半导体 | SiC功率器件为何成资本争夺之地？

Original 沈黎明火石创造 2024-04-11

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功率器件，通常也被称为电力电子器件，是在电力系统和电气工程中根据负载要求处理电力转换的器件。当前功率器件所使用的主流材料依然是Si（硅），但碳化硅（SiC）半导体材料凭借其在高压、高温、高频、高功率、抗辐射等条件下的优异特性正展露头角，被认为是现代功率器件领域最富前景的制作材料之一。

据罗姆半导体（ROHM）预测，2025年全球 SiC 功率半导体市场规模有望达到 30 亿美元，年复合增长率近30%。

据不完全统计，截至8月，2021年全国新落地第三代半导体产业项目（含产业园）已超过11个，近五年签约项目中，SiC项目数量众多，占比63%，且投资金额较大。9月17日，本土第三代半导体龙头企业深圳基本半导体宣布完成C1轮融资，将发力深耕SiC功率器件的研发和产业化进程。

01 SiC功率器件优势显著

从材料本身来看，SiC的热导率是Si的3倍，禁带宽度是Si的3倍，临界击穿电场是Si的8倍，使得SiC功率半导体具有很高的耐压容量和电流密度。而SiC基器件相较于传统Si基器件的优势如表1所示。

表1：Si器件 VS. SiC器件

来源：火石创造整理自《第三代半导体材料》

由于SiC基器件在高温下的运行稳定性，可大大节约系统和模块成本，简化冷却散热系统，显著提高了电路的集成度。同时，高开关频率和高转换效率可减少能量损耗，缩小产品体积，从而降低模块的整体成本。与Si基功率器件相比，SiC基器件可至少降低能耗33.6%，在峰值效率下工作时率大于96.0%。

图1: SiC器件的优异性能

来源：东兴证券

据ROHM介绍，对于一款5kW的DC/DC 转换器，如使用SiC MOSFET替代原先的Si IGBT，整体系重量可从7kg降低到0.9kg，体积缩小约85%，能耗降低63%。化合物半导体龙头科锐（Cree）也展示了类似的数据：在相同电池条件下，搭载了SiC MOSFET的电动汽车比搭载Si基IGBT的电动汽车续航里程可提高约5%-10%。

02 SiC功率器件的分类和应用

目前SiC功率器件主要分为SiC功率二极管、SiC功率晶体管、SiC功率晶体管三大类，具体如图2所示。

图2: SiC功率器件的主要产品类型

来源：火石创造根据公开资料整理

如图3所示，以SiC肖特基器件为例，SiC功率器件的应用可按电压等级分为低电压应用（<600V）、中电压应用（600～1.7kV）和高电压应用（1.7～10kV）。在低电压领域，主要应用对象是功率因数校正器(PFC)；在中电压范围，光伏逆变器、电动汽车/混合动力汽车、不间断电源(UPS)及电动机控制器是主力军；在高电压领域，船舰驱动、智能电网、风力发电机功率转换器和机车牵引正受到关注。

图3: SiC肖特基器件应用领域的电压分布

来源：CASA

03 国内外SiC功率器件的商业化进程

目前几乎所有的Si基功率半导体龙头都或多或少地在布局SiC功率市场。据统计，目前Cree、英飞凌（Infineon）、ROHM、意法半导体（ST）和三菱电机合计约占90%的SiC功率器件市场份额。

SiC功率二极管

截至2020年底，全球已有超20家具有量产SiC二极管产品能力的公司，击穿电压主要分布在600V～3.3kV。根据Mouser统计，2020年共有800款在售SiC SBD产品，中高压应用对象数量逐年增长。

SiC功率晶体管

近年来国际半导体企业均在积极研发并推出全新的SiC MOSFET，2020年约10家厂商具备量产能力，共推出211款SiC MOSFET产品，击穿电压集中在650V和1.2kV。

表2：2020年国际半导体企业新发SiC MOSFET产品

来源：CASA

SiC功率模块

国际典型厂商有安森美(OnSemi)、Infineon、Cree/Wolfspeed、三菱电机、富士电机、ROHM和Semikron等，产品正逐步从混合模块（Si基IGBT和SiC基SBD）向全SiC模块过渡。三菱电机和ROHM均生产使用SiC开关和SiC SBD的全SiC功率模块；OnSemi在2020年新推出了一款集成1.2kV SiC MOSFET和1.2kV SiC双升压二极管的功率模块，应用目标为太阳能逆变器，可有效解决在高功率下对高系统效率的需求。