碳化硅具備耐高壓、耐高溫、高頻、抗輻射等優良電氣特性，它突破硅基半導體材料物理限制，成為第三代半導體核心材料。碳化硅材料性能優勢引領功率器件新變革。

　　功率器件的作用是實現對電能的處理、轉換和控制。以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率 器件，具有耐高壓、耐高溫、能量損耗低、功率密度高等優勢，可實現 功率模塊小型化、輕量化。相同規格的碳化硅基 MOSFET 與硅基MOSFET 相比，其尺寸可大幅減小至原來的 1/10，導通電阻可至少降 低至原來的 1/100。相同規格的碳化硅基 MOSFET 較硅基 IGBT 的總 能量損耗可大大降低 70%。

　　碳化硅功率器件主要應用于新能源車的電驅電控系統，相較于傳統硅基 功率半導體器件，碳化硅功率器件在耐壓等級、開關損耗和耐高溫性方面具備許多明顯的優勢，有助于實現新能源車電力電子驅動系統輕量化、高 效化，它廣泛應用于新能源車的主驅逆變器、OBC、DC/DC 轉換器和非 車載充電樁等關鍵電驅電控部件。

　　各大主流新能源車廠商積極布局碳化硅車型。

　　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，目前全球已有超過 20 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。SiC 在新能源汽車上的應用將在保證汽車的強度和安全性能的前提下大大減輕汽車的重量，有效提升電動車 10%以上的續航里程，減少80%的電控系統體積。

　　應用于直流快速充電樁的碳化硅市場空間未來有望大增。由于成本的原 因，目前直流充電樁的碳化硅器件使用比例還相對較低。但通過配置碳 化硅功率器件，直流快速充電樁能極大簡化內部電路，提高充電效率， 減小散熱器的體積和成本，減小系統整體的尺寸、重量。隨著 800V 快充技術的應用，直流充電樁碳化硅市場有望高速增長。

　　隨著電動汽車、智能駕駛等技術的快速發展，汽車行業對半導體功率器件的需求日益增長。第三代半導體功率器件，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件，以其高效、高頻率和高溫度等優異性能，逐漸成為汽車行業的新寵。

　　一、第三代半導體功率器件的特點

　　相較于傳統的硅（Si）半導體材料，第三代半導體材料如SiC和GaN具有諸多優點：

　　更高的能效：第三代半導體功率器件具有更低的導通電阻和更高的開關速度，從而實現更高的能效，降低能耗。

　　更高的工作頻率：由于第三代半導體材料具有較高的電子飽和速度和較低的輸入電容，其工作頻率可達到數十兆赫甚至更高，遠超過傳統的硅半導體。

　　更高的溫度穩定性：第三代半導體材料具有較高的熱導率和較寬的禁帶寬度，使其能在更高的溫度下穩定工作。

　　更小的尺寸：由于第三代半導體功率器件的高頻率特性，可以減小磁性元件和電容的尺寸，從而實現更緊湊的電源設計。

　　綜合以上優點，在相同的功率等級下，設備中功率器件的數量、散熱器的體積、濾波元件體積都能大大減小，同時效率也有大幅度的提升。

　　回到這里，碳化硅的這些優勢在電子汽車領域中起到怎樣的關鍵作用呢？

　　碳化硅的出現可以在一定程度上緩解電動汽車重量和耐久性之間的平衡，在動力控制單元中，碳化硅裝置可以使電池更輕、更長、更強。碳化硅裝置可以縮短充電時間。

　　隨著新能源汽車滲透率的提高，碳化硅在電子汽車中的運用與地位越來越高。汽車產業是國民經濟的重要支柱產業，在國民經濟和社會發展中發揮著重要作用。隨著我國經濟持續快速發展和城鎮化進程加速推進，今后較長一段時期內，汽車的需求量仍將保持增長勢頭，而隨著新能源汽車滲透率的提高，碳化硅在電子汽車中的運用與地位越來越高。

　　與中高端手機對更高性能處理器的追求類似，碳化硅不僅可以提高新能源汽車的能量轉換效率，而且還可以提高汽車的整體成本，但更高的價格將覆蓋這部分成本。因此，為了獲得更多的行業利潤，各廠商的中高端車也將陸續配備碳化硅設備。

　　由于碳化硅（SiC ）材料等特點，Sic MOSFET作為屬于第三代寬禁帶功率半導體，相比于以Si材料為主的第二代功率半導體，SiC MOSFET有著明顯的優勢。它在導通電阻、開關等方面損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩定性。如圖所示（Sic和Si的對比）

　　不過，Sic-MOSFET也有美中不足之處。它在實際應用過程中，可以實現更快的開關速度和更高的效率，但其快速的開關速度對驅動電路的設計提出了較高的要求，尤其是整個系統的雜散電感，在快速的開關速度下會造成較大的EMC沖擊。

　　同樣的，Sic-MOSFET在電氣性能方面依然存在著很大的挑戰。由于其更快速的響應能力，很容易發生電流和電壓的震蕩。

　　下圖為SiCMOSFET模塊開關電流和電壓振蕩曲線，其中（a）為開通電流振蕩，（b）為關斷電壓振蕩，（c）為二極管振蕩電壓，其尖峰控制到了856V。從這3幅圖可以明顯地看出SiCMOSFET開關時刻的電氣振蕩要比IGBT嚴重得多，這些特性對于汽車級應用和EMC方面都存在很大的挑戰。

　　碳化硅（SiC），又叫金剛砂，它是第三代化合物的半導體原材料。在新能源市場行業發展的推動下，能源的高效率利用轉化，帶動了碳化硅（SiC）產業市場的快速發展。

　　二、碳化硅（SiC）產業市場的發展情況：

　　中國碳化硅（SiC）功率器件應用在新能源汽車類占比第一，達38%

　　通過可視化圖表分析，我們可以直觀的了解到碳化硅（SiC）的成本結構情況。從它的制造成本結構來看，襯底成本占比是最大，其次是外延成本的占比。可以發現這兩大工序是產業發展的主要環節，而它們的制備難度非常大，技術以及成本也非常高。

　　碳化硅（SiC）襯底，它是一種由碳（C）和硅（Si）組成的半導體單晶原材料，可分為導電和半絕緣兩種類型。下面根據網絡數據顯示，全球碳化硅（SiC）襯底市場規模的發展趨勢。從圖表的分析情況來看，呈現快速增長的趨勢。

　　分析完碳化硅（SiC）襯底的情況后，我們再從另一外角度分析一下，碳化硅（SiC）的外延片，它的價格發展趨勢如何？

　　碳化硅（SiC）外延片指的是在碳化硅（SiC）襯底上生長了一層有一定要求的與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅（SiC）片。從價格方面分析來看，碳化硅（SiC）碳化硅外延片仍然非常的高昂。但是隨著碳化硅（SiC）襯底價格的下降，將來碳化硅（SiC）外延片的價格也會有所下降的趨勢。

　　另外我們再從碳化硅（SiC）功率器件的市場規模來分析一下，碳化硅（SiC）的功率器件，它最大的特點就是高電壓、高頻、低消耗等，這就是它獨特的優勢。它可以最大限度地提高能源的轉換效。隨著技術突破以及成本的降底，碳化硅（SiC）功率器件將會大規模的應用于新能源電動汽車以及充電樁等不同的領域。根據網絡數據顯示分析來看，增長態勢也是相當快速。

　　隨著碳化硅（SiC）行業的不斷發展，碳化硅（SiC）功率器件的市場規模功率器件的市場競爭格局也發生的變生。但是仍然是以海外的巨頭為主要導向。下面我們通過可視化分析，可以看到。意法半導體占比較大，超過了40%。

　　目前在我國碳化硅（SiC）的應用規模也在不斷的增長，從分析的情況來看，隨著新能源工業的發展，以及充電樁等新不同領域的發展，從而帶動了我國碳化硅（SiC）功率器件應用的發展。

　　從目前的應用結構分析來看，我國的碳化硅（SiC）功率器件從占比情況來看，應用在新能源汽車以及消費類電源還是占據主導地位。

　　三、第三代半導體功率器件在汽車行業的應用

　　電動汽車驅動系統

　　在電動汽車的驅動系統中，第三代半導體功率器件可應用于電機驅動器、直流/直流（DC/DC）轉換器、充電器等關鍵環節。高效的SiC或GaN器件有助于提高電機驅動器的輸出功率、減小體積和降低熱損失，從而實現更高的續航里程和更快的充電速度。

　　汽車動力電子系統

　　汽車動力電子系統，如電池管理系統（BMS）、能量回收系統（ERS）等，都可以從第三代半導體功率器件的優點中受益。例如，在BMS中使用高效的GaN器件可以降低開關損耗，提高電池的充放電效率，延長電池壽命。

　　汽車智能駕駛系統

　　隨著汽車智能駕駛技術的不斷發展，如自動駕駛、車聯網等，對于高速、高效的半導體器件的需求也日益增長。第三代半導體功率器件在雷達、激光雷達（LiDAR）、圖像處理等關鍵環節的應用，可以實現更快的數據處理速度、更低的能耗和更高的可靠性。

　　汽車電子系統

　　汽車電子系統中，如車載信息娛樂系統、儀表盤、氣候控制系統等，同樣可以從第三代半導體功率器件的優勢中受益。例如，在車載信息娛樂系統中，采用GaN功率放大器可以實現更高的輸出功率和更寬的頻率范圍，提升音頻和視頻的質量。

　　新能源汽車充電基礎設施

　　隨著新能源汽車市場的蓬勃發展，充電基礎設施建設也成為關鍵。第三代半導體功率器件在充電樁的直流/直流（DC/DC）轉換器、直流/交流（DC/AC）逆變器等關鍵部件中的應用，有助于提高充電效率、降低能耗，縮短充電時間，為新能源汽車的普及奠定基礎。

　　四、碳化硅半導體產業鏈

　　碳化硅半導體產業鏈主要包括“碳化硅高純粉料→單晶襯底→外延片→功率器件→模塊封裝→終端應用”等環節。

　　4.1碳化硅高純粉料

　　碳化硅高純粉料是采用PVT法生長碳化硅單晶的原料，其產品純度直接影響碳化硅單晶的生長質量以及電學性能。 碳化硅粉料有多種合成方式，主要有固相法、液相法和氣相法3種。其中，固相法包括碳熱還原法、自蔓延高溫合成法和機械粉碎法；液相法包括溶膠-凝膠法和聚合物熱分解法；氣相法包括化學氣相沉積法、等離子體法和激光誘導法等。

　　4.2單晶襯底

　　單晶襯底是半導體的支撐材料、導電材料和外延生長基片。生產碳化硅單晶襯底的關鍵步驟是單晶的生長，也是碳化硅半導體材料應用的主要技術難點，是產業鏈中技術密集型和資金密集型的環節。目前，SiC單晶生長方法有物理氣相傳輸法（PVT法）、液相法（LPE法）、高溫化學氣相沉積法（HT-CVD法）等。

　　碳化硅單晶生長方法對比表

　　4.3外延片

　　碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實際應用中，寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。

　　目前，碳化硅單晶襯底上的SiC薄膜制備主要有化學氣相淀積法（CVD）、液相法（LPE）、升華法、濺射法、MBE法等多種方法。其中，CVD法是制備高質量碳化硅晶體薄膜材料與器件的主要方法。

　　4.4功率器件

　　采用碳化硅材料制造的寬禁帶功率器件，具有耐高溫、高頻、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極管和功率開關管。SiC功率器件與硅基功率器件一樣，均采用微電子工藝加工而成。

　　從碳化硅晶體材料來看，4H-SiC和6H-SiC在半導體領域的應用最廣，其中4H-SiC主要用于制備高頻、高溫、大功率器件，而6H-SiC主要用于生產光電子領域的功率器件。

　　4.5模塊封裝

　　模塊封裝可以優化碳化硅功率器件使用過程中的性能和可靠性，可靈活地將功率器件與不同的應用方案結合。

　　目前，量產階段的相關功率器件封裝類型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二極管的常用封裝類型以TO220為主，碳化硅MOSFET的常用封裝類型以TO247-3為主，少數采用TO247-4、D2PAK等新型封裝方式。

　　4.6終端應用

　　碳化硅器件具有體積小、功率大、頻率高、能耗低、損耗小、耐高壓等優點。當前主要應用領域：各類電源及服務器，光伏逆變器，風電逆變器，新能源汽車的車載充電機、電機驅動系統、直流充電樁，變頻空調，軌道交通，軍工等。

　　五、碳化硅寬禁帶半導體目前存在問題

　　1、大尺寸SiC單晶襯底制備技術仍不成熟。

　　目前國際上已經開發出了8英寸SiC單晶樣品，單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的SiC單晶襯底加工技術；p型襯底技術的研發較為滯后。

　　中國SiC單晶材料領域還存在以下問題：SiC單晶企業無法為國內已經/即將投產的6英寸芯片工藝線提供高質量的6英寸單晶襯底材料；SiC材料的檢測設備完全被國外公司所壟斷。

　　2、n型SiC外延生長技術有待進一步提高。

　　3、SiC功率器件的市場優勢尚未完全形成，尚不能撼動目前硅功率半導體器件市場上的主體地位。

　　國際SiC器件領域：SiC功率器件向大容量方向發展受限制；SiC器件工藝技術水平比較低；缺乏統一的測試評價標準。 中國SiC功率器件領域存在以下3個方面差距：（1）在SiCMOSFET器件方面的研發進展緩慢，只有少數單位具備獨立的研發能力，產業化水平不容樂觀。（2）SiC芯片主要的工藝設備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設備、超高溫退火設備和高質量氧化層生長設備等，國內大規模建立SiC工藝線所采用的關鍵設備基本需要進口。（3）SiC器件高端檢測設備被國外所壟斷。

　　4、目前SiC功率模塊存在的主要問題：

　　（1）采用多芯片并聯的SiC功率模塊，會產生較嚴重的電磁干擾和額外損耗，無法發揮SiC器件的優良性能；SiC功率模塊雜散參數較大，可靠性不高。 （2）SiC功率高溫封裝技術發展滯后。

　　5、SiC功率器件的驅動技術尚不成熟。

　　6、SiC器件的應用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。

　　六、未來展望

　　第三代半導體功率器件在汽車行業的應用還有許多發展空間。隨著SiC和GaN材料制造工藝的不斷優化和成本的降低，這些高性能的半導體器件將在更多的汽車電子領域得到廣泛應用。

　　此外，隨著車載電子系統功能越來越多、集成度越來越高，對半導體器件的性能要求也將不斷提高。未來，第三代半導體功率器件有望在更高頻率、更高溫度、更高功率等方面取得更大突破，進一步推動汽車行業的創新發展。

　　總之，第三代半導體功率器件以其高能效、高頻率、高溫度等優異性能，在汽車行業中的應用越來越廣泛。從電動汽車驅動系統到智能駕駛系統，從汽車電子系統到新能源汽車充電基礎設施，第三代半導體功率器件正助力汽車行業邁向更高的技術水平。

　　審核編輯：黃飛