逆变器拓扑,每个switch由4颗单管模块组成,共24颗单管模块,器件耐压为650V。
据CSA Research数据显示,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4.3亿元,2024年市场规模达到16.24亿元,年均复合增长率达到30.4%。据Yole数据显示,2019年,全球新能源汽车SiC二极管和晶体管市场规模2600万美元,2021年市场规模达到5700万美元。

中国拥有全球最大的新能源汽车应用市场,受中国新能源汽车市场驱动,国际各主要大厂纷纷加大对第三代半导体SiC的布局:Cree等上游材料企业产能呈指数级增长;中游Cree、ROHM、Infineon等推出车规级SiC Mosfet产品,并与上游企业合作,锁定货源,确保供应链稳定,提高市场竞争力;而下游方面,以汽车集团牵头的车用半导体推进迅猛,第三代半导体正式进入汽车供应链,下游整车企业与中游器件企业合作趋势明显。

表4  国际主要SiC企业在新能源汽车领域布局
微信图片_20200618163346.png

资料来源:CSA Research整理

(2)工业及商业电源是SiC功率器件的主要应用领域

随着全球经济向数字化不断迈进,基于云平台的服务需求越来越旺盛,很多公司开始投资新的数据中心。数据中心基础设施需要以尽可能低的成本提供高效、可靠的电力。在服务器电源中采用SiC功率器件可以降低服务器消耗的能量还能节省冷却成本,并且为保护或改善系统可靠性带来良机。

不间断电源(UPS)通过将电池或电池组的直流电压转换为具有所需幅度和频率的交流电压来确保供电的连续性,以防断电。UPS设备一般由AC/DC转换器(整流器)、DC/AC转换器(逆变器)和DC链路组成。另有一个旁路开关将UPS输出与输入交流电压源直接连接起来,主要在维护时使用。


(3)机车牵引

轨道交通绿色、智能的发展趋势,对高速铁路轨道交通更高速度和更低损耗的要求,对轨道交通车辆电力电子装置提出更高效率、更小体积、更高功率密度的发展要求,需要系统能够更高工作频率和更高集成度,从而需要SiC等新一代器件的支撑。其中,电力电子变压器要求单只器件耐压≥10kV;干线机车牵引变流器要求单只器件耐压为3300V;高速列车牵引变流器要求单只器件耐压3300V和6500V;城市轨道交通牵引变流器要求单只器件耐压1700V和3300V。


(4)其他重要应用

SiC产品具有降低损耗、提高换流器的转换效率、降低装置复杂性和电路复杂程度、提高开关频率和降低系统散热等优良性能。SiC器件在电网中的应用方向非常明确,代表方向包括直流输电、柔性变电站、灵活交流输电、光伏和固态开关等;高效节能和绿色低碳是消费类电子产品未来发展的重要方向,SiC器件的应用是家电消费类电子产品发展的大趋势。


2.市场规模

据CASA Research统计,2019年国内市场SiC、GaN电力电子器件的市场规模约为39.3亿元,较上年同比增长40.97%。SiC、GaN器件在功率器件市场渗透率在1.5%到3.0%之间,逐年提高,未来市场空间巨大。

在市场格局上,国内SiC产品80%左右依赖进口,国产替代空间巨大。全球SiC器件领域主要玩家包括Infineon、Cree、Rohm、ST,四家合计占据90%的市场份额。


微信图片_20200618163349.png
图1  2015-2024年我国第三代半导体电力电子器件应用市场规模(亿元)

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