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来源：第三代半导体联合创新孵化中心（ID：casazlkj)

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。SiC是具有成本效益的大功率高温半导体器件，是应用于微电子技术的基本元件。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。SiC——功率器件的理想材料SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定。C原子和Si原子不同的结合方式使SiC拥有多种晶格结构，如4H、6H、3C等等。4H-SiC因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。▼三种不同的SiC结构SiC器件相对于Si器件的优势主要来自三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

降低能量损耗

SiC材料开关损耗极低，全SiC功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT模块之间的损耗差越大，这就意味着对于IGBT模块不擅长的高速开关工作，全SiC功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。

低阻值使得更易实现小型化

SiC材料具备更低的通态电阻，阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。

更耐高温

SiC的禁带宽度3.23ev，相应的本征温度可高达摄氏度，承受的温度相对Si更高；SiC材料拥有3.7W/cm/K的热导率，而硅材料的热导率仅有1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。▼SiC能大大降低功率转换中的开关损耗▼SiC更容易实现模块的小型化、更耐高温SiC功率器件

从器件类型上看，主要的功率半导体器件主要包括：二极管、PIN二极管、双极性晶体管、晶闸管、MOSFET、IGBT等，其中二极管、MOSFET和IGBT是应用最广泛及性能指标先进的功率器件之一。

▼功率半导体主要应用领域

SiC功率器件的研发始于年代，80年代SiC晶体质量和制造工艺获得大幅改进，随着90年代高品质6H-SiC和4H-SiC外延层生长技术的成功应用，各种SiC功率器件的研究和开发进入迅速发展时期。▼SiC功率器件的发展历史在发展SiC功率半导体器件过程中，首先推出的是SiC肖特基二极管（SiCSBD）。年Infineon公司推出V-V（16A）产品，接着CREE在年推出V-V（20A）的产品，它们主要用在开关电源控制及马达控制中，随后ST、Rohm、Fairchild、TOSHIBA等厂商纷纷推出相应产品。目前SiCSBD主要有电压为V、V、V、V、V和3V等产品。SiCJFET和SiCMOSFET分别在年和年面世，目前MOSFET主要有电压为V、V、V、V、V和V等产品。观察各厂商业务结构，一个大的趋势是各SiC器件厂商都发展其SiC模组业务。▼SiC功率器件分类及相应优势SiC二极管器件二极管是最简单的功率器件，由P极和N极形成PN结结构，电流只能从P极流向N极。二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流单向只能通过。二极管的作用有整流电路、检波电路、稳压电路和各种调制电路。二极管承受的电压和电流较低（锗管导通电压为0.3V，硅管为0.7V），电流一般不超过几十毫安，电压和电流过高会导致二极管被击穿。常见的二极管有肖特基二极管、快恢复二极管、TVS二极管等。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V~V，导通电流50A以上。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。国际上有款SiCSBD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V~VSiC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、北京世纪金光、北京国联万众等。▼北京国联万众半导体科技有限公司SiC肖特基二极管选型表（）点击图片获取更多信息SiCMOSFET器件MOSFET由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。金属栅极与N极、P极之间有一层二氧化硅绝缘层，电阻非常高。不断增加G与S间的电压至一定程度，绝缘层电阻减小，形成导电沟道，从而控制漏极电流。因此MOSFET是通过电压来控制导通，在G与S间施加一定电压即可导通，不施加电压则关断，器件通断完全可控。MOSFET的优点是开关速度很高，通常在几十纳秒至几百纳秒，开关损耗很小，通常用于开关电源，缺点是在高压环境下压降很高，随着电压上升电阻变大，传导损耗很高。MOSFET的导通与阻断都由电压控制，电流可以双向通过。▼MOSFET结构图MOSFET是功率器件最大市场。MOSFET在功率器件中占比最高，年全球MOSFET市场规模为59.61亿美元，占功率器件市场的39.78%。MOSFET的优点在于稳定性好，适用于AC/DC开关电源、DC/DC转换器，因此MOSFET通常用于计算机、消费电子、汽车和工业等领域。Yole预测到年MOSFET下游应用中，汽车占比为22%，计算机及存储占比为19%，工业占比为14%。▼年MOSFET终端应用占比SiCMOSFET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SiCMOSFET产品，击穿电压V~V，导通电流超过A。代表企业为Cree和ROHM，其SiCMOSFET产品已经发展到第三代。目前市场上共推出余款SiCMOSFET系列产品，Cree和ROHM两家共推出78款产品，占比43%。国内SiCMOSFET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、北京国联万众等企业已经推出产品，击穿电压集中在V。SiCJFET器件SiCJFET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，SiCJFET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SiCJFET的企业较少，Mouser上只有UnitedSiC在销售SiCJFET产品，耐压为V和V两种，最大电流63A。SiCIGBT器件绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合式半导体。IGBT兼具MOS和BJT的优点，导通原理与MOSFET类似，都是通过电压驱动进行导通。IGBT在克服了MOSFET缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点，在高压环境下传导损耗较小。IGBT是电机驱动的核心，广泛应用与逆变器、变频器等，在UPS、开关电源、电车、交流电机等领域，逐步替代GTO、GTR等产品。IGBT的应用范围一般都在耐压V以上，电流10A以上，频率1KHz以上的区域。IGBT固有结构导致其作为高频开关时损耗较大，IGBT工作频率通常为40-50KHz。IGBT的导通与阻断都受电压控制，可以双向导通。▼IGBT结构图IGBT应用：IGBT的应用领域非常广泛，小到家电、数码产品，大到航空航天、高铁等领域，新能源汽车、智能电网等新兴应用也会大量使用IGBT。按电压需求分类，消费类电子应用的IGBT电压通常在V以下，太阳能逆变器需要V的低损耗IGBT，动车使用的IGBT电压在V至0V之间，智能电网应用的IGBT通常为3V。▼IGBT主要应用领域SiCIGBT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SiCIGBT可以很好的工作在高压大功率领域。SiCIGBT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。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SiCSBD替换SiFRD，可显著提高工作频率，与同等额定电流的SiIGBT模块产品相比，开关损耗大幅度降低。全SiC模块采用了SiCSBD与SiCMOSFET一体化封装，解决了SiIGBT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。SiC功率器件的应用SiC功率器件应用领域可以按电压划分：低压应用（V至1.2kV）：高端消费领域（如游戏控制台、等离子和液晶电视等）、商业应用领域（如笔记本电脑、固态照明、电子镇流器等）以及其他领域（如医疗、电信、国防等）中压应用（1.2kV至1.7kV）：电动汽车/混合电动汽车（EV/HEV）、太阳能光伏逆变器、不间断电源（UPS）以及工业电机驱动（交流驱动ACDrive）等。高压应用（2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上）：风力发电、机车牵引、高压/特高压输变电等。目前碳化硅功率器件主要定位于功率在1kW-kW之间、工作频率在10KHz~MHz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。▼SiC应用领域及其市场空间（百万美元）▌5G基建——通信电源

通信电源是服务器、基站通讯的能源库，为各种传输设备提供电能，保证通讯系统正常运行。

SiCMOSFET的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻，电源整体效率更高；SiC肖特基二极管反向恢复几乎为零的特性使其在许多PFC电路中具有广阔的应用前景。

例如，在3kW高效通信电源无桥交错PFC电路中，使用V/10ASiC肖特基二极管，可以帮助客户实现满载效率大于等于95%的高技术要求。

▌新能源汽车及充电桩电源模块

新能源汽车行业的快速发展带动了充电柱的需求增长，对新能源电动汽车而言，提升充电速度和降低充电成本是行业发展的两大目标。

新能源汽车是碳化硅功率器件市场的主要增长驱动因素，未来有可能成为碳化硅器件最大的下游市场。

目前新能源汽车系统架构中涉及到功率器件的组件包括：电机驱动系统中的主逆变器、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC-DC）和非车载充电桩。

根据Cree提供的测算:将纯电动汽车逆变器中的功率组件改成SiC时,大概可以减少整车功耗5%-10%，能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本。

据Yole统计，年，国际上有20多家汽车厂商已经在车载充电机（OBC）中使用SiCSBD或SiCMOSFET；美国特斯拉公司的Model3车型采用了意法半导体生产的以24个SiCMOSFET为功率模块的逆变器，是第一家在主逆变器中集成全碳化硅功率器件的厂商。

根据现有方案，每辆纯电动使用的功率半导体价值约美元，而传统燃油车使用的功率器半导体的价值约为70美元，是纯电动汽车的六分之一，随着新能源汽车的发展的市占率的增加，对第三代功率器件的需求量也会日益增加，有望成为SiC功率半导体新的增长点。

▼SiC器件在四个关键领域提升电动汽车的系统效率

以新能源车中应用SiCMOS为例，根据Cree提供的测算:将纯电动车BEV逆变器中的功率组件改成SiC时,大概可以减少整车功耗5%-10%；这样可以提升续航能力，或者减少动力电池成本。▼SiCMOS多种优势带动电动车续航力提升同时碳化硅器件在充电桩领域也将大有可为，可以有效减小充电桩体积，提高充电速度。在充电桩电源模块中使用SiC器件，可以实现充电桩电源模块的高效化和高功率化，进而实现充电速度的提升和充电成本的降低。快速充电桩是将外部交流电,透过IGBT或者SiCMOSFET转变为直流电,然后直接对新能源汽车电池进行充电，对于损耗和其自身占用体积问题也很敏感。因此不考虑成本，SiCMOSFET比IGBT更有前景和需求，由于目前SiC的成本较高，因此会在高功率规格的快速充电桩首先导入。▌大数据中心、工业互联网——服务器电源

服务器电源是服务器能源库，服务器提供电能，保证服务器系统正常运行。

在服务器电源中使用碳化硅功率器件，可以提升服务器电源的功率密度和效率，整体上缩小数据中心的体积，实现数据中心整体建设成本的降低，同时实现更高的环保效率。

例如，在3kW服务器电源模块中，在图腾柱PFC中使用碳化硅MOSFET可以显著提升服务器电源的效率，实现更高的效率要求。

▌特高压——应用柔性输电直流断路器

特高压作为大型系统工程，将催发从原材料和元器件等一系列的需求，而功率器件是输电端特高压直流输电中FACTS柔性输电技术和变电端电力电子变压器（PET）的关键器件。

直流断路器作为柔性直流输电的关键部分之一，其可靠性对整个输电系统的稳定性有着较大影响。

使用传统硅基器件设计直流断路器需要多级子单元串联，在直流断路器中使用高电压碳化硅器件可以大大减少串联子单元数量，是行业研究的重点方向。

▌城际高铁和城际轨道交通——牵引变流器、电力电子变压器、辅助变流器、辅助电源

未来轨道交通对电力电子装置，比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。

采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率，将有助于明显减轻轨道交通的载重系统。

碳化硅器件可以实现设备进一步高效率化和小型化，在轨道交通方面具有巨大的技术优势。

日本新干线NS已经率先在牵引变流器中使用碳化硅功率器件，大幅降低整车的重量，实现更高的运载效率和降低运营成本。

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