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碳化硅:渗透新能源车半壁江山

发布时间:2024-05-11 浏览:324次

碳化硅作为第三代半导体,其实并不是新鲜概念。

碳化硅作为材料已有百年历史,商业化也已超过30多年。1824年,瑞典科学家在人工合成金刚石的实验中意外发现了碳化硅这一物质,其硬度比钻石小但光彩更亮;1955年,LELY提出生长高品质碳化硅的方法,从此将碳化硅作为重要的电子材料;1987年,科锐制造了出世界上第一块商用碳化硅衬底,并把它应用在LED领域;2001年,英飞凌和科锐分别推出首款小型碳化硅肖特基二极管;2011年,科锐推出首款商用碳化硅功率MOSFET。

当前Si半导体已逼近物理极限,以SiC为代表的第三代半导体成为后摩尔时代半导体行业发展的重点方向之一,SiC材料拥有禁带宽度大,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功率器件相较于Si器件具有明显优势,其一是能量损耗低:SiC具有极低的导通电阻,同规格SiC-MOS相较Si-IGBT总能量损失可降低约80%。其二是器件尺寸小:SiC损耗低且电流密度高,同规SiC-MOS仅为Si-MOS原尺寸的1/10。其三是开关频率高:SiC不存在电流拖尾现象,开关损耗低,能大幅提高实际用的开关频率。其四是工作温度高:SiC拥有更高的热导率,器件散热更加容易,能够降低对散热系统的需求,利于终端轻量化和小型化。

碳化硅被正式引爆获得广泛关注的是2018年,马斯克首次宣布在特斯拉Model3的主驱逆变器里使用碳化硅MOSFET以替代传统的硅基IGBT,奠定了碳化硅“上车”的里程碑。此后,比亚迪、小鹏、吉利纷纷效仿,开始布局碳化硅器件。

产业化进程不断加速

下游新能源发展对高频、大功率射频及电力电子需求的快速增长,极大推动了碳化硅的产业化进程。

碳化硅器件在新能源汽车产业中主要应用在电机控制器(电驱)、车载充电机OBC、DC/DC变换器以及充电桩,碳化硅器件相比硅基器件有更优越的物理性能,体积小,性能优越,节能性强,还顺带缓解了续航问题,更适应新能源汽车增加续航里程、缩短充电时长、提高电池容量、降低车身自重的需求。


SiC MOSFET与Si IGBT在新能源汽车上的应用 资料来源:比亚迪

从2021年起,碳化硅器件便进入供应短缺状态,至今依然没有得到完全缓解。其中,汽车对碳化硅器件应用量的提升,成为拉动行业增长的主要因素。2023年,国内碳化硅产业更是经历了快速发展的一年。根据EV芯闻,截至2023年上半年,全球已有40款碳化硅车型进入量产交付,上半年全球碳化硅车型销量超过120万辆。

根据NE时代数据,1-12月国内上险乘用车主驱碳化硅模块渗透率约为10.7%,下半年800V车型中碳化硅渗透率显著提升:6-12月800V车型中碳化硅车型占比分别为15%/18%/29%/35%/39%/45%,12月问界M9、理想MEGA等多个碳化硅车型上市。

不过SiC晶体生长慢且加工难,提升良率和产能是控制成本的关键。SiC器件成本是Si器件的3倍左右,是制约SiC行业快速发展的核心因素之一,造成该问题的主要原因在于SiC长晶速度缓慢且加工难度大,从原材料到晶圆转换率仅为50%,目前SiCMOSFET的成本与同类SiIGBT分立器件相比仍然有较大差距,这阻碍了SiC器件大规模的产业化推广。

好在尽管当前SiC-MOS成本约为Si-IGBT的3倍,但根据英飞凌测算,SiC-MOS可以减少6-10%电力损耗,电池成本节省将超过SiC器件增加的成本,最高可以节省6%的综合系统成本。同时,SiC优势在800V平台中将进一步放大,以小鹏G9为例,其800V高压SiC平台相较400V平台续航提升5%,可实现充电5分钟续航超过200Km。

而且当前海外对华科技限制持续加码,产业链自主可控刻不容缓,SiC作为半导体领域的重要新材料,国内外SiC技术代差约为5-8年,相较硅基半导体,具备实现国产替代机遇,国家重视程度将不断上升。

专业机构认为,2024年碳化硅产业化进展会随着高压快充趋势及碳化硅产业链降本而加速。

由于高压快充是电车的大势所趋,未来会逐渐下沉到更低区间的价格带,高压快充背景下,电车对碳化硅需求的迫切性预计对应进一步提高。另一方面,随着产能的逐步释放、8英寸量产的不断成熟、碳化硅长晶及加工工艺的不断改进、进而碳化硅行业良率的提升,尤其是在国产厂商纷纷入局后,可能会进一步加速碳化硅的降本。

未来在技术进步和规模经济共同作用下,产线将向8英寸转移,衬底尺寸扩径将助力产业链降本,预计衬底价格将以每年8%的速度下降,也将进一步加速SiC发展渗透。

市场空间有多大?

以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场。衬底根据电学性能不同分为半绝缘型和半导电型,分别应用到不同的应用场景上,在新能源汽车、光伏以及轨道交通等领域具备广阔的替代空间。

其中半绝缘型碳化硅主要用在射频器件上,主要为面向4G/5G通信基站和新一代有源相控阵雷达应用的功率放大器。半导电型碳化硅主要用在功率器件上,主要面向电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等高压高温高频场景。


资料来源:Wolfspeed官网,天科合达官网,广东天域官网,中电化合物官网

Yole数据显示,2022年碳化硅器件市场规模为19.7亿美元,其中半导电型碳化硅功率器件市场规模为17.9亿美元,半绝缘型碳化硅射频器件市场规模为1.8亿美元。

根据Yole预测,2022年碳化硅功率器件市场规模为18亿美元,2028年有望达到89亿美元,22-28年CAGR高达31%。碳化硅功率器件可应用于汽车、能源、交通、工业等多个领域,其中汽车占据主导地位,市场规模占比超过七成,2022年市场规模为13亿美元,2028年有望达到66亿美元,22-28年CAGR高达32%。半绝缘型碳化硅射频器件市场规模有望达到22.9亿美元,年化增速达到52.79%。

此外在光伏发电应用中,使用SiC材料可将转换效率可从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。得益于SiC功率器件带来的降本增效优势,根据CASA预测,在2025年碳化硅功率器件占比将达到50%,未来将继续保持稳定增长态势。

2027年全球光伏SiC功率器件市场规模将达4.2亿美元。2021年全球光伏碳化硅功率器件市场规模为1.54亿美元,随着SiC器件渗透率持续提升,预计2027年全球光伏SiC功率器件市场规模将增加至4.23亿美元,2021-2027年年复合增长率为18%。


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