SiC功率模块特性、市场规模及发展趋势分析

28 年全球 SiC 市场规模有望达90亿美元，汽车占比超 70%。

一代材料决定一代器件，第三代半导体物理性能相对更为出色。第一代半导体材料以硅和锗等元素半导体为代表，其典型应用是集成电路，主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中。硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的。第二代半导体材料是以砷化镓为代表，砷化镓材料的电子迁移率约是硅的6倍,具有直接带隙，故其器件相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，因此被广泛应用于光电子和微电子领域，是制作半导体发光二极管和通信器件的关键衬底材料。第三代半导体材料是指以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，因此采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景，此外，还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

SiC 功率器件低电阻/高速工作/高温工作等特性，大幅降低能量损耗。（1）低电阻：在阻值相同的条件下，可以减小器件（芯片）的面积。如果要处理大功率，有时可以使用将多个晶体管和二极管模块化的功率模块。例如，SiC 功率模块的尺寸可以达到同等能力Si 模块的约1/10。（2）高速工作：通过提高开关频率，可以采用尺寸更小的变压器、线圈、电容器等外围元器件。实际上有能做到原尺寸 1/10 左右的案例。（3）高温工作：容许在更高温度环境下工作，因此可以简化散热器等冷却机构。

全球 SiC 市场规模有望达 90 亿美元，汽车占比超 70%。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求，在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。经过近30 年研究和开发，碳化硅衬底和功率器件制造技术在近年逐步成熟，并快速推广应用，正在掀起一场节能减排和新能源领域的巨大变革。根据 Yole 数据，2022 年全球 SiC 功率器件市场规模为17.94 亿美元，2028年市场规模增长至 89.06 亿美元，CAGR（2022-2028）约为 31%。其中，汽车、工业、能源三大市场正快速推动 SiC 功率器件市场增长，其中汽车市场规模最大，2022 年占总市场70%，2028年提升至 74%，800V 电动汽车是 SiC 器件主要增长点；在电气化趋势的支持下，新能源汽车的功率器件市场将达到 97.65 亿美元，其中 SiC MOSFET 模块将起到强劲推动作用，到2028年，SiC MOSFET 模块的价值就将达到 54.81 亿美元。

新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载 DC/DC）和非车载充电桩。SiC 功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器，能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，提高功率密度。美国特斯拉公司的 Model 3 车型采用以 24 个 SiC MOSFET 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汽车厂商；碳化硅器件应用于车载充电系统和电源转换系统，能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率。目前全球已有多家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电速度。

五大优势加速碳化硅上车，功率厂商有望迎来历史性发展机遇。（1）SiC器件助力实现系统小型化，增大汽车可用空间。SiC DC/DC 转换器体积较硅DC/DC 转换器减少20%，SiC电机控制器体积较硅控制器缩小 64%，SiC 车载充电器体积较硅车载充电器减少40%，故使用SiC器件可实现系统小型化；硅器件极限工作温度一般不能超过 300℃，而SiC器件极限工作温度可以达到 600℃以上；叠加 SiC 热导率均是硅 2.67 倍，有助于器件散热，可简化冷却散热装置，进一步增大可用空间。（2）物理性能较硅基器件全面升级，助力导通及开关损耗减少，从而续航里程增加。SiC（3.3eV）禁带宽度为硅（1.1eV）的 3 倍，可实现高浓度掺杂，使漂移区宽度大幅缩短，在 SiC MOS 器件导通时，正向压降和导通损耗皆小于Si-IGBT，且不存在拖尾电流，进一步降低损耗；叠加 SiC 载流子迁移率为硅的 3 倍左右，可提供更快开关速度，以降低开关损耗。（3）SiC 模组减少汽车重量，有利于轻量化。若采用 SiC SBD 混合模组，主逆变器较纯硅模组重量减少 2kg；若采用纯 SiC 模组，主逆变器相较于混合模组重量减少4kg，较纯硅模组重量减少 6kg。（4）SiC 器件承受输入功率大，电机扭矩更大，加速能力强。电车动力来源于电机，在低转速时，电机扭矩输出最大，随着转速提高，电机阻抗增加，输出扭矩降低。SiC材料可保证电机在低转速承受更大输入功率且功率损耗较小，起步时扭矩更大，加速能力更强，如比亚迪汉采用 SiC 模块后，输出功率达 200kw，百公里加速 3.9 秒。（5）SiC导入降低电池成本提升续航里程，降低整车成本。在使用 SiC-MOSFET 驱动逆变器后，电池、轻量化及冷却系统可节省共计 525-800 美元，而使用 SiC 器件相较于硅器件，成本增加75-200 美元，故在相同里程前提下，使用 SiC 驱动逆变器可至少节省 300 美元，有效降低整车成本。

多家企业推出“SiC 800V”电动汽车逆变器方案。受益于汽车电气化的持续推进，汽车电子成为半导体领域逆势增长的代表，800V 平台架构下对 SiC 功率电子器件需求增长明显。从燃油车到纯电动汽车，未来随着纯电动车渗透率稳步提升，以及充电桩设施持续布局，根据CASA数据，预计 2026 年全球车用 SiC 功率电子渗透率将超过 50%。根据Wolfspeed数据，车用SiC市场规模有望从 2022 年的 10.6 亿美元增长至 2027 年的 49.9 亿美元，这其中90%的来源于驱动逆变器，10%来源于 OBC。2022 年，Semikron、BorgWarner、McLaren Applied、Equipmake、Marelli 等汽车 Tier1 供应商纷纷推出平台电压 800V 的 SiC 电驱解决方案。Rhombus在充电基础设施上也开始应用 1200V 的 SiC 产品。整车企业如 Toyota、Lexus、Ford、Volkswagen、Mercedes-Benz 等也加快 SiC 电驱应用。 国内多款车型搭载 SiC 器件，加速 SiC 功率模块渗透。2023 年共新增27款碳化硅主驱车型，其中比亚迪的宋 L、方程豹 5、小鹏 G6、智己 LS6（高配版）、极氪001 和极氪009等车型销售表现优异。2024 年，比亚迪将推出新版唐 EV、汉 EV、仰望U9 等新碳化硅主驱车型，吉利银河 E8 等车型也将持续发力，此外问界 M9 和计划发售的M8，小米SU7 等备受瞩目的车型同样使用碳化硅。2024 年，国产碳化硅主驱车型的渗透率将进一步提升，InSemi 预计新推出的碳化硅主驱车型有望超过 40 款，催生主驱碳化硅器件和模组需求。

SiC 在主驱应用方面，2021 年仅比亚迪半导一家本土企业实现上车，其余市场主要由安森美所垄断。至 2022 年，新增芯聚能和斯达半导两家本土供应商，其中芯聚能年度市占率为6.82%，而斯达半导受制于芯片供货不足，装车量提升缓慢；进入 2023 年，芯联集成、汇川技术供货车型陆续上市，芯联集成更是受益问界车型销量大增带动旗下SiC MOS 主驱功率模块装车量快速增长；2024 年，主驱搭载联合电子 SiC MOS 功率模块的相关车型也进入交付阶段。小鹏汽车SiC MOS 主驱功率模块供应商包括 ST、斯达半导、汇川技术、芯联集成，2023年及之前主要由 ST 供货，进入 2024 年以来，本土供应商份额进入上升期。受益于中国新能源汽车厂商近年来持续投放新车型，销量同步快速增长的双核驱动，正带动本土SiC MOS供应商市占率稳步提升，仅比亚迪、极氪、吉利银河、蔚来、理想、赛力斯这几家车企，新能源乘用车SiCMOS主驱功率模块的国产化率已由 2021 年的 31.89%提升至 24Q1 的65.57%。随着各品牌车企合作车型的上市和交付，斯达半导等国内厂商的市占率有望进一步提升。

Tesla 主驱使用 48 颗 SiC MOSFET，电动车整车关键部位均使用SiC器件有望达150颗/车。根据电力电子技术与应用数据，Tesla 的 SiC MOSFET 只用于主驱逆变器电力模块，共24颗，拆开封装每颗有 2 个 SiC 裸晶（Die），共计 48 颗 SiC MOSFET。除此之外，其他包括OBC、一辆车附 2 个一般充电器、快充电桩等，都可以放上 SiC（将来还会有电动汽车无线充电）。如果一台电动车关键部位全部使用 SiC 器件，电动车单车使用SiC 器件数目有望达150颗，则一片6寸晶圆是只能满足2台车的使用。根据Wolfspeed数据，6寸SiC晶圆单片切出面积为32mm2裸片数目为 448 组，边缘损失率为 14%，若采用 8 寸 SiC 晶圆，单片可切出面积为32mm2裸片数目为 845 组，边缘损失率为 7%。

碳化硅为电动汽车“最强芯脏”，与高转速电机是“完美搭档”。比亚迪公布进化版800V平台——e 平台 3.0 Evo，Evo 平台最大的亮点是搭载全球首创的12 合1 智能电驱系统（之前的3.0 平台采用的是八合一电驱），将电机、减速器、电控、整车控制器（VCU）、电池管理器（BMC）、直流变换器（DC-DC）、车载充电器（OBC）、配电模块（PDU）、升压模块、升流模块、自加热模块和、能量管理智控系统等高度集成。该款 12 合 1 的电驱全系搭载1200V碳化硅电控，并且升级了全新一代 SiC 功率模块，电驱采用 23000rpm 电机。根据“行家说三代半”调研追踪，比亚迪该款 23000rpm 电机处于全球领先水平，市场上量产电机转速较高厂商有华为、广汽、小米、上汽和现代等。提升电机转速的基础是提高基波频率，为提电机转速基波频率通常需要从10kHz提升至 20kHz，而硅基 IGBT 开关频率仅为 12kHz 无法满足需求，故必须采用SiC功率器件。