第三代半導(dǎo)體，距離頂流差了什么

潮流就是即便你放棄了我，也不妨礙我越來(lái)越火。

距離特斯拉宣布放棄碳化硅已經(jīng)過(guò)去了一年，這個(gè)市場(chǎng)非但沒(méi)有被拋棄，反而以 GaN、SiC 為代表的第三代半導(dǎo)體發(fā)展備受關(guān)注：Yole 數(shù)據(jù)顯示，2026 年 GaN 市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)可達(dá) 6.72 億美元。SiC 碳化硅 2027 年全球 SiC 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模有望突破 60 億美元。

預(yù)測(cè)是人算不如天算，第三代半導(dǎo)體優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被講的翻來(lái)覆去了，市場(chǎng)的反饋是最真實(shí)和殘酷的—很火但不是主流。

碳化硅與新能源車能不能齊飛？

新能源是第三代半導(dǎo)體應(yīng)用的重要驅(qū)動(dòng)力。新能源車的最大特點(diǎn)和「顧慮」就是充電。車企自建超充樁引領(lǐng)行業(yè)進(jìn)入快充時(shí)代，大功率充電樁占比逐步提升。

量有多大呢？2023 年中國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷分別完成 958.7 萬(wàn)輛和 949.5 萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng) 35.8% 和 37.9%，而據(jù)預(yù)測(cè) 2024 年新能源汽車產(chǎn)銷將達(dá)到 1150 萬(wàn)輛車左右的規(guī)模，增長(zhǎng)約 20%。

這個(gè)數(shù)字占到汽車市場(chǎng)的三分之一。

碳化硅的應(yīng)用就是在直流充電樁上。電動(dòng)汽車消費(fèi)者最關(guān)注的問(wèn)題就是續(xù)航里程與充電時(shí)間，基于此，提高充電樁的充電速度迫在眉睫。

根據(jù)華為測(cè)算，要實(shí)現(xiàn) 5min 以內(nèi)快充，充電樁功率須向 480kw 演進(jìn)。為適應(yīng)未來(lái)大功率高壓快充發(fā)展趨勢(shì)，主流車企及充電運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開(kāi)始布局大功率快充樁。如：國(guó)網(wǎng)快充樁招標(biāo)中，80kw 充電樁占比已從 2020 年的 63% 下降至 2022 年的 37%，而 160kw 和 240kw 分別從 35% 和 1% 上升至 57% 和 4%，并已開(kāi)始布局 480kW 的大功率快充樁，此外廣汽埃安的 A480 超級(jí)充電樁最大充電功率亦是達(dá)到 480kW。

碳化硅是可以解決這個(gè)問(wèn)題的。在高壓快充的趨勢(shì)下，碳化硅器件的運(yùn)用能有效解決充電樁設(shè)備目前亟需采用更耐高壓、耐高溫、安全的新型器件的痛點(diǎn)，降本增效實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車快速充電。從效率角度來(lái)看，SiC MOSFET 和二極管產(chǎn)品依賴其耐高壓、耐高溫、開(kāi)關(guān)頻率快的特性，可以很好地用于充電樁模塊。與傳統(tǒng)硅基器件相比，碳化硅模塊可以增加充電樁近 30% 的輸出功率，并且減少損耗高達(dá) 50% 左右。同時(shí)，碳化硅器件的抗輻射特性還能夠增強(qiáng)充電樁的穩(wěn)定性。從成本角度來(lái)看：碳化硅的優(yōu)秀特性能夠有效提高單位功率密度，減小模塊體積并簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，對(duì)降低充電樁產(chǎn)品成本起到至關(guān)重要的作用。

我國(guó)新能源上險(xiǎn)乘用車中碳化硅應(yīng)用逐步向 25 萬(wàn)以下車型滲透，除特斯拉外碳化硅車型以比亞迪、吉利、蔚來(lái)、小鵬為主, 據(jù) NE 時(shí)代數(shù)據(jù)，新增智己、問(wèn)界 M9、理想等車型;比亞迪車型包括漢、唐 EV、海豹、仰望 U8、騰勢(shì) D9、騰勢(shì) N8、騰勢(shì) N7 的 800V 架構(gòu)為主，大部分為雙電機(jī)電控車型;吉利車型與價(jià)位段分布較廣，車型包括極氪 001/X/007、極星 2、沃爾沃 XC40/C40、smart 精靈 #1#3、路特斯 ELETRE 等;蔚來(lái)大部分車型使用碳化硅，目前主要為 400V 平臺(tái);小鵬 G6G9X9 車型使用碳化硅。

飛锃半導(dǎo)體副總監(jiān)袁建在做碳化硅市場(chǎng)分析時(shí)提到，800V 平臺(tái)市場(chǎng)滲透率將穩(wěn)步提升，預(yù)計(jì)在 2025 年占比達(dá)到 13%，這將進(jìn)一步增加碳化硅的應(yīng)用規(guī)模;當(dāng)前 OBC 市場(chǎng)以 6.6KW 為主，預(yù)計(jì)到 2025 年 6.6KW 仍然占比在 57.2%;11KWOBC 市場(chǎng)占比將逐年提升，市場(chǎng)古比將從 9% 增加到 18%。2027 年全球市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò) 60 億美元，其中下游汽車應(yīng)用占比將超過(guò) 75%。全球碳化硅廠商行業(yè)集中度較高，前五大廠商占有 70% 的市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)崛起，上游襯底行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯。

另外，在光伏儲(chǔ)能市場(chǎng)方面，功率密度需求提升，MPPT 開(kāi)關(guān)管有由 IGBT 切換成 SiC 的機(jī)會(huì)。儲(chǔ)能系統(tǒng)有雙向功率變換需求，SiC 機(jī)會(huì)增加。逆變側(cè)混合模塊（IGBT+SIC Diode）占比逐步提升。新能源汽車市場(chǎng)方面，800V 平臺(tái)市場(chǎng)滲透率將穩(wěn)步提升，預(yù)計(jì)在 2025 年占比達(dá)到 13%，這將進(jìn)一步增加碳化硅的應(yīng)用規(guī)模；當(dāng)前 OBC 市場(chǎng)以 6.6KW 為主，預(yù)計(jì)到 2025 年 6.6KW 仍然占比在 57.2%；11KW OBC 市場(chǎng)占比將逐年提升，市場(chǎng)占比將從 9% 增加到 18%；新能源汽車市場(chǎng)是碳化硅應(yīng)用的主要增量市場(chǎng)，預(yù)計(jì)占比在 75% 以上，并在未來(lái)進(jìn)一步提升。報(bào)告分享了飛锃半導(dǎo)體碳化硅 MOSFET 產(chǎn)品方案，以及第三代 750V/55mohm 碳化硅 MOSFET、第三代 1200V/40mohm 碳化硅 MOSFET，以及 Gen4 1200V 單芯大電流碳化硅二極管、Gen3+ 1200V 20/30A 碳化硅二極管等。

新能源車能飛，那碳化硅也行。

真正帶飛的，還得是領(lǐng)頭雁

意法半導(dǎo)體是全球知名的 IDM 模擬芯片廠商，一直在積極推進(jìn)碳化硅業(yè)務(wù)。中國(guó)是碳化硅的主要市場(chǎng)，并且與三安光電展開(kāi)合作推動(dòng)碳化硅業(yè)務(wù)，并將擴(kuò)大 SiC 器件制造能力。6 月 4 日，意法半導(dǎo)體官方宣布，公司與吉利汽車集團(tuán)雙方簽署碳化硅（SiC）器件長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議，在原有合作基礎(chǔ)上進(jìn)一步加速碳化硅器件的合作。按照協(xié)議規(guī)定，意法半導(dǎo)體將為吉利汽車旗下多個(gè)品牌的中高端純電動(dòng)汽車提供 SiC 功率器件，幫助吉利提高電動(dòng)車性能，加快充電速度，延長(zhǎng)續(xù)航里程，深化新能源汽車轉(zhuǎn)型。

吉利汽車集團(tuán)電驅(qū)逆變器已采用意法半導(dǎo)體第三代 SiC MOSFET 器件。電驅(qū)逆變器是電驅(qū)系統(tǒng)的核心, 而碳化硅 MOSFET 可以全面提高電驅(qū)逆變器的能效。將先進(jìn)的逆變器設(shè)計(jì)與 SiC 等高效功率半導(dǎo)體相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車卓越性能。

同時(shí)，意法半導(dǎo)體具備先進(jìn)的 SiC 生產(chǎn)技術(shù)和完全垂直整合的供應(yīng)鏈。在汽車領(lǐng)域，意法半導(dǎo)體 SiC 產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于牽引逆變器、車載充電器機(jī)（OBC）、直流-直流變換器 (DC-DC)、充電樁及電動(dòng)壓縮機(jī)應(yīng)用，可以極大提高新能源汽車的性能、能效和續(xù)航里程。。同時(shí)，意法半導(dǎo)體正在與更多中國(guó)知名汽車制造商、工業(yè)客戶和解決方案供應(yīng)商在 SiC 領(lǐng)域展開(kāi)合作，攜手加速中國(guó)電氣化產(chǎn)業(yè)進(jìn)程。

英飛凌科技中國(guó)有限公司技術(shù)總監(jiān)郝欣說(shuō)「英飛凌的 SiC MOSFET 技術(shù)創(chuàng)新，加速應(yīng)用領(lǐng)域變革」。英飛凌在 2017 年正式推出了第一代溝槽柵 SiC MOSFET，即 CoolSiC MOSFET G1。在 CoolSiC MOSFET G1 中，英飛凌采用溝槽柵的設(shè)計(jì)解決了 SiC MOSFET 中柵極氧化物的可靠性問(wèn)題，并克服了常見(jiàn)的 SiC MOSFET 在控制和驅(qū)動(dòng)方面的限制，這加速了 SiC MOSFET 上車的節(jié)奏。

在第二代產(chǎn)品上，英飛凌則在保持第一代產(chǎn)品高可靠性的同時(shí)，確保性價(jià)比的提升。同時(shí)在 G2 產(chǎn)品上增加了新的魯棒性功能，最大程度提高對(duì)于 SiC 功率系統(tǒng)的投資利用率。根據(jù)英飛凌提供的產(chǎn)品組合，目前基于 G2 已經(jīng)推出工業(yè)級(jí)的 650V、1200V 分立 SiC MOSFET 產(chǎn)品，以及車規(guī)級(jí) 750V、1200V 的功率模塊產(chǎn)品。另外基于 G2 的 400V 的工業(yè)級(jí)分立 SiC MOSFET、650V 和 1200V 的車規(guī)級(jí)功率模塊也即將推出。

還英飛凌完成收購(gòu) GaN Systems 公司，未來(lái)在氮化鎵、碳化硅等領(lǐng)域?qū)⒂懈喟l(fā)展。英飛凌科技于 2023 年 10 月 24 日宣布完成收購(gòu)氮化鎵系統(tǒng)公司（GaN Systems），并號(hào)稱「成為領(lǐng)先的氮化鎵龍頭企業(yè)」。

目前，英飛凌共有 450 名氮化鎵技術(shù)專家和超過(guò) 350 個(gè)氮化鎵技術(shù)專利族。英飛凌表示，公司和 GaN Systems 在知識(shí)產(chǎn)權(quán)、對(duì)應(yīng)用的深刻理解以及成熟的客戶項(xiàng)目規(guī)劃方面優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，這為英飛凌滿足各種快速增長(zhǎng)的應(yīng)用需求創(chuàng)造了極為有利的條件。

安世半導(dǎo)體SiC 產(chǎn)品市場(chǎng)戰(zhàn)略副總監(jiān)王駿躍也說(shuō)中國(guó) SiC 器件市場(chǎng)增長(zhǎng)快速，市場(chǎng)機(jī)會(huì)在中國(guó)。對(duì)于碳化硅分立器件市場(chǎng)而言，對(duì)性能、可靠性，價(jià)格、供應(yīng)鏈都有相應(yīng)的需求。

打打更健康

目前，相對(duì)于碳化硅，氮化鎵的應(yīng)用好像更少一些。但如今借由快充進(jìn)入大眾視野的氮化鎵，也再跟碳化硅「宣戰(zhàn)」。

在技術(shù)升級(jí)的推動(dòng)下，GaN 已經(jīng)超越了僅適用于快充等消費(fèi)電子市場(chǎng)的限制，在汽車、數(shù)據(jù)中心、高速發(fā)展的熱門領(lǐng)域持續(xù)取得突破。

與傳統(tǒng) Si 材料相比，基于 GaN 材料制備的功率器件擁有更高的功率密度輸出，以及更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并可以使系統(tǒng)小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統(tǒng)制作及生產(chǎn)成本。

對(duì)于射頻和開(kāi)關(guān)電源設(shè)備而言，顯然 SiC 和 GaN 兩種材料的性能都優(yōu)于單質(zhì)硅的，他們的高臨界場(chǎng)允許這些器件能在更高的電壓和更低的漏電流中操作。高電子遷移率和電子飽和速度允許更高的工作頻率。然而 SiC 電子遷移率高于 Si，GaN 的電子遷移率又高于 SiC，這意味著氮化鎵應(yīng)該最終成為極高頻率的最佳設(shè)備材料。

另外，高導(dǎo)熱系數(shù)意味著材料在更有效地傳導(dǎo)熱量方面占優(yōu)勢(shì)。SiC 比 GaN 和 Si 具有更高的熱導(dǎo)率，意味著 SiC 器件比 GaN 或 Si 從理論上可以在更高的功率密度下操作。當(dāng)高功率是一個(gè)關(guān)鍵的理想設(shè)備特點(diǎn)時(shí)，高導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)合寬帶隙、高臨界場(chǎng)的 SiC 半導(dǎo)體具有一定優(yōu)勢(shì)。GaN 相對(duì)較差的導(dǎo)熱性，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理氮化鎵器件的熱量管理面臨一個(gè)挑戰(zhàn)。

第三代半導(dǎo)體之間的競(jìng)爭(zhēng)和互補(bǔ)，步伐不停讓舞臺(tái)更靠近。