不同碳化硅衬底的应用场景有哪些？

碳化硅衬底可分为导电型碳化硅衬底和半绝缘型碳化硅衬底，根据性能不同用于不同领域。

1)半绝缘型衬底：主要应用于制造氮化镓射频器件。碳化硅基氮化射频器件己成功应用于 众多领城，以无线通信基础设施和国防应用为主。

碳化硅基射频器件市场规模增长迅速。根据 Yole development 数据，2020 年碳化硅基射 频器件市场规模占比达到 99%，约 8.86 亿美元，预计 2026 年全球碳化硅基氮化镓射频器件市场规模将增长至 22.22 亿美元，CAGR 为 17%，在氮化镓射频市场上占比达到 93%。、

国防军事应用和无线通信基础设施为碳化硅基氮化镓射频器件主要驱动因素。Yole Development 预测，国防军事带来的碳化硅基氮化镓射频器件市场规模将从 2019 年的 3.42 亿美元增加至 2025 年的 11.10 亿美元，CAGR 达 22%。其次，无线通信基础设施带 来的碳化硅基氮化镓射频器件市场规模将从 2019 年的 3.18 亿美元上升至 2025 年的 7.31 亿美元，CAGA 达到 15%。根据 CASA research 数据，2020 年我国 GaN 射频器件市场 规模为 66.1 亿元。其中，国防军事与航天以及无线基础设施领域的占比分别达 53%及 36%。

a）无线通信基础设施：无线通信基础设施带来的碳化硅基氮化镓射频器件市场规将从 2019 年的 3.18 亿美元上升至 2025 年的 7.31 亿美元，CAGR 达到 15%。相比砷化镓和 硅基 LDMOS 射频器件，以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具有碳化硅良好的导热 性能和氨化镓在高频段下大功率射频输出的优势。

b）国防军工领域：Yole Development 预测，国防军事用碳化硅基氮化镓射频器件市场规 模将从 2019 年的 3.42 亿美元增至 2025 年的 11.10 亿美元，CAGR 达 22%。目前碳化硅基氮化镓射频器件己代替了大部分砷化镓和部分硅基 LDMOS 器件，占据大部分市场。

c）卫星通信：需要高频高输出，氮化镓器件也有望逐步取代砷化镓的解决方案。 受益于以上终端应用驱动，半绝缘型衬底的需求将大幅增加。根据 Yole 的预测，半绝缘 型衬底的需求将上涨，预计半绝缘型碳化硅衬底市场需求量将由 2019 年的 13.38 万片增 长至 2025 年的 43.84 万片，CAGR 达到 21.9%。

2）导电型衬底：主要用于制造功率器件。碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、 高频率、低损耗等独特优势，将极大地提高现有使用硅基功率器件的能源转换效率。主要 应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。

受益于下游应用，SiC 功率器件市场规模空间大增速快，导电型衬底市场也将大幅增长。 根据 Yole Development，SiC 功率器件市场规模将从 2019 年的 5.41 亿美元增至 2025 年的 25.62 亿美元，CAGR 达 30%。其中，新能源汽车市场预计从 2019 年的 2.25 亿美元 上升到 2025 年的 15.53 亿美元，CAGR 为 38%，占比达 60%。光伏和储能位居第二， 市场规模为 3.14 亿美元。充电基础设施将成为下游增长最快的应用，所用 SiC 功率器件 规模也将从 2019 年的 0.05 亿美元大幅上涨至 2025 年的 2.25 亿美元，CAGR 达到 90%。

a）新能源汽车/充电桩：新能源汽车将成为 SiC 功率器件大幅增长的推动力。据 Yole 预 测，2019-2025 年，新能源车和充电桩应用的 SiC 功率器件市场规模将从 2.3 亿美元大幅 增加至 17.78 亿美元，占整个市场的 69%。随着电动汽车发展，对功率半导体器件的需求 量增加，而碳化硅功率器件有着高可靠性、高效率特性，契合电动汽车的发展要求，因此， 碳化硅器件是未来电动汽车的必然之选。

b）光伏新能源：光伏和储能系统将会是全球新能源发展的主要方向，也是碳化硅器件的 重要应用领域之一。根据 Yole 数据，2019-2025 年光伏和储能应用的 SiC 功率器件市场 规模将从 1.25 亿美元大幅增加至 3.14 亿美元，CAGR 达到 17%。

在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。逆变器是光伏发 电能否有效、快速渗透的关键之一。光伏逆变器曾普遍采用硅器件，基于硅基器件的传统 逆变器成本约占光伏发电系统的 10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用 SiC MOSFET 或 SiC MOSFET 与 SiC SBD 结合的功率模块的光伏逆变器，可将转换效率从 96%升至 99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍，从而能够缩小 系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。高效、高功率密度、高可 靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。

根据 Bloomberg 数据，2021 年新增光伏装机量的最新统计数据是 183GW，同比增长 30％以上。预计在 2022 年全球将新增光伏装机 228GW（dc），2030 年将增加到 334GW （dc）。此外，根据 CASA 预测，光伏逆变器中碳化硅功率器件占比将在 2025 年达到 50%， 之后继续逐步增长。

c）轨道交通：根据 Yole 数据，2019-2025 年轨道交通应用的 SiC 功率器件市场规模将从 0.09 亿美元大幅增加至 1.18 亿美元，CAGR 达到 55%。

碳化硅功率器件可以大幅度提高未来轨道交通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，提升整体效能。未来轨交对电力电子装置，如牵引变流器、电 力电子电压器等要求更高。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅 助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。 其中，牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，能极大发挥碳化硅器件高温、 高频和低损耗特性，提高装置效率，符合大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需 求。2014 年，日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机 3300V/1500A 全碳化硅功率 模块逆变器，开关损耗降低 55%、体积和重量减少 65%，电能损耗降低 20%至 36%。 根据 CASA research 的数据，未来轨道交通中碳化硅功率器件的占比将逐步提升，2030 年将达到 30%。

d）智能电网：未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化 硅功率器件具有重大需求。目前碳化硅器件已开始应用在中低压配电网。碳化硅功率器件 在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装 置、高压直流断路器、电力电子变压器等。电力系统要求更高的电压、更大的功率容量和 更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的 系统局限性，具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特优势，在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。 此外，碳化硅功率器件在风力发电、工业电源、航空航天等领域也已实现成熟应用。