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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。
我国SiC功率器件商业化进展
在国内,现阶段实现商业化的SiC功率器件产品以SiC二极管和SiC MOSFET为主,代表企业包括泰科天润、三安集成、华润微、中车时代、基本半导体,产品电压集中在650V～1．7kV,高压器件仍处于样品研发阶段。此外,SiC SBD产业化刚刚起步,SiC IGBT尚在研发。
SiC功率模块方面,比亚迪车规级产品已上车使用,此外斯达半导体、瞻芯电子、基本半导体、世纪金光、士兰微等企业也在积极布局,加快推进研发及扩产。
参考资料:CASA:第三代半导体产业发展报告(2020)《第三代半导体材料》,中国材料研究学会组织编写券商研报和其他公开资料
