爆发式增长，碳化硅迎“上车”好时机（下）

碳化硅作为宽禁带半导体材料，相对于SI基器件具备降低电能转换过程中的能量损耗、更容易小型化、更耐高温高压的优势，因此被汽车厂商看中。如今，碳化硅“上车”已成为新能源汽车产业难以绕开的话题，而这要归功于搭载意法半导体碳化硅器件的特斯拉Model3的问世，使诸多半导体企业在碳化硅上“卷”了起来。

特斯拉率先使用SiC逆变器，直接打开了碳化硅（SiC）在新能源汽车的预期空间。将硅（Si）基组件替换成碳化硅（SiC）能明显地提升车辆的续航能力。根据Wolfspeed数据，在逆变器中使用SiC器件后，能减小整体的体积、重量和成本，在车辆续航上也有5-10%的提升。在特斯拉Model 3搭载SiC逆变器后，传统的汽车功率半导体厂商纷纷跟进对碳化硅（SiC）领域进行布局。

此外，根据法国咨询公司Yole最新发布的报告显示，2021年全球碳化硅功率器件市场份额约10.9亿美元，虽在整体功率器件市场的占比不高，但近几年增长迅速，预计2027年将达到63亿美元，年复合增长率34%。从2022年的应用市场来看，碳化硅半导体67%将应用于汽车，26%应用于工业，其余用于消费和其他领域。其中，新能源汽车是碳化硅功率器件应用增长最快的市场。

据了解，目前已有特斯拉Model 3、比亚迪汉、蔚来ES7/ET7/ET5、小鹏G9、Smart精灵、五菱凯捷混合动力版和五菱星辰混动版等车型在使用或尝试采用SiC器件，在逆变器、车载充电机（OBC）、DC/DC转换器等部件中得到应用。有业内人士预测，2023年-2024年，长续航里程车型基本都会导入SiC器件，渗透率或将达40%。

显然，在新能源汽车大热的当下，SiC已经成为国内外汽车产业布局的重点，不论是合作开发还是自主研发，均将SiC推向了技术浪潮的巅峰。相对于硅基器件，SiC功率半导体在高工艺、高性能与成本间的平衡，将成为SiC功率器件真正大规模落地的关键核心点。随着产业化进程的加速和成本的不断下降，整体产业也正在步上高速增长的快车道。

本期《变频器世界》& PCIM Asia电力电子专栏将围绕碳化硅功率器件在新能源车中的应用以及车规级碳化硅器件新进展的话题，邀请业内企业、专家、工程师进行广泛参与讨论。

您认为SiC功率器件市场的走向将会如何？市场需求将集中在哪些应用场景？

陈子颖

英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监 

SiC 功率器件市场的走向由其应用价值决定，电动汽车中的主驱采用SiC MOSFET，因为碳化硅的芯片尺寸小，功率密度高；损耗低，效率高，增加电动车续航里程。

而燃料电池中的高速空压机转速10万转以上，驱动器的调制频率需要50kHz以上，这就需要采用SiC MOSFET。

同样是采用SiC MOSFET的电机驱动，SiC MOSFET的价值体现不一样。

SiC MOSFET有多方面的出色性能，所以在光伏逆变器、UPS、ESS、电动汽车充电、燃料电池、电机驱动和电动汽车等领域都有相应靓丽的应用。

而英飞凌在功率半导体技术、产品和应用有长期的积累，了解SiC 技术在这些应用中的价值，为应用开发产品，提供解决方案，在PCIM展会上我们会展出最新的SiC 系列产品，各类评估板和参考设计，现场交流分享SiC MOSFET设计中的经验和解决方法。

夏超

安森美中国区汽车现场应用工程师 

随着产能的逐步爬坡，SiC功率器件将会逐渐从当前的高端电动汽车标配，逐步向中端电动汽车拓展，进而变成电动汽车的标准配置，实现电动汽车更为高效的运行，这一点与中国当前的碳达峰与碳中和目标相一致。不仅仅是电动汽车领域，随着SiC功率器件生产成本的进一步降低，在新能源发电、远距离高压输变电等领域将会有更为广阔的空间。

Doug Bailey

Power Integrations市场营销副总裁  

尽管SiC比GaN更早实现商业化，但我们相信SiC将始终是一种比传统硅或GaN成本更高的技术。因此，我们预计GaN将逐渐渗透到许多传统硅的应用领域，只是因为它是一种更佳、更高效的开关技术。SiC仍将是适合于更高压应用的解决方案。我们不确定交变电压点最终会在哪里，但目前GaN的电压最高可达750V。也许它将会更高。但对于800V及以上的电压，目前SiC是首选的解决方案，并可能在一段时间内保持这种状态。

王中健

上海功成半导体科技有限公司SiC产品线总监

随着SiC衬底成本的降低及工艺制程的优化升级，SiC功率器件的成本和性能会随着时间呈现愈发提升的趋势。这也就意味着其相比于硅基器件的优势将继续随时间增大。由于SiC本身的材料和器件结构限制，其主要的市场化应用范围仍应集中于650 V- 3300V电压，~kHz频率量级。在该电压量级应用范围内，根据主要的两类市场，SiC器件将呈现两种不同的技术优化路线：

1）对于EV/HEV车载充电机及充电桩而言，在400 V基础上向800 V电压平台发展是未来的发展趋势。在这一应用环境下，将对器件的模块化程度有着新的要求，对应的并联均流、长程可靠性等技术问题也亟待解决；

2）光伏逆变器及服务器或其他电源应用中，当前SiC二极管已经实现了规模替代，如何将SiC MOSFET大规模引入该领域仍旧是一个问题。一个可能的发展趋势是随着逆变器或电源的功率逐渐增加，SiC IPM随着技术迭代提供更强的输出功率和更低的开关损耗，性能和应用此消彼长才能更方便的打开市场。

何黎

万国半导体元件(深圳)有限公司Marketing Manager 

SiC功率器件市场目前还处于早期阶段，但是当前市场端对于SiC的需求远远大于现有产能。所以随着SiC相关制造产业链的进一步完善和丰富，产能和良率的进一步提升，SiC功率器件的市场规模会大幅度增长。

目前SiC功率器件应用场景主要集中在与新能源车相关的应用，例如电驱、DC-DC、 OBC,、heat pump，还有配套的超级充电桩；于此同时，在储能、光伏逆变、高功率密度电源、电力传输等工业领域对SiC也有大量需求，未来随着产能的进一步释放，这些工业领域也将大量采用SiC。

陈鑫磊

泰克科技行业开发经理

个人观点，SiC功率器件因其优异的特性必然会在将来逐步替代传统硅基 器件的应用场景，尤其在那些对效率，体积，安全等有更高要求的应用场景。目前我们接触的客户使用SiC比较集中在新能源发电领域，储能，新能源汽车电驱系统，超级充电桩，医疗脉冲电源，轨道交通等，随着技术的成熟和价格逐步降低，相信会有越来越多的应用场景会采用SiC 器件。

距离SiC规模化上车的时间点已经越来越近，有越来越多的车企开始推出搭载800V高压平台的车型，而SiC正是适配这种电气架构的不二之选。请问，现阶段800V SiC的产业化进程如何？预计800V平台何时会真正落地并大规模上车？其主要面临的挑战是什么？

夏超

安森美中国区汽车现场应用工程师 

在电气性能等方面，SiC MOSFET功率器件要优于以IGBT为首的Si基功率器件。电动汽车经常运行在中低速环境下，而SiC MOSFET在轻载工况下的低损耗性能尤为出色，同等功率等级下可获取更为优秀的续航表现。与此同时，SiC功率器件由于其材料特点，可运行在远高于Si功率器件可承受的结温环境下，即高载荷工况下的鲁棒性要更好。综合以上优点，SiC器件的上车既是顺应国家碳减排政策的要求，也是能源技术更新迭代的大势所趋。

练俊

丹佛斯硅动力有限公司大客户经理 

我们看到整个SiC产业链都在加速发展以应对新能源汽车带来的巨大需求。从我们了解到的国内800V SiC平台会在2024-2025年迎来爆发。而在欧美市场上这个趋势我们感觉会更快。目前面临的挑战一方面是成熟SiC产能不足的问题可能会持续存在，同时市场的爆发也会带来很多新品的应用，其SiC芯片和模块的可靠性，尚待市场的最终检验。

Doug Bailey

Power Integrations市场营销副总裁  

电动汽车已经在生产800V母线车型，我们预计这一趋势将继续并加速。奥迪、保时捷、现代和起亚都有800V母线电动汽车在售，而Lucid Air采用的是900V母线 - 信息来自《美国汽车新闻》上的一篇报道。业界引用了汽车行业主要供应商GKN电动传动系统部门负责人Dirk Kesselgruber的观点：“到2025年，进入市场的大部分应用将是800V。我们认为它将成为主流，韩国现代已经证明它在价格上具有竞争力。”

Power Integrations等领先的IC厂商正在提供适用产品，推动电动汽车市场向更高母线电压的转变。解决方案早已推出，并且正应用于实际生产。

王中健

上海功成半导体科技有限公司SiC产品线总监 

国外大厂有陆续推出700-900V电压平台的产品，国内厂商进展相对较少。800V 平台何时会真正落地并大规模上车，随着SiC产业成熟，成本降低，近几年内肯定会发生。

目前电动车的主流电压平台还是在400V水平下运行。出于整套系统，如连接电池、电机间的电缆粗细，整车的冷却系统等方面的性能优化，国际上部分电车厂商开始开发800 V电压平台。该系统最早在保时捷和奥迪等高端豪华电动车车型上尝试，后来逐渐进入到中档汽车市场，比如比亚迪、现代、起亚等车厂也跟进了该领域研发和样车制造阶段。

对于800 V电压平台的产业化预期，主流观点认为将在2022-2023年实现量产。目前其产业化挑战主要还是集中在上游器件及系统零部件性能升级上。第一、系统从400 V提升到800 V，需要新增一个DC-DC升压部件；第二、原架构中的电池系统、电机及控制系统、DC-DC，OBC电源等电学系统的设计需要重新考虑散热、耐压等技术参数；第三、采用的原材料及基本元器件，如线缆、继电器、保险丝、电容、电阻、电感、半导体整流管和开关管都需要从650 V提高到1200 V。

陈鑫磊

泰克科技行业开发经理 

800V 高压平台是新能源汽车领域非常热门的话题，目前从公开的信息平台，各大汽车厂商已经发布了其800V 高压平台车型上市计划表，未来800V平台肯定是大趋势。基于800V高压平台新能源汽车最大的优势可以很好的解决客户电动汽车里程焦虑问题，但是对于汽车厂家来说会在汽车整个电气设计各个环节都会面临新的挑战，首先SiC作为一个核心功率器件势必成为800V架构的首选，关联的还有汽车电池，电控，小三电系统，高压连接件及其他各种元器件。泰克专注与测试领域，客户在800V架构，应用SiC 器件测试领域面临最大的挑战，如何安全，高效的应用SiC，如何提升整体的效率，如何去除干扰看到真实可靠的信号特征，如何解决EMC问题等等。在此，泰克科技可以为您提供针对性的测试解决方案，让工程师在设计过程中，有高效的测试工具，有针对性的测试方法，对设计每一步的测试都充满信息，推动SiC技术在各种应用场景的应用。

您认为SiC上车有何必要性和重要性？供应链配套情况如何？国内SiC供应链面临哪些挑战？

Doug Bailey

Power Integrations市场营销副总裁  

电动机的核心是转子，通过产生变化的磁场来驱动转子。电压越高，则电机的转速更快，体积也更小。这种尺寸的减小不仅可减轻重量，而且还可释放宝贵的空间并降低材料成本。电压更高时，可以更少的电流提供相同的功率。如果电压从400V翻倍至800V，电流则会减半，从而使电缆更小、更轻，进一步缩减重量、空间和成本。因此，800V架构可提高功率密度并延长续航里程。

800V还有助于缩短充电时间。正如我们之前提到的，在相同功率下，将电压加倍会将电流减半。充电的损失之一是通过散热损失的功率。热量损失与电流成正比，因此在800V的系统中，由于电流减少，产生的热量和功率损失也随之减少。这被称为增加功率保留，因为功率损失减少，就会有更多的功率进入电池，加快充电速度。

SiC比传统的硅或IGBT的效率高得多，因此SiC MOSFET是电动汽车应用的首选。

王中健

上海功成半导体科技有限公司SiC产品线总监 

新能源汽车需要SiC功率器件的必要性和重要性：对于新能源汽车而言，其重要的发展方向为更快的充电速度以及更长的续航里程。因此，这就需要让新能源车充电性能大幅提升，快速提升电池的充电速率；并且有更高的整车运行效率，可以在同等电量下，有更长的续航里程。同时，新能源汽车电气架构逐渐向800V平台升级。在这些需求下， SiC器件凭借其低导通损耗、高工作频率、小体积以及高工作电压等特点逐步开始取代Si器件，广泛应用于主驱逆变、电源转换系统（DC/DC）、车载充电系统（OBC）以及非车载充电桩中。400V电压平台下SiC比IGBT由2-4%的效率提升，而在750V电压平台其提升幅度则可以增大到3.2%-8%。

供应链配套情况：目前全球范围内SiC晶圆制造已得到快速发展，从衬底到最后的封装已形成完整的体系。而在国内发展速度相较于国外还是相对落后，但是正处于迎头赶上阶段，SiC功率器件的供应链配套从上游的SiC衬底以及外延制造到下游的模块封装也形成了自有的完整体系。

供应链面临挑战（1）SiC衬底材料成本较高，相较于Si晶圆成本还是有较大差距，大尺寸（8英寸以上）SiC衬底材料国内成熟度不高。（2）SiC晶圆制造设备大多数需要从海外进口，受疫情影响，目前SiC制造设备出现供需不平衡现象。（3）目前国内的IDM以及代工行业处于新兴阶段，主要制程以二极管为主，可以制造MOSFET的屈指可数，且相较于国外大厂技术有一定代差。多数国内新能源汽车厂家依然缺少SiC芯片现象。（4）目前国内相关代工厂正处于或即将处于量产爬坡阶段，产能总体较低，还需要3年左右的全行业联动发展。

器件的升级换代会加速新能源汽车的发展，同时随着当前油价连连高涨，带来新能源汽车需求爆发也会催生和倒逼SiC的发展。从Si基的IGBT切换到SiC的MOSFET，是否会因电动化的进程加快而快速切换？

练俊

丹佛斯硅动力有限公司大客户经理 

终端用户对充电时间以及续航里程的要求已经在倒逼SiC MOSFET的发展。从我们客户的一些需求以及未来的规划，丹佛斯确实很明显地感受到SiC的应用在800V领域明显加速。我们有理由相信这是未来的大趋势。

Doug Bailey

Power Integrations市场营销副总裁 

Power Integrations认为，包括淘汰传统内燃机汽车的法规、石油供应的不确定性和价格上涨以及Power Integrations等IC厂商在WBG（SiC和GaN）技术方面的持续发展等在内的诸多因素都将加速向SiC MOSFET的转移，这是不可避免的。

王中健

上海功成半导体科技有限公司SiC产品线总监 

随着汽车产业电动化的进程加快，肯定会加速Si 基的IGBT 切换到SiC 的MOSFET。SiC的性能优势（效率、能力、体积）是很明显的，目前受制于衬底成本、制程能力、产业链成熟度问题，碳化硅器件才没有大规模取代IGBT。但随着电动化的进程加快，市场扩大，产业上下游的全面升级，可靠性、电路拓扑等都会越发成熟，在电动汽车领域SiC器件逐步取代Si基器件将成为必然趋势。

SiC器件的全方位优化可满足新能源汽车应用的更高需求。随着功率半导体的平均结温不断上升，在大量应用SiC功率器件的同时，如何通过耐高温驱动器提供良好配合，就变得异常重要。电机与电控系统相伴相生，SiC功率组件为其提供支持，实现电机与电控系统的完美匹配和全面优化。请问，贵司在这方面有怎样的技术突破和发展？

苏勇锦

罗姆半导体（深圳）有限公司技术中心高级经理 

罗姆致力于开发非常适合驱动SiC元器件的栅极驱动器IC，与SiC元器件结合使用时，可以更大程度地发挥出其特性。此外，罗姆还在开发内置SiC产品的IC，例如内置SiC MOSFET的AC/DC转换器控制IC。备有1700V SiC MOSFET + AC/DC转换器评估板供用户进行测试。该评估板集成了1700V SiC MOSFET和用于驱动的AC/DC转换器控制IC，能够与大功率工业设备中的辅助电源配合使用。

Doug Bailey

Power Integrations市场营销副总裁  

我们的公司名Power Integrations恰如其分地表达了我们的发展理念：我们将所涉足的几乎所有市场。我们善于技术集成，以此我们提供了诸多好处，包括提高效率、减小尺寸、减少BOM元件数和提高可靠性。

在SiC技术的应用方面，我们着力于以下两个方面。

符合AEC-Q100标准、额定耐压1700V的InnoSwitch™3-AQ IC产品系列是业界首款采用碳化硅(SiC)初级开关MOSFET的汽车级开关电源IC。新IC可提供高达70W的输出功率，主要用于600V和800V纯电池和燃料电池乘用车，以及电动巴士、卡车和各种工业电源应用。高度集成的InnoSwitch IC可将电源的元件数量减少多达50%，从而节省大量电路板空间、增强系统可靠性并缓解元器件采购所面临的挑战。

800V电池正在成为电动汽车的标准配置。多个车辆系统连接到这个强大的电源，但精巧的电子控制电路只需要几伏电压即可进行工作和通信。使用InnoSwitch器件的电路可以使用很小的电路板面积，安全地从主母线上汲取少许能量供控制电路使用，而不会造成能量的浪费。最值得一提的是，新器件还可以大幅简化主牵引逆变器的应急电源的设计。应急电源需要随时准备着在30V和1000V之间的任何电压下工作。我们基于SiC的InnoSwitch3-AQ器件可以轻松应对如此广泛的工作电压范围。

新IC采用紧凑的InSOP™-24D封装，使用FluxLink™反馈链路，可以为次级侧控制提供高达5000伏有效值电压的加强绝缘。FluxLink技术可直接检测输出电压，其优势在于可提供高精度的控制以及极其快速的动态响应特性。在无需借助外部电路的情况下，电源在30V输入电压下即可工作，这对满足功能安全的要求至关重要。其他保护功能包括输入欠压保护、输出过压保护和过流限制。新器件内部还集成同步整流和准谐振(QR)/CCM反激式控制器，可实现90%以上的效率，轻松满足最严格的OEM厂商要求。采用此方案的电源空载功耗可低于15mW，可以降低电池管理系统当中电池的自放电。

另一方面表现在工业、牵引和可再生能源应用领域。Power Integrations还提供基于SCALE™-2技术的高度集成的SiC门极驱动器。有多种规格的器件可供选择，以精确匹配行业领先供应商的先进模块的要求。Power Integrations的SiC门极驱动器集成了复杂的高级钳位短路保护电路和无需光耦器的绝缘功能。这些器件能够实现模块的高精度并联，在某些情况下能够消除多达六分之一的模块。

结语

作为全球电力电子顶尖展会PCIM Europe的姐妹展，PCIM Asia上海国际电力元件、可再生能源管理展览会是一场在亚洲领先的电力电子国际展览会及研讨会。PCIM Asia 作为一个涵盖组件、驱动控制、散热管理及终端智能系统的全方位展示平台，向业界人士呈现一条完整的产业价值链。来自工业电子、汽车电子、超大功率应用、智能家居、可再生能源管理等领域的买家齐聚一堂，参与这场年度电力电子盛会！