碳化硅功率模組有哪些

　　碳化硅功率模組有哪些

　　碳化硅功率器件系列研報深受眾多專業讀者喜愛，本期為番外篇，前五期主要介紹了碳化硅功率器件產業鏈的上中下游，本篇將深入了解碳化硅功率器件的應用市場，以及未來的發展趨勢，感謝各位讀者的持續關注。

　　一、簡介

　　二、碳化硅功率器件產業鏈

　　三、碳化硅功率器件產業鏈上游

　　四、碳化硅功率器件設計

　　五、碳化硅功率器件制造

　　六、碳化硅功率器件的應用與市場

　　01 | 碳化硅功率器件的應用

　　目前市場上常見的碳化硅功率器件產品主要是碳化硅二極管、碳化硅MOSFET、全碳化硅模塊（由碳化硅二極管與碳化硅MOSFET構成）、混合模塊（由碳化硅二極管與硅IGBT構成）等四大類產品。如下圖，碳化硅二極管在挖礦機、數據中心電源、充電樁中有批量的商業應用，基本已實現國產化；碳化硅MOSFET應用于新能源汽車充電與驅動、光伏/風電逆變器、電力電子變壓器等。

　　1.新能源汽車

　　新能源汽車行業是市場空間巨大的新興市場，全球范圍內新能源車的普及趨勢逐步清晰化。根據現有技術方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價值約700美元到1000美元。隨著新能源汽車的發展，對功率器件需求量日益增加，成為功率器件新的增長點。

　　根據Infineon公司的統計，平均一輛傳統燃油車使用的半導體器件價值為355美元，而新能源汽車使用的半導體器件價值為695美元，幾乎增加了一倍，其中功率器件增加最為顯著，由17美元增加至265美元，增加了近15倍。

　　目前，市場上銷售的新能源汽車所搭載的功率器件多數為硅基器件，如硅基IGBT、硅基MOSFET，隨著技術和產品的成熟，碳化硅器件將逐步替代大部分硅基器件。相關機構研究表明，雖然在一輛電動車上采用碳化硅器件會多花200～300美元，但整車成本可以節省2000美元，比如節省600美元電池成本、節省600美元汽車空間成本、節省1000美元散熱系統成本。

　　新能源汽車系統架構中涉及到功率半導體應用的組件包括三大部分：車載充電器（OBC）/非車載充電樁、電機驅動器、電源轉換系統（車載DC/DC）。碳化硅材料在高壓、高溫、高效率、高頻率、抗輻射等應用領域優異的物理和化學特性決定了碳化硅器件在新能源汽車的應用中具有巨大的優勢，極大地提高了能源轉換效率。

　?。?）在新能源汽車充電模塊中的應用

　　將電網的交流電、發電機發出的交流電轉換為向電池充入的直流電，即車載充電機（OBC）/非車載充電樁的AC/DC整流轉換?；谔蓟璨牧系亩O管和MOSFET，比硅基功率器件有很大提高，碳化硅器件更適合高頻、高壓、高溫的工作環境。車載充電器和充電樁使用碳化硅器件后將充分發揮高頻、高溫、高壓三方面的優勢，可實現充電系統高效化、小型化、高可靠性。據Yole Development統計，2018年，全球已有20多家汽車廠商在車載充電機中使用碳化硅二極管。

　?。?）在新能源汽車電機驅動系統中的應用

　　將電池的直流電轉換為電機所需要的交流電，即汽車主逆變器、電機、空調、照明等交流電設備的DC/AC逆變轉換。應用于電機驅動系統中的主逆變器時，碳化硅器件的優勢主要在于控制效率提升、功率密度提升、開關頻率提升、降低開關損耗、簡化電路的熱處理系統，從而降低成本、重量、大小、功率逆變器的復雜性。由于碳化硅器件的小體積、低散熱要求、高工作結溫等特性，可幫助將電驅動控制器體積減小80%以上，是提升電機驅動系統功率密度的必然選擇。美國特斯拉公司的Model 3車型的主逆變器采用了意法半導體公司生產的24個碳化硅MOSFET構成的模塊，是全球第一家將碳化硅MOSFET應用于商用車主逆變器的汽車廠商。2020年12月，豐田汽車推出并公開發售的Mirai燃料電池電動汽車，是豐田汽車首次采用碳化硅功率器件的車型。

　?。?）在新能源汽車電源轉換中的應用

　　將電池的直流電為小功率電子設備供電，即將汽車的高壓直流電轉換為低壓直流電的DC/DC直流變壓轉換。車載DC/DC變換器的功能是將動力電池輸出的高壓直流電轉換為12V、24V、48V等低壓直流電，為儀表盤、車燈、雨刷、空調、音響、電動轉向、ABS、安全氣囊等車載低壓用電設備和各類控制器提供電能。

　　碳化硅MOSFET比硅基MOSFET響應更快，比硅基IGBT功率更大。碳化硅功率器件可縮小電路的尺寸、降低重量、縮減無源器件的成本、降低對冷卻系統的需求，明顯降低了整個系統的重量和體積，減少約40%～70%。

　　根據海外機構試驗數據，按照WLTC工況（更接近實際城市工況）下使用碳化硅模塊續航能力將明顯提升，對750V硅IGBT模塊、1200V碳化硅MOSFET模塊仿真顯示，400V母線電壓下，由750V硅IGBT模塊替換為1200V碳化硅MOSFET模塊，整車能耗降低6.9%；如果母線電壓提升至800V，整車能耗將進一步降低7.6%。

　　由于能耗降低，在實現相同續航能力的前提下便可以減少電池成本，從而抵消采用碳化硅所增加的成本。另外，未來隨著新能源汽車電動機轉速提高到1.5萬～2萬轉，電壓平臺必然向800V～1500V發展，屆時碳化硅的優勢將更為明顯。除了技術上的優勢，碳化硅功率器件在新能源汽車中的應用還將加速車企的新能源汽車產品升級，為新能源汽車產業開拓更加廣闊的市場空間。

　　由于碳化硅器件價格較為昂貴，目前在新能源汽車領域的市場滲透率僅有2%。

　　2. 光伏發電

　　在光伏發電應用中，基于硅基器件的傳統逆變器成本約占系統總成本的10%左右，卻是系統能量損耗的主要來源之一。

　　使用碳化硅MOSFET或全碳化硅模塊的光伏逆變器，轉換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環壽命提升50倍，還能縮小系統體積、增加功率密度、降低生產成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅器件預計會逐漸替代硅基器件。

　　3. 軌道交通

　　軌道交通車輛呈現多樣化發展，從運行狀態上可分為干線機車、城市軌道車輛、高速列車，其中城市軌道車輛和高速列車是軌道交通未來發展的主要動力。

　　軌道交通車輛中大量應用功率半導體器件，其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機都有使用碳化硅器件的需求。其中，牽引變流器是機車大功率交流傳動系統的核心裝備，將碳化硅器件應用于軌道交通牽引變流器，能極大發揮碳化硅器件高溫、高頻、低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率，符合軌道交通大容量、輕量化、節能型牽引變流裝置的應用需求，提升系統的整體效能。

　　2012年，包含碳化硅二極管的混合碳化硅功率模塊在東京地鐵銀座線37列車輛中商業化應用，實現了列車牽引系統節能效果的明顯提升、電動機能量損耗的大幅下降、冷卻單元的小型化；2014年，日本小田急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機3300V/1500A全碳化硅功率模塊逆變器，開關損耗降低55%，體積和重量減少65%，電能損耗降低20%～36%。如下圖，CASA預測，未來30年內，軌道交通應用中90%的硅IGBT將被碳化硅器件或混合器件替代。

　　4. 智能電網

　　相比其他電力電子裝置，電力系統要求更高的電壓、更大的功率容量、更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率器件在大電壓、高功率、高溫度方面的限制所導致的系統局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優勢，在固態變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統等應用方面，推動智能電網的發展和變革。目前中低壓配電網已經開始應用碳化硅器件。

　　工業電源行業也是碳化硅普及和應用率較高的行業，使用碳化硅器件可以顯著提升工業領域的電能利用效率。此外，碳化硅器件在風力發電、航空航天等領域也已實現成熟應用。

　　02 | 碳化硅功率器件的市場概況

　　目前，碳化硅功率器件市場增長的主要驅動力是碳化硅二極管在功率因素校正（PFC）電源、光伏中的大規模應用。得益于碳化硅MOSFET性能和可靠性的提高，3～5年內碳化硅MOSFET有望在新能源汽車傳動系統主逆變器中獲得廣泛應用，未來五年內碳化硅器件市場增長的主要驅動力將由碳化硅二極管轉變為碳化硅MOSFET。

　　1. 市場規模

　　根據Yole Development報告，2019年碳化硅功率器件的市場規模為5.41億美元，受益于新能源汽車/充電樁、光伏等市場需求驅動，預計2025年將增長至25.62億美元，年均復合增長率約30%。其中各細分市場的規模、增速如下圖所示。

　　為了更客觀地反映市場預期，下圖匯總了國內外市場調研機構（Yole、IHS、寬禁帶半導體聯盟）與碳化硅龍頭企業Rohm公司對碳化硅功率器件市場規模的統計與預測數據， 2020年市場規模為7.03億美元，市場滲透率約為4.2%～4.5%，較2019年提升一個百分點，預計2024年市場滲透率增至9%，2025年市場規模將達到30億美元，年均復合增長率約30%，預計2030年全球市場規模將達到70～100億美元。

　　根據寬禁帶半導體聯盟的報告，2017年全球碳化硅功率器件（主要是碳化硅二極管和MOSFET）的市場接近17億元人民幣。Yole Development公司預測，2017～2020年，碳化硅器件的復合年均增長率超過28%，2019年全球碳化硅功率器件市場規模約6億美元，并以超過30%的年均復合增長率快速增長，預計到2025年，全球碳化硅功率器件市場規模將達到25～30億美元，其中MOSFET大約占2/3、二極管占1/3，即MOSFET器件市場規模約17～20億美元；預計到2030年，全球碳化硅功率器件市場規模將達70～100億美元，其中MOSFET約47～67億美元。

　　我國碳化硅器件市場約占全球市場的40%～50%，因此預計2025年我國碳化硅MOSFET器件市場規模45～65億元人民幣（約7～10億美元），2030年我國MOSFET器件市場規模將達120～200億元人民幣。

　　2. 市場格局

　　歐美日等老牌功率器件強國在碳化硅功率器件上起步較早，全球的產業格局呈現美國、歐洲、日本三強爭霸的態勢。據Yole Development數據顯示，美國Wolfspeed（Cree）、日本Rohm、德國Infineon、日本Mitsubishi、歐洲ST Microelectronics等五家企業合計占有碳化硅功率器件市場的80%份額，其中第一為Wolfspeed 27%、第二為Rohm 22%，他們均是全產業鏈覆蓋，第三四的Infineon、ST Microelectronics覆蓋中下游的芯片設計、制造、封裝等環節。

　　美歐企業已布局從襯底到外延、器件、應用的全產業鏈，日本企業的優勢在終端設備和功率模塊開發方面。國內碳化硅產業起步較晚，但已形成一定基礎，正高速發展，已涌現出碳化硅襯底制造商天科合達、天岳等，外延制造商天域、瀚天天成、百識等，器件設計企業泰科天潤、基本半導體、瀚薪、飛锃、愛仕特、瞻芯、派恩杰等。