碳化硅（SiC）半导体功率器件在新能源汽车应用及技术分析

碳化硅凭借其耐高压、耐高温、高频、抗辐射等卓越电气特性，突破了硅基半导体材料的物理限制，成为第三代半导体的核心材料。碳化硅材料的性能优势正在引领功率器件领域的新变革。

功率器件的作用在于处理、转换和控制电能。与硅基功率器件相比，以碳化硅为衬底制成的功率器件在耐压等级、开关损耗和耐高温性方面展现出显著优势，实现了功率模块的小型化、轻量化。具体而言，相同规格的碳化硅基MOSFET尺寸可缩小至硅基MOSFET的十分之一，导通电阻至少降低至百分之一百。与硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET的总能量损耗可降低高达70%。

碳化硅功率器件在新能源汽车的电驱电控系统中扮演重要角色，尤其是在耐压等级、开关损耗和耐高温性方面展现出明显优势，有助于实现新能源汽车电力电子驱动系统的轻量化和高效化。它们广泛应用于新能源汽车的主驱逆变器、OBC、DC/DC转换器和非车载充电桩等关键电驱电控部件。

各大主流新能源汽车制造商正积极布局碳化硅车型。碳化硅器件在车载充电系统和电源转换系统中的应用，能有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率。目前，全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件。此外，碳化硅器件在新能源汽车充电桩的应用，能减小充电桩体积，提高充电速度。碳化硅在新能源汽车上的应用，不仅能在保证汽车强度和安全性能的前提下减轻汽车重量，还能有效提升电动车续航里程，并减少电控系统体积。

应用于直流快速充电桩的碳化硅市场潜力巨大。尽管成本因素目前限制了直流充电桩中碳化硅器件的使用比例，但通过配置碳化硅功率器件，直流快速充电桩能简化内部电路，提高充电效率，减小散热器体积和成本，进而减小系统整体尺寸和重量。随着800V快充技术的推广，直流充电桩的碳化硅市场有望迎来高速增长。

随着电动汽车、智能驾驶等技术的快速发展，汽车行业对半导体功率器件的需求日益增长。第三代半导体功率器件，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件，凭借其高效、高频率和高温度等优异性能，正逐渐成为汽车行业的新宠。

一、第三代半导体功率器件的特点

相较于传统的硅（Si）半导体材料，第三代半导体材料如SiC和GaN具有以下优点：

• 更高的能效：第三代半导体功率器件具有更低的导通电阻和更高的开关速度，从而实现更高的能效，降低能耗。
• 更高的工作频率：由于第三代半导体材料具有较高的电子饱和速度和较低的输入电容，其工作频率可达到数十兆赫甚至更高，远超过传统的硅半导体。
• 更高的温度稳定性：第三代半导体材料具有较高的热导率和较宽的禁带宽度，使其能在更高的温度下稳定工作。
• 更小的尺寸：由于第三代半导体功率器件的高频率特性，可以减小磁性元件和电容的尺寸，从而实现更紧凑的电源设计。

综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。

碳化硅的这些优势在电子汽车领域中起到了关键作用，有助于实现动力控制单元的电池更轻、更长、更强，缩短充电时间，提高新能源汽车的能量转换效率。

随着新能源汽车渗透率的提高，碳化硅在电子汽车中的应用与地位日益凸显。汽车产业作为国民经济的重要支柱产业，在经济发展中发挥着重要作用。随着我国经济持续快速发展和城镇化进程加速推进，汽车需求量仍将保持增长势头。而随着新能源汽车渗透率的提高，碳化硅在电子汽车中的应用与地位也随之提升。

与中高端手机对更高性能处理器的追求类似，碳化硅不仅能提高新能源汽车的能量转换效率，还能提高汽车的整体成本效益。虽然价格更高，但这部分成本可以通过更高的行业利润来覆盖。因此，为了获得更多的行业利润，各厂商的中高端车型也将陆续配备碳化硅设备。

碳化硅（SiC）作为一种第三代化合物半导体原材料，因其独特的性能，在新能源市场行业发展的推动下，带动了碳化硅（SiC）产业市场的快速发展。碳化硅（SiC）功率器件在新能源汽车类应用中占比最高，达到38%。

通过分析，我们可以直观了解碳化硅（SiC）的成本结构。从制造成本结构来看，衬底成本占比最大，其次是外延成本。这两大工序是产业发展的主要环节，制备难度和技术要求都非常高。

全球碳化硅（SiC）衬底市场规模呈现出快速增长的趋势。从图表分析来看，碳化硅（SiC）衬底市场规模正在迅速扩大。

接下来，我们分析碳化硅（SiC）外延片的价格发展趋势。碳化硅（SiC）外延片是在碳化硅（SiC）衬底上生长的一层与衬底晶相同的单晶薄膜。从价格分析来看，碳化硅（SiC）外延片的价格仍然非常高昂。然而，随着碳化硅（SiC）衬底价格的下降，碳化硅（SiC）外延片的价格未来可能会有所下降。

碳化硅（SiC）功率器件市场规模的增长态势也非常迅速。碳化硅（SiC）功率器件的最大特点是高电压、高频、低消耗，这使得它们在最大程度上提高了能源转换效率。随着技术突破和成本降低，碳化硅（SiC）功率器件将大规模应用于新能源电动汽车以及充电桩等领域。

目前，碳化硅（SiC）行业的不断发展使得碳化硅（SiC）功率器件的市场规模和竞争格局发生了变化。尽管如此，市场仍以海外巨头为主导。意法半导体占据了较大的市场份额，超过40%。

在中国，碳化硅（SiC）的应用规模也在不断扩大。随着新能源工业的发展以及充电桩等新兴领域的拓展，带动了中国碳化硅（SiC）功率器件应用的发展。

从应用结构分析来看，中国碳化硅（SiC）功率器件的应用中，新能源汽车和消费类电源占据主导地位。

二、第三代半导体功率器件在汽车行业的应用

在电动汽车的驱动系统中，第三代半导体功率器件可应用于电机驱动器、直流/直流（DC/DC）转换器、充电器等关键环节。高效的SiC或GaN器件有助于提高电机驱动器的输出功率、减小体积和降低热损失，从而实现更高的续航里程和更快的充电速度。

在汽车动力电子系统中，如电池管理系统（BMS）、能量回收系统（ERS）等，都可以从第三代半导体功率器件的优点中受益。例如，在BMS中使用高效的GaN器件可以降低开关损耗，提高电池的充放电效率，延长电池寿命。

随着汽车智能驾驶技术的不断发展，如自动驾驶、车联网等，对于高速、高效的半导体器件的需求也日益增长。第三代半导体功率器件在雷达、激光雷达（LiDAR）、图像处理等关键环节的应用，可以实现更快的数据处理速度、更低的能耗和更高的可靠性。

在汽车电子系统中，如车载信息娱乐系统、仪表盘、气候控制系统等，同样可以从第三代半导体功率器件的优势中受益。例如，在车载信息娱乐系统中，采用GaN功率放大器可以实现更高的输出功率和更宽的频率范围，提升音频和视频的质量。

在新能源汽车充电基础设施中，第三代半导体功率器件在充电桩的直流/直流（DC/DC）转换器、直流/交流（DC/AC）逆变器等关键部件中的应用，有助于提高充电效率、降低能耗，缩短充电时间，为新能源汽车的普及奠定基础。

三、碳化硅半导体产业链

碳化硅半导体产业链主要包括“碳化硅高纯粉料→单晶衬底→外延片→功率器件→模块封装→终端应用”等环节。

4.1碳化硅高纯粉料

碳化硅高纯粉料是采用PVT法生长碳化硅单晶的原料，其产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量和电学性能。碳化硅粉料有多种合成方式，主要有固相法、液相法和气相法三种。其中，固相法包括碳热还原法、自蔓延高温合成法和机械粉碎法；液相法包括溶胶-凝胶法和聚合物热分解法；气相法包括化学气相沉积法、等离子体法和激光诱导法等。

4.2单晶衬底

单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基片。生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是单晶的生长，也是碳化硅半导体材料应用的主要技术难点，是产业链中技术密集型和资金密集型的环节。目前，SiC单晶生长方法有物理气相传输法（PVT法）、液相法（LPE法）、高温化学气相沉积法（HT-CVD法）等。

碳化硅单晶生长方法对比表

4.3外延片

碳化硅外延片是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。实际应用中，宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上，碳化硅晶片本身只作为衬底，包括GaN外延层的衬底。目前，碳化硅单晶衬底上的SiC薄膜制备主要有化学气相淀积法（CVD）、液相法（LPE）、升华法、溅射法、MBE法等多种方法。其中，CVD法是制备高质量碳化硅晶体薄膜材料与器件的主要方法。

4.4功率器件

采用碳化硅材料制造的宽禁带功率器件，具有耐高温、高频、高效的特性。按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二极管和功率开关管。SiC功率器件与硅基功率器件一样，均采用微电子工艺加工而成。从碳化硅晶体材料来看，4H-SiC和6H-SiC在半导体领域的应用最广，其中4H-SiC主要用于制备高频、高温、大功率器件，而6H-SiC主要用于生产光电子领域的功率器件。

4.5模块封装

模块封装可以优化碳化硅功率器件使用过程中的性能和可靠性，可灵活地将功率器件与不同的应用方案结合。目前，量产阶段的相关功率器件封装类型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二极管的常用封装类型以TO220为主，碳化硅MOSFET的常用封装类型以TO247-3为主，少数采用TO247-4、D2PAK等新型封装方式。

4.6终端应用

碳化硅器件具有体积小、功率大、频率高、能耗低、损耗小、耐高压等优点。当前主要应用领域包括各类电源及服务器、光伏逆变器、风电逆变器、新能源汽车的车载充电机、电机驱动系统、直流充电桩、变频空调、轨道交通、军工等。

四、碳化硅宽禁带半导体目前存在问题

1、大尺寸SiC单晶衬底制备技术仍不成熟。目前国际上已经开发出了8英寸SiC单晶样品，单晶衬底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的SiC单晶衬底加工技术；p型衬底技术的研发较为滞后。

中国SiC单晶材料领域还存在以下问题：SiC单晶企业无法为国内已经/即将投产的6英寸芯片工艺线提供高质量的6英寸单晶衬底材料；SiC材料的检测设备完全被国外公司所垄断。

2、n型SiC外延生长技术有待进一步提高。

3、SiC功率器件的市场优势尚未完全形成，尚不能撼动目前硅功率半导体器件市场上的主体地位。国际SiC器件领域：SiC功率器件向大容量方向发展受限制；SiC器件工艺技术水平比较低；缺乏统一的测试评价标准。

中国SiC功率器件领域存在以下3个方面差距：（1）在SiCMOSFET器件方面的研发进展缓慢，只有少数单位具备独立的研发能力，产业化水平不容乐观。（2）SiC芯片主要的工艺设备基本上被国外公司所垄断，特别是高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等，国内大规模建立SiC工艺线所采用的关键设备基本需要进口。（3）SiC器件高端检测设备被国外所垄断。

4、目前SiC功率模块存在的主要问题：（1）采用多芯片并联的SiC功率模块，会产生较严重的电磁干扰和额外损耗，无法发挥SiC器件的优良性能；SiC功率模块杂散参数较大，可靠性不高。（2）SiC功率高温封装技术发展滞后。

5、SiC器件的驱动技术尚不成熟。

6、SiC器件的应用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。

五、未来展望

第三代半导体功率器件在汽车行业的应用还有许多发展空间。随着SiC和GaN材料制造工艺的不断优化和成本的降低，这些高性能的半导体器件将在更多的汽车电子领域得到广泛应用。此外，随着车载电子系统功能越来越多、集成度越来越高，对半导体器件的性能要求也将不断提高。未来，第三代半导体功率器件有望在更高频率、更高温度、更高功率等方面取得更大突破，进一步推动汽车行业的创新发展。

总之，第三代半导体功率器件以其高能效、高频率、高温度等优异性能，在汽车行业中的应用越来越广泛。从电动汽车驱动系统到智能驾驶系统，从汽车电子系统到新能源汽车充电基础设施，第三代半导体功率器件正助力汽车行业迈向更高的技术水平。

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