碳化硅功率模组有哪些

　　碳化硅功率模组有哪些

　　碳化硅功率器件系列研报深受众多专业读者喜爱，本期为番外篇，前五期主要介绍了碳化硅功率器件产业链的上中下游，本篇将深入了解碳化硅功率器件的应用市场，以及未来的发展趋势，感谢各位读者的持续关注。

　　一、简介

　　二、碳化硅功率器件产业链

　　三、碳化硅功率器件产业链上游

　　四、碳化硅功率器件设计

　　五、碳化硅功率器件制造

　　六、碳化硅功率器件的应用与市场

　　01 | 碳化硅功率器件的应用

　　目前市场上常见的碳化硅功率器件产品主要是碳化硅二极管、碳化硅MOSFET、全碳化硅模块（由碳化硅二极管与碳化硅MOSFET构成）、混合模块（由碳化硅二极管与硅IGBT构成）等四大类产品。如下图，碳化硅二极管在挖矿机、数据中心电源、充电桩中有批量的商业应用，基本已实现国产化；碳化硅MOSFET应用于新能源汽车充电与驱动、光伏/风电逆变器、电力电子变压器等。

　　1.新能源汽车

　　新能源汽车行业是市场空间巨大的新兴市场，全球范围内新能源车的普及趋势逐步清晰化。根据现有技术方案，每辆新能源汽车使用的功率器件价值约700美元到1000美元。随着新能源汽车的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率器件新的增长点。

　　根据Infineon公司的统计，平均一辆传统燃油车使用的半导体器件价值为355美元，而新能源汽车使用的半导体器件价值为695美元，几乎增加了一倍，其中功率器件增加最为显著，由17美元增加至265美元，增加了近15倍。

　　目前，市场上销售的新能源汽车所搭载的功率器件多数为硅基器件，如硅基IGBT、硅基MOSFET，随着技术和产品的成熟，碳化硅器件将逐步替代大部分硅基器件。相关机构研究表明，虽然在一辆电动车上采用碳化硅器件会多花200～300美元，但整车成本可以节省2000美元，比如节省600美元电池成本、节省600美元汽车空间成本、节省1000美元散热系统成本。

　　新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括三大部分：车载充电器（OBC）/非车载充电桩、电机驱动器、电源转换系统（车载DC/DC）。碳化硅材料在高压、高温、高效率、高频率、抗辐射等应用领域优异的物理和化学特性决定了碳化硅器件在新能源汽车的应用中具有巨大的优势，极大地提高了能源转换效率。

　　（1）在新能源汽车充电模块中的应用

　　将电网的交流电、发电机发出的交流电转换为向电池充入的直流电，即车载充电机（OBC）/非车载充电桩的AC/DC整流转换。基于碳化硅材料的二极管和MOSFET，比硅基功率器件有很大提高，碳化硅器件更适合高频、高压、高温的工作环境。车载充电器和充电桩使用碳化硅器件后将充分发挥高频、高温、高压三方面的优势，可实现充电系统高效化、小型化、高可靠性。据Yole Development统计，2018年，全球已有20多家汽车厂商在车载充电机中使用碳化硅二极管。

　　（2）在新能源汽车电机驱动系统中的应用

　　将电池的直流电转换为电机所需要的交流电，即汽车主逆变器、电机、空调、照明等交流电设备的DC/AC逆变转换。应用于电机驱动系统中的主逆变器时，碳化硅器件的优势主要在于控制效率提升、功率密度提升、开关频率提升、降低开关损耗、简化电路的热处理系统，从而降低成本、重量、大小、功率逆变器的复杂性。由于碳化硅器件的小体积、低散热要求、高工作结温等特性，可帮助将电驱动控制器体积减小80%以上，是提升电机驱动系统功率密度的必然选择。美国特斯拉公司的Model 3车型的主逆变器采用了意法半导体公司生产的24个碳化硅MOSFET构成的模块，是全球第一家将碳化硅MOSFET应用于商用车主逆变器的汽车厂商。2020年12月，丰田汽车推出并公开发售的Mirai燃料电池电动汽车，是丰田汽车首次采用碳化硅功率器件的车型。

　　（3）在新能源汽车电源转换中的应用

　　将电池的直流电为小功率电子设备供电，即将汽车的高压直流电转换为低压直流电的DC/DC直流变压转换。车载DC/DC变换器的功能是将动力电池输出的高压直流电转换为12V、24V、48V等低压直流电，为仪表盘、车灯、雨刷、空调、音响、电动转向、ABS、安全气囊等车载低压用电设备和各类控制器提供电能。

　　碳化硅MOSFET比硅基MOSFET响应更快，比硅基IGBT功率更大。碳化硅功率器件可缩小电路的尺寸、降低重量、缩减无源器件的成本、降低对冷却系统的需求，明显降低了整个系统的重量和体积，减少约40%～70%。

　　根据海外机构试验数据，按照WLTC工况（更接近实际城市工况）下使用碳化硅模块续航能力将明显提升，对750V硅IGBT模块、1200V碳化硅MOSFET模块仿真显示，400V母线电压下，由750V硅IGBT模块替换为1200V碳化硅MOSFET模块，整车能耗降低6.9%；如果母线电压提升至800V，整车能耗将进一步降低7.6%。

　　由于能耗降低，在实现相同续航能力的前提下便可以减少电池成本，从而抵消采用碳化硅所增加的成本。另外，未来随着新能源汽车电动机转速提高到1.5万～2万转，电压平台必然向800V～1500V发展，届时碳化硅的优势将更为明显。除了技术上的优势，碳化硅功率器件在新能源汽车中的应用还将加速车企的新能源汽车产品升级，为新能源汽车产业开拓更加广阔的市场空间。

　　由于碳化硅器件价格较为昂贵，目前在新能源汽车领域的市场渗透率仅有2%。

　　2. 光伏发电

　　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总成本的10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。

　　使用碳化硅MOSFET或全碳化硅模块的光伏逆变器，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，还能缩小系统体积、增加功率密度、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，碳化硅器件预计会逐渐替代硅基器件。

　　3. 轨道交通

　　轨道交通车辆呈现多样化发展，从运行状态上可分为干线机车、城市轨道车辆、高速列车，其中城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。

　　轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中，牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器，能极大发挥碳化硅器件高温、高频、低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨道交通大容量、轻量化、节能型牵引变流装置的应用需求，提升系统的整体效能。

　　2012年，包含碳化硅二极管的混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线37列车辆中商业化应用，实现了列车牵引系统节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅下降、冷却单元的小型化；2014年，日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机3300V/1500A全碳化硅功率模块逆变器，开关损耗降低55%，体积和重量减少65%，电能损耗降低20%～36%。如下图，CASA预测，未来30年内，轨道交通应用中90%的硅IGBT将被碳化硅器件或混合器件替代。

　　4. 智能电网

　　相比其他电力电子装置，电力系统要求更高的电压、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电压、高功率、高温度方面的限制所导致的系统局限性，并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特优势，在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面，推动智能电网的发展和变革。目前中低压配电网已经开始应用碳化硅器件。

　　工业电源行业也是碳化硅普及和应用率较高的行业，使用碳化硅器件可以显著提升工业领域的电能利用效率。此外，碳化硅器件在风力发电、航空航天等领域也已实现成熟应用。

　　02 | 碳化硅功率器件的市场概况

　　目前，碳化硅功率器件市场增长的主要驱动力是碳化硅二极管在功率因素校正（PFC）电源、光伏中的大规模应用。得益于碳化硅MOSFET性能和可靠性的提高，3～5年内碳化硅MOSFET有望在新能源汽车传动系统主逆变器中获得广泛应用，未来五年内碳化硅器件市场增长的主要驱动力将由碳化硅二极管转变为碳化硅MOSFET。

　　1. 市场规模

　　根据Yole Development报告，2019年碳化硅功率器件的市场规模为5.41亿美元，受益于新能源汽车/充电桩、光伏等市场需求驱动，预计2025年将增长至25.62亿美元，年均复合增长率约30%。其中各细分市场的规模、增速如下图所示。

　　为了更客观地反映市场预期，下图汇总了国内外市场调研机构（Yole、IHS、宽禁带半导体联盟）与碳化硅龙头企业Rohm公司对碳化硅功率器件市场规模的统计与预测数据， 2020年市场规模为7.03亿美元，市场渗透率约为4.2%～4.5%，较2019年提升一个百分点，预计2024年市场渗透率增至9%，2025年市场规模将达到30亿美元，年均复合增长率约30%，预计2030年全球市场规模将达到70～100亿美元。

　　根据宽禁带半导体联盟的报告，2017年全球碳化硅功率器件（主要是碳化硅二极管和MOSFET）的市场接近17亿元人民币。Yole Development公司预测，2017～2020年，碳化硅器件的复合年均增长率超过28%，2019年全球碳化硅功率器件市场规模约6亿美元，并以超过30%的年均复合增长率快速增长，预计到2025年，全球碳化硅功率器件市场规模将达到25～30亿美元，其中MOSFET大约占2/3、二极管占1/3，即MOSFET器件市场规模约17～20亿美元；预计到2030年，全球碳化硅功率器件市场规模将达70～100亿美元，其中MOSFET约47～67亿美元。

　　我国碳化硅器件市场约占全球市场的40%～50%，因此预计2025年我国碳化硅MOSFET器件市场规模45～65亿元人民币（约7～10亿美元），2030年我国MOSFET器件市场规模将达120～200亿元人民币。

　　2. 市场格局

　　欧美日等老牌功率器件强国在碳化硅功率器件上起步较早，全球的产业格局呈现美国、欧洲、日本三强争霸的态势。据Yole Development数据显示，美国Wolfspeed（Cree）、日本Rohm、德国Infineon、日本Mitsubishi、欧洲ST Microelectronics等五家企业合计占有碳化硅功率器件市场的80%份额，其中第一为Wolfspeed 27%、第二为Rohm 22%，他们均是全产业链覆盖，第三四的Infineon、ST Microelectronics覆盖中下游的芯片设计、制造、封装等环节。

　　美欧企业已布局从衬底到外延、器件、应用的全产业链，日本企业的优势在终端设备和功率模块开发方面。国内碳化硅产业起步较晚，但已形成一定基础，正高速发展，已涌现出碳化硅衬底制造商天科合达、天岳等，外延制造商天域、瀚天天成、百识等，器件设计企业泰科天润、基本半导体、瀚薪、飞锃、爱仕特、瞻芯、派恩杰等。