第三代半導(dǎo)體，距離頂流差了什么

作者：米樂

潮流就是即便你放棄了我，也不妨礙我越來越火。

距離特斯拉宣布放棄碳化硅已經(jīng)過去了一年，這個市場非但沒有被拋棄，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市場規(guī)模預(yù)計可達(dá)6.72億美元。

SiC碳化硅2027年全球SiC功率半導(dǎo)體市場規(guī)模有望突破60億美元。預(yù)測是人算不如天算，第三代半導(dǎo)體優(yōu)勢已經(jīng)被講的翻來覆去了，市場的反饋是最真實和殘酷的—很火但不是主流。

?01、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)動力。新能源車的最大特點和“顧慮”就是充電。車企自建超充樁引領(lǐng)行業(yè)進(jìn)入快充時代，大功率充電樁占比逐步提升。量有多大呢？2023年中國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成958.7萬輛和949.5萬輛，同比分別增長35.8%和37.9%，而據(jù)預(yù)測2024年新能源汽車產(chǎn)銷將達(dá)到1150萬輛車左右的規(guī)模，增長約20%。這個數(shù)字占到汽車市場的三分之一。

碳化硅的應(yīng)用就是在直流充電樁上。電動汽車消費者最關(guān)注的問題就是續(xù)航里程與充電時間，基于此，提高充電樁的充電速度迫在眉睫。根據(jù)華為測算，要實現(xiàn)5min以內(nèi)快充，充電樁功率須向480kw演進(jìn)。

為適應(yīng)未來大功率高壓快充發(fā)展趨勢，主流車企及充電運(yùn)營商已經(jīng)開始布局大功率快充樁。如：國網(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%，并已開始布局480kW的大功率快充樁，此外廣汽埃安的A480超級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問題的。

在高壓快充的趨勢下，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，降本增效實現(xiàn)電動車快速充電。從效率角度來看，SiC MOSFET和二極管產(chǎn)品依賴其耐高壓、耐高溫、開關(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，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，減小模塊體積并簡化電路設(shè)計，對降低充電樁產(chǎn)品成本起到至關(guān)重要的作用。

我國新能源上險乘用車中碳化硅應(yīng)用逐步向25萬以下車型滲透，除特斯拉外碳化硅車型以比亞迪、吉利、蔚來、小鵬為主,據(jù)NE時代數(shù)據(jù)，新增智己、問界M9、理想等車型;比亞迪車型包括漢、唐EV、海豹、仰望U8、騰勢D9、騰勢N8、騰勢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;蔚來大部分車型使用碳化硅，目前主要為400V平臺;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分析時提到，800V平臺市場滲透率將穩(wěn)步提升，預(yù)計在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市場以6.6KW為主，預(yù)計到2025年6.6KW仍然占比在57.2%;11KWOBC市場占比將逐年提升，市場古比將從9%增加到18%。

2027年全球市場預(yù)計將超過60億美元，其中下游汽車應(yīng)用占比將超過75%。全球碳化硅廠商行業(yè)集中度較高，前五大廠商占有70%的市場份額。

國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)崛起，上游襯底行業(yè)競爭優(yōu)勢相對明顯。另外，在光伏儲能市場方面，功率密度需求提升，MPPT開關(guān)管有由IGBT切換成SiC的機(jī)會。

儲能系統(tǒng)有雙向功率變換需求，SiC機(jī)會增加。逆變側(cè)混合模塊（IGBT+SIC Diode）占比逐步提升。新能源汽車市場方面，800V平臺市場滲透率將穩(wěn)步提升，預(yù)計在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市場以6.6KW為主，預(yù)計到2025年6.6KW仍然占比在57.2%；11KW OBC市場占比將逐年提升，市場占比將從9%增加到18%；新能源汽車市場是碳化硅應(yīng)用的主要增量市場，預(yù)計占比在75%以上，并在未來進(jìn)一步提升。

報告分享了飛锃半導(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。

?02、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)。中國是碳化硅的主要市場，并且與三安光電展開合作推動碳化硅業(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品牌的中高端純電動汽車提供SiC功率器件，幫助吉利提高電動車性能，加快充電速度，延長續(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)計與SiC等高效功率半導(dǎo)體相結(jié)合，實現(xiàn)電動汽車卓越性能。同時，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，意法半導(dǎo)體正在與更多中國知名汽車制造商、工業(yè)客戶和解決方案供應(yīng)商在SiC領(lǐng)域展開合作，攜手加速中國電氣化產(chǎn)業(yè)進(jìn)程。

英飛凌科技中國有限公司技術(shù)總監(jiān)郝欣說“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)計解決了SiC MOSFET中柵極氧化物的可靠性問題，并克服了常見的SiC MOSFET在控制和驅(qū)動方面的限制，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，確保性價比的提升。同時在G2產(chǎn)品上增加了新的魯棒性功能，最大程度提高對于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)級的650V、1200V分立SiC MOSFET產(chǎn)品，以及車規(guī)級750V、1200V的功率模塊產(chǎn)品。另外基于G2的400V的工業(yè)級分立SiC MOSFET、650V和1200V的車規(guī)級功率模塊也即將推出。

還英飛凌完成收購 GaN Systems 公司，未來在氮化鎵、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 日宣布完成收購氮化鎵系統(tǒng)公司（GaN Systems），并號稱“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 350 個氮化鎵技術(shù)專利族。英飛凌表示，公司和 GaN Systems 在知識產(chǎn)權(quán)、對應(yīng)用的深刻理解以及成熟的客戶項目規(guī)劃方面優(yōu)勢互補(bǔ)，這為英飛凌滿足各種快速增長的應(yīng)用需求創(chuàng)造了極為有利的條件。

安世半導(dǎo)體SiC產(chǎn)品市場戰(zhàn)略副總監(jiān)王駿躍也說中國SiC器件市場增長快速，市場機(jī)會在中國。對于碳化硅分立器件市場而言，對性能、可靠性，價格、供應(yīng)鏈都有相應(yīng)的需求。

?03打打更健康

目前，相對于碳化硅，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)升級的推動下，GaN已經(jīng)超越了僅適用于快充等消費電子市場的限制，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。

對于射頻和開關(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。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)高功率是一個關(guān)鍵的理想設(shè)備特點時，高導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)合寬帶隙、高臨界場的SiC半導(dǎo)體具有一定優(yōu)勢。GaN相對較差的導(dǎo)熱性，使系統(tǒng)設(shè)計人員處理氮化鎵器件的熱量管理面臨一個挑戰(zhàn)。第三代半導(dǎo)體之間的競爭和互補(bǔ)，步伐不停讓舞臺更靠近。