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(bào)深受眾多專業(yè)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(chǎn)業(yè)鏈的上中下游，本篇將深入了解碳化硅功率器件的應(yīng)用市場(chǎng)，以及未來的發(fā)展趨勢(shì)，感謝各位讀者的持續(xù)關(guān)注。

　　一、簡(jiǎn)介

　　二、碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)鏈

　　三、碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)鏈上游

　　四、碳化硅功率器件設(shè)計(jì)

　　五、碳化硅功率器件制造

　　六、碳化硅功率器件的應(yīng)用與市場(chǎng)

　　01 | 碳化硅功率器件的應(yīng)用

　　目前市場(chǎng)上常見的碳化硅功率器件產(chǎn)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(gòu)成）、混合模塊（由碳化硅二極管與硅IGBT構(gòu)成）等四大類產(chǎn)品。如下圖，碳化硅二極管在挖礦機(jī)、數(shù)據(jù)中心電源、充電樁中有批量的商業(yè)應(yīng)用，基本已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化；碳化硅MOSFET應(yīng)用于新能源汽車充電與驅(qū)動(dòng)、光伏/風(fēng)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(yè)是市場(chǎng)空間巨大的新興市場(chǎng)，全球范圍內(nèi)新能源車的普及趨勢(shì)逐步清晰化。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價(jià)值約700美元到1000美元。隨著新能源汽車的發(fā)展，對(duì)功率器件需求量日益增加，成為功率器件新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

　　根據(jù)Infineon公司的統(tǒng)計(jì)，平均一輛傳統(tǒng)燃油車使用的半導(dǎo)體器件價(jià)值為355美元，而新能源汽車使用的半導(dǎo)體器件價(jià)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(chǎng)上銷售的新能源汽車所搭載的功率器件多數(shù)為硅基器件，如硅基IGBT、硅基MOSFET，隨著技術(shù)和產(chǎn)品的成熟，碳化硅器件將逐步替代大部分硅基器件。相關(guān)機(jī)構(gòu)研究表明，雖然在一輛電動(dòng)車上采用碳化硅器件會(huì)多花200～300美元，但整車成本可以節(jié)省2000美元，比如節(jié)省600美元電池成本、節(jié)省600美元汽車空間成本、節(jié)省1000美元散熱系統(tǒng)成本。

　　新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括三大部分：車載充電器（OBC）/非車載充電樁、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（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(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)異的物理和化學(xué)特性決定了碳化硅器件在新能源汽車的應(yīng)用中具有巨大的優(yōu)勢(shì)，極大地提高了能源轉(zhuǎn)換效率。

　?。?）在新能源汽車充電模塊中的應(yīng)用

　　將電網(wǎng)的交流電、發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換為向電池充入的直流電，即車載充電機(jī)（OBC）/非車載充電樁的AC/DC整流轉(zhuǎn)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(huán)境。車載充電器和充電樁使用碳化硅器件后將充分發(fā)揮高頻、高溫、高壓三方面的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)高效化、小型化、高可靠性。據(jù)Yole Development統(tǒng)計(jì)，2018年，全球已有20多家汽車廠商在車載充電機(jī)中使用碳化硅二極管。

　?。?）在新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需要的交流電，即汽車主逆變器、電機(jī)、空調(diào)、照明等交流電設(shè)備的DC/AC逆變轉(zhuǎn)換。應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主逆變器時(shí)，碳化硅器件的優(yōu)勢(shì)主要在于控制效率提升、功率密度提升、開關(guān)頻率提升、降低開關(guān)損耗、簡(jiǎn)化電路的熱處理系統(tǒng)，從而降低成本、重量、大小、功率逆變器的復(fù)雜性。由于碳化硅器件的小體積、低散熱要求、高工作結(jié)溫等特性，可幫助將電驅(qū)動(dòng)控制器體積減小80%以上，是提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率密度的必然選擇。美國(guó)特斯拉公司的Model 3車型的主逆變器采用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的24個(gè)碳化硅MOSFET構(gòu)成的模塊，是全球第一家將碳化硅MOSFET應(yīng)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(fā)售的Mirai燃料電池電動(dòng)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(zhuǎn)換中的應(yīng)用

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

　　碳化硅MOSFET比硅基MOSFET響應(yīng)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(duì)冷卻系統(tǒng)的需求，明顯降低了整個(gè)系統(tǒng)的重量和體積，減少約40%～70%。

　　根據(jù)海外機(jī)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照WLTC工況（更接近實(shí)際城市工況）下使用碳化硅模塊續(xù)航能力將明顯提升，對(duì)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(jìn)一步降低7.6%。

　　由于能耗降低，在實(shí)現(xiàn)相同續(xù)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到1.5萬～2萬轉(zhuǎn)，電壓平臺(tái)必然向800V～1500V發(fā)展，屆時(shí)碳化硅的優(yōu)勢(shì)將更為明顯。除了技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，碳化硅功率器件在新能源汽車中的應(yīng)用還將加速車企的新能源汽車產(chǎn)品升級(jí)，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)開拓更加廣闊的市場(chǎng)空間。

　　由于碳化硅器件價(jià)格較為昂貴，目前在新能源汽車領(lǐng)域的市場(chǎng)滲透率僅有2%。

　　2. 光伏發(fā)電

　　在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)總成本的10%左右，卻是系統(tǒng)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(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，還能縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、降低生產(chǎn)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(fā)展趨勢(shì)。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅器件預(yù)計(jì)會(huì)逐漸替代硅基器件。

　　3. 軌道交通

　　軌道交通車輛呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，從運(yùn)行狀態(tài)上可分為干線機(jī)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(fā)展的主要?jiǎng)恿Α?/p>

　　軌道交通車輛中大量應(yīng)用功率半導(dǎo)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(jī)都有使用碳化硅器件的需求。其中，牽引變流器是機(jī)車大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心裝備，將碳化硅器件應(yīng)用于軌道交通牽引變流器，能極大發(fā)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(jié)能型牽引變流裝置的應(yīng)用需求，提升系統(tǒng)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(yè)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了列車牽引系統(tǒng)節(jié)能效果的明顯提升、電動(dòng)機(jī)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(jī)3300V/1500A全碳化硅功率模塊逆變器，開關(guān)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(yù)測(cè)，未來30年內(nèi)，軌道交通應(yīng)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(wǎng)

　　相比其他電力電子裝置，電力系統(tǒng)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(dǎo)致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在固態(tài)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(tǒng)等應(yīng)用方面，推動(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。目前中低壓配電網(wǎng)已經(jīng)開始應(yīng)用碳化硅器件。

　　工業(yè)電源行業(yè)也是碳化硅普及和應(yīng)用率較高的行業(yè)，使用碳化硅器件可以顯著提升工業(yè)領(lǐng)域的電能利用效率。此外，碳化硅器件在風(fēng)力發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域也已實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用。

　　02 | 碳化硅功率器件的市場(chǎng)概況

　　目前，碳化硅功率器件市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力是碳化硅二極管在功率因素校正（PFC）電源、光伏中的大規(guī)模應(yīng)用。得益于碳化硅MOSFET性能和可靠性的提高，3～5年內(nèi)碳化硅MOSFET有望在新能源汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主逆變器中獲得廣泛應(yīng)用，未來五年內(nèi)碳化硅器件市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力將由碳化硅二極管轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟鐼OSFET。

　　1. 市場(chǎng)規(guī)模

　　根據(jù)Yole Development報(bào)告，2019年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模為5.41億美元，受益于新能源汽車/充電樁、光伏等市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)，預(yù)計(jì)2025年將增長(zhǎng)至25.62億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約30%。其中各細(xì)分市場(chǎng)的規(guī)模、增速如下圖所示。

　　為了更客觀地反映市場(chǎng)預(yù)期，下圖匯總了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)（Yole、IHS、寬禁帶半導(dǎo)體聯(lián)盟）與碳化硅龍頭企業(yè)Rohm公司對(duì)碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模的統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)， 2020年市場(chǎng)規(guī)模為7.03億美元，市場(chǎng)滲透率約為4.2%～4.5%，較2019年提升一個(gè)百分點(diǎn)，預(yù)計(jì)2024年市場(chǎng)滲透率增至9%，2025年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到30億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約30%，預(yù)計(jì)2030年全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到70～100億美元。

　　根據(jù)寬禁帶半導(dǎo)體聯(lián)盟的報(bào)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(chǎng)接近17億元人民幣。Yole Development公司預(yù)測(cè)，2017～2020年，碳化硅器件的復(fù)合年均增長(zhǎng)率超過28%，2019年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約6億美元，并以超過30%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025年，全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)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(chǎng)規(guī)模約17～20億美元；預(yù)計(jì)到2030年，全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)70～100億美元，其中MOSFET約47～67億美元。

　　我國(guó)碳化硅器件市場(chǎng)約占全球市場(chǎng)的40%～50%，因此預(yù)計(jì)2025年我國(guó)碳化硅MOSFET器件市場(chǎng)規(guī)模45～65億元人民幣（約7～10億美元），2030年我國(guó)MOSFET器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)120～200億元人民幣。

　　2. 市場(chǎng)格局

　　歐美日等老牌功率器件強(qiáng)國(guó)在碳化硅功率器件上起步較早，全球的產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三強(qiáng)爭(zhēng)霸的態(tài)勢(shì)。據(jù)Yole Development數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)Wolfspeed（Cree）、日本Rohm、德國(guó)Infineon、日本Mitsubishi、歐洲ST Microelectronics等五家企業(yè)合計(jì)占有碳化硅功率器件市場(chǎng)的80%份額，其中第一為Wolfspeed 27%、第二為Rohm 22%，他們均是全產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋，第三四的Infineon、ST Microelectronics覆蓋中下游的芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝等環(huán)節(jié)。

　　美歐企業(yè)已布局從襯底到外延、器件、應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈，日本企業(yè)的優(yōu)勢(shì)在終端設(shè)備和功率模塊開發(fā)方面。國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)起步較晚，但已形成一定基礎(chǔ)，正高速發(fā)展，已涌現(xiàn)出碳化硅襯底制造商天科合達(dá)、天岳等，外延制造商天域、瀚天天成、百識(shí)等，器件設(shè)計(jì)企業(yè)泰科天潤(rùn)、基本半導(dǎo)體、瀚薪、飛锃、愛仕特、瞻芯、派恩杰等。