SiC功率模塊特性、市場規模及發展趨勢分析

28 年全球 SiC 市場規模有望達90億美元，汽車占比超 70%。

一代材料決定一代器件，第三代半導體物理性能相對更為出色。第一代半導體材料以硅和鍺等元素半導體為代表，其典型應用是集成電路，主要應用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中。硅基半導體材料是目前產量最大、應用最廣的半導體材料，90%以上的半導體產品是用硅基材料制作的。第二代半導體材料是以砷化鎵為代表，砷化鎵材料的電子遷移率約是硅的6倍,具有直接帶隙，故其器件相對硅基器件具有高頻、高速的光電性能，因此被廣泛應用于光電子和微電子領域，是制作半導體發光二極管和通信器件的關鍵襯底材料。第三代半導體材料是指以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料，與前兩代半導體材料相比，第三代半導體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優勢，因此采用第三代半導體材料制備的半導體器件不僅能在更高的溫度下穩定運行，適用于高電壓、高頻率場景，此外，還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。

SiC 功率器件低電阻/高速工作/高溫工作等特性，大幅降低能量損耗。（1）低電阻：在阻值相同的條件下，可以減小器件（芯片）的面積。如果要處理大功率，有時可以使用將多個晶體管和二極管模塊化的功率模塊。例如，SiC 功率模塊的尺寸可以達到同等能力Si 模塊的約1/10。（2）高速工作：通過提高開關頻率，可以采用尺寸更小的變壓器、線圈、電容器等外圍元器件。實際上有能做到原尺寸 1/10 左右的案例。（3）高溫工作：容許在更高溫度環境下工作，因此可以簡化散熱器等冷卻機構。

全球 SiC 市場規模有望達 90 億美元，汽車占比超 70%。碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。經過近30 年研究和開發，碳化硅襯底和功率器件制造技術在近年逐步成熟，并快速推廣應用，正在掀起一場節能減排和新能源領域的巨大變革。根據 Yole 數據，2022 年全球 SiC 功率器件市場規模為17.94 億美元，2028年市場規模增長至 89.06 億美元，CAGR（2022-2028）約為 31%。其中，汽車、工業、能源三大市場正快速推動 SiC 功率器件市場增長，其中汽車市場規模最大，2022 年占總市場70%，2028年提升至 74%，800V 電動汽車是 SiC 器件主要增長點；在電氣化趨勢的支持下，新能源汽車的功率器件市場將達到 97.65 億美元，其中 SiC MOSFET 模塊將起到強勁推動作用，到2028年，SiC MOSFET 模塊的價值就將達到 54.81 億美元。

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：電機驅動系統、車載充電系統（OBC）、電源轉換系統（車載 DC/DC）和非車載充電樁。SiC 功率器件應用于電機驅動系統中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統的體積、重量和成本，提高功率密度。美國特斯拉公司的 Model 3 車型采用以 24 個 SiC MOSFET 為功率模塊的逆變器，是第一家在主逆變器中集成全碳化硅功率器件的汽車廠商；碳化硅器件應用于車載充電系統和電源轉換系統，能夠有效降低開關損耗、提高極限工作溫度、提升系統效率。目前全球已有多家汽車廠商在車載充電系統中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件應用于新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。

五大優勢加速碳化硅上車，功率廠商有望迎來歷史性發展機遇。（1）SiC器件助力實現系統小型化，增大汽車可用空間。SiC DC/DC 轉換器體積較硅DC/DC 轉換器減少20%，SiC電機控制器體積較硅控制器縮小 64%，SiC 車載充電器體積較硅車載充電器減少40%，故使用SiC器件可實現系統小型化；硅器件極限工作溫度一般不能超過 300℃，而SiC器件極限工作溫度可以達到 600℃以上；疊加 SiC 熱導率均是硅 2.67 倍，有助于器件散熱，可簡化冷卻散熱裝置，進一步增大可用空間。（2）物理性能較硅基器件全面升級，助力導通及開關損耗減少，從而續航里程增加。SiC（3.3eV）禁帶寬度為硅（1.1eV）的 3 倍，可實現高濃度摻雜，使漂移區寬度大幅縮短，在 SiC MOS 器件導通時，正向壓降和導通損耗皆小于Si-IGBT，且不存在拖尾電流，進一步降低損耗；疊加 SiC 載流子遷移率為硅的 3 倍左右，可提供更快開關速度，以降低開關損耗。（3）SiC 模組減少汽車重量，有利于輕量化。若采用 SiC SBD 混合模組，主逆變器較純硅模組重量減少 2kg；若采用純 SiC 模組，主逆變器相較于混合模組重量減少4kg，較純硅模組重量減少 6kg。（4）SiC 器件承受輸入功率大，電機扭矩更大，加速能力強。電車動力來源于電機，在低轉速時，電機扭矩輸出最大，隨著轉速提高，電機阻抗增加，輸出扭矩降低。SiC材料可保證電機在低轉速承受更大輸入功率且功率損耗較小，起步時扭矩更大，加速能力更強，如比亞迪漢采用 SiC 模塊后，輸出功率達 200kw，百公里加速 3.9 秒。（5）SiC導入降低電池成本提升續航里程，降低整車成本。在使用 SiC-MOSFET 驅動逆變器后，電池、輕量化及冷卻系統可節省共計 525-800 美元，而使用 SiC 器件相較于硅器件，成本增加75-200 美元，故在相同里程前提下，使用 SiC 驅動逆變器可至少節省 300 美元，有效降低整車成本。

多家企業推出“SiC 800V”電動汽車逆變器方案。受益于汽車電氣化的持續推進，汽車電子成為半導體領域逆勢增長的代表，800V 平臺架構下對 SiC 功率電子器件需求增長明顯。從燃油車到純電動汽車，未來隨著純電動車滲透率穩步提升，以及充電樁設施持續布局，根據CASA數據，預計 2026 年全球車用 SiC 功率電子滲透率將超過 50%。根據Wolfspeed數據，車用SiC市場規模有望從 2022 年的 10.6 億美元增長至 2027 年的 49.9 億美元，這其中90%的來源于驅動逆變器，10%來源于 OBC。2022 年，Semikron、BorgWarner、McLaren Applied、Equipmake、Marelli 等汽車 Tier1 供應商紛紛推出平臺電壓 800V 的 SiC 電驅解決方案。Rhombus在充電基礎設施上也開始應用 1200V 的 SiC 產品。整車企業如 Toyota、Lexus、Ford、Volkswagen、Mercedes-Benz 等也加快 SiC 電驅應用。 國內多款車型搭載 SiC 器件，加速 SiC 功率模塊滲透。2023 年共新增27款碳化硅主驅車型，其中比亞迪的宋 L、方程豹 5、小鵬 G6、智己 LS6（高配版）、極氪001 和極氪009等車型銷售表現優異。2024 年，比亞迪將推出新版唐 EV、漢 EV、仰望U9 等新碳化硅主驅車型，吉利銀河 E8 等車型也將持續發力，此外問界 M9 和計劃發售的M8，小米SU7 等備受矚目的車型同樣使用碳化硅。2024 年，國產碳化硅主驅車型的滲透率將進一步提升，InSemi 預計新推出的碳化硅主驅車型有望超過 40 款，催生主驅碳化硅器件和模組需求。

SiC 在主驅應用方面，2021 年僅比亞迪半導一家本土企業實現上車，其余市場主要由安森美所壟斷。至 2022 年，新增芯聚能和斯達半導兩家本土供應商，其中芯聚能年度市占率為6.82%，而斯達半導受制于芯片供貨不足，裝車量提升緩慢；進入 2023 年，芯聯集成、匯川技術供貨車型陸續上市，芯聯集成更是受益問界車型銷量大增帶動旗下SiC MOS 主驅功率模塊裝車量快速增長；2024 年，主驅搭載聯合電子 SiC MOS 功率模塊的相關車型也進入交付階段。小鵬汽車SiC MOS 主驅功率模塊供應商包括 ST、斯達半導、匯川技術、芯聯集成，2023年及之前主要由 ST 供貨，進入 2024 年以來，本土供應商份額進入上升期。受益于中國新能源汽車廠商近年來持續投放新車型，銷量同步快速增長的雙核驅動，正帶動本土SiC MOS供應商市占率穩步提升，僅比亞迪、極氪、吉利銀河、蔚來、理想、賽力斯這幾家車企，新能源乘用車SiCMOS主驅功率模塊的國產化率已由 2021 年的 31.89%提升至 24Q1 的65.57%。隨著各品牌車企合作車型的上市和交付，斯達半導等國內廠商的市占率有望進一步提升。

Tesla 主驅使用 48 顆 SiC MOSFET，電動車整車關鍵部位均使用SiC器件有望達150顆/車。根據電力電子技術與應用數據，Tesla 的 SiC MOSFET 只用于主驅逆變器電力模塊，共24顆，拆開封裝每顆有 2 個 SiC 裸晶（Die），共計 48 顆 SiC MOSFET。除此之外，其他包括OBC、一輛車附 2 個一般充電器、快充電樁等，都可以放上 SiC（將來還會有電動汽車無線充電）。如果一臺電動車關鍵部位全部使用 SiC 器件，電動車單車使用SiC 器件數目有望達150顆，則一片6寸晶圓是只能滿足2臺車的使用。根據Wolfspeed數據，6寸SiC晶圓單片切出面積為32mm2裸片數目為 448 組，邊緣損失率為 14%，若采用 8 寸 SiC 晶圓，單片可切出面積為32mm2裸片數目為 845 組，邊緣損失率為 7%。

碳化硅為電動汽車“最強芯臟”，與高轉速電機是“完美搭檔”。比亞迪公布進化版800V平臺——e 平臺 3.0 Evo，Evo 平臺最大的亮點是搭載全球首創的12 合1 智能電驅系統（之前的3.0 平臺采用的是八合一電驅），將電機、減速器、電控、整車控制器（VCU）、電池管理器（BMC）、直流變換器（DC-DC）、車載充電器（OBC）、配電模塊（PDU）、升壓模塊、升流模塊、自加熱模塊和、能量管理智控系統等高度集成。該款 12 合 1 的電驅全系搭載1200V碳化硅電控，并且升級了全新一代 SiC 功率模塊，電驅采用 23000rpm 電機。根據“行家說三代半”調研追蹤，比亞迪該款 23000rpm 電機處于全球領先水平，市場上量產電機轉速較高廠商有華為、廣汽、小米、上汽和現代等。提升電機轉速的基礎是提高基波頻率，為提電機轉速基波頻率通常需要從10kHz提升至 20kHz，而硅基 IGBT 開關頻率僅為 12kHz 無法滿足需求，故必須采用SiC功率器件。