碳化硅器件分类及应用情况如何？

按照电学性能的不同，碳化硅材料制成的器件分为导电型碳化硅功率器件和半绝缘型 碳化硅射频器件，两种类型碳化硅器件的终端应用领域不同。

1、导电型碳化硅器件：新能源汽车为最大终端应用市场

导电型碳化硅器件主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、数据中心、充 电等领域。根据 Yole 数据，2021 年汽车市场导电型碳化硅功率器件规模达 6.85 亿美元，占 比 62.8%，能源、工业和交通应用市场占比分别为 14.1%，11.6%和 7.2%。预计到 2027 年汽 车市场导电型碳化硅功率器件规模达 49.86 亿美元，占比 79.2%，能源、工业和交通应用市 场占比分别降至 7.3%，8.7%和 3.0%。

碳化硅在电动汽车领域主要用于：主驱逆变器、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车 载 DC/DC)和非车载充电桩。逆变器是一种将直流信号转化为高压交流电的装置，由于输出 电压和输出频率可以任意控制，所以被广泛用于控制交流电机和无刷电机的转速，是新能源 发电、不间断电源、电动汽车、轨道交通、白色家电、电力配送等领域重要的功率转换装置。 碳化硅 MOSFET 在电动汽车主驱逆变器中相比 Si-IGBT 具有明显优势：

碳化硅 MOSFET 相比硅基 IGBT 功率转换效率更高，电动汽车续航距离可延长 5- 10%，即在同样续航里程的情况下可削减电池容量，降低电池成本； 碳化硅 MOSFET 的高频特性可使逆变器线圈、电容小型化，电驱尺寸可大幅减少， 可听噪声的降低能减少电机铁损； 碳化硅 MOSFET 可承受更高电压，在电机功率相同的情况下可以通过提升电压来 降低电流强度，从而使得束线轻量化，节省安装空间。虽然当前碳化硅器件单车价格高于 Si-IGBT，但上述优势可降低整车系统成本。2018 年特斯拉在 Model 3 中首次将 Si IGBT 替换为 SiC 器件，汽车逆变器效率大幅提升，当前越来越多的车厂如比亚迪、蔚来、小鹏、保时捷等正在转向在电驱中使用碳化硅 MOSFET 器件。

车载充电系统(OBC)可将电网中的交流电转换为直流电对电池进行充电，实现为电动汽 车的高压直流电池组充电的功能，是决定充电功率和效率的关键器件。碳化硅 MOSFET 相 比 Si 基器件能提升约 50%的系统功率密度，从而能减少 OBC 的重量和体积，并节省磁感器 件和驱动器件成本。 电源转换系统(DC/DC)是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器，可将动力电 池输出的高压直流电转换为低压直流电，主要给车内动力转向、水泵、车灯、空调等低压用 电系统供电。未来随着电动汽车电池电压升至 800V 高压平台，1200V 的 SiC MOSFET 有望 被广泛应用于 DC-DC 转换器中。

高压充电桩能有效解决充电速度和里程焦虑的问题，带来对 SiC 器件需求的增加。当前 我国的车桩比难以匹配需求，车载充电及充电桩效率仍待提高，因此越来越多的整车厂布局 800V 高压平台。800V 高压系统通常指整车高压电气系统电压范围达到 550-930V 的系统， 相较于 600V 平台：在同等充电功率下，工作电流更小，节省线束体积，降低电路内阻损耗， 提高充电效率和安全率；在同等电流的情况下，800V 平台可大幅提升总功率，显著提高充 电速度，已成为快速直流电充电的新解决方案。对于直流快速充电桩来说，充电电压升级至 800V 会带来充电桩中的 SiC 功率器件需求大增。与 MOSFET/IGBT 单管设计的 15-30kW 相 比，SiC 模块可将充电模块功率提高至 60kW 以上，且和硅基功率器件相比，SiC 功率器件 可以大幅降低模块数量，具有小体积优势。

新能源车数量增速高于充电桩，我国充电桩市场缺口大。据中国能源报，截止 2022 年 12 月，全国充电基础设施累计总量约为 521 万台，增量为 259.3 万台，同比增加 99.1%。其 中公共充电桩增量为 65.1 万台，同比上涨 91.6%；随车配建私人充电桩增量为 194.2 万台， 同比上升 225.5%。截至 2022 年底，全国新能源汽车保有量达 1310 万辆，占汽车总量的 4.10%，同比增长 67.13%，其中，纯电动汽车保有量 1045 万辆，占新能源汽车总量的 79.78%。 2022 年底，我国新能源车车桩比为 2.5：1，充电桩数量还存在巨大的缺口。 根据全球碳化硅领域龙头厂商 Wolfspeed 公司的预测，到 2026 年汽车中逆变器所占据 的碳化硅价值量约为 83%，是电动汽车中价值量最大的部分。其次为 OBC，价值量占比约 为 15%；DC-DC 转换器中 SiC 价值量占比在 2%左右。

光伏发电是当前利用可再生能源的重要形式，通过光伏逆变器将太阳能电池阵列的直流 电转换为交流电，以直接消耗或通过电网传输。使用 Si 基器件的传统逆变器会带来较大的 系统能量损耗，而碳化硅的宽带隙、高热导率、高击穿电压和低导通电阻使其能在更高的电 压及频率下切换，散热能力更佳，拥有更好的开关效率和热量累计。使用碳化硅功率器件的 光伏逆变器可将系统转换效率从 96%提升至 99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环 寿命提升 50 倍。 据 CASA Research 数据，2020 年碳化硅功率器件在光伏逆变器的渗透率为 10%，随着 光伏电压等级的提升，碳化硅功率器件的渗透率将不断提高，预计 2048 年将达到 85%的渗 透率。

目前电网使用的硅基器件的参数性能已接近其材料的物理极限，无法担负起支撑大规模 清洁能源生产传输和消纳吸收的重任。SiC 在智能电网的主要应用场景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、电力电子变压器等装置。 碳化硅在电压等级、导通电阻和开关速度方面的优势能很好的适配电力系统对电压、功率和 可靠性的更高要求，可以直接替换硅器件，提升电能转换效率和功率密度，同时还能简化拓 扑结构、实现新的并网功能如增加电网稳定性，提供有源滤波功能等。

在轨道交通领域，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 充电机等环节均可用到 SiC 功率器件，其中牵引变流器是核心器件，采用 SiC 功率器件替代 后，在高温、高频和低损耗方面得到显著改善，有效减小整体器件的体积和重量，符合大容 量、轻量化和节能型的需求。目前 SiC 器件已在城市轨道交通系统中得以应用，苏州轨交 3 号线 0312 号列车是国内首个基于 SiC 变流技术的永磁直驱牵引系统项目，实现了牵引节 能 20%的目标。 CASA 预测在 2030 年碳化硅在轨道交通功率器件的应用占比将达 30%，2040 年占比将 达 70%，渗透率不断提升。

2、半绝缘型碳化硅器件：5G时代的强大心脏

射频器件是在无线通信领域负责信号转换的部件，如功率放大器、射频开关、滤波器、 低噪声放大器等。目前主流的射频器件材料有砷化镓、硅基 LDMOS、碳化硅基氮化镓等不 同类型。碳化硅基氮化镓射频器件同时具备碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功 率射频输出的优势，应用于 5G 通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天等领域。5G 通讯基站应用需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率，对微波射频器件 提出了更高要求，而半绝缘型碳化硅衬底制备的氮化镓射频器件在高频段的优异表现使其成 为 5G 时代基站应用的候选技术。 据 Yole Development 预测，2025 年全球射频器件市场将超过 250 亿美元，功率在 3W 以 上的射频器件市场中，氮化镓射频器件有望替代大部分硅基 LDMOS 份额，占据射频器件市 场约 50%的份额。