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來源: 第一財經資訊 作為第三代半導體材料的典型代表，碳化硅（SiC）被認為是功率半導體行業進步的主要方向。在近幾年國內廠商不斷沉淀技術與升級產品的背景下，國產碳化硅 MOSFET在2024年開始放量。 碳化硅 MOSFET相比IGBT有哪些性能優越性？系統成本是否實現追平？國內碳化硅產業還面臨哪些挑戰？近日，第一財經專訪瑤芯微董事長郭亮良，就上述話題進行交流。 性能優越，百億美元市場可期 “與IGBT相比，碳化硅器件在高壓、高頻、高溫環境下有更好的表現，可以帶來更高的電能轉換效率及更低的能量損耗，最近幾年在汽車以及新能源領域滲透率提升非常快。”郭亮良告訴第一財經。 碳化硅器件的性能優越性主要緣于襯底材料差異。相比于硅，碳化硅具有十倍的擊穿電場強度、三倍的禁帶、兩倍的極限工作溫度和超過兩倍的飽和電子漂移速率。同時，碳化硅還具有三倍的熱導率，這意味著三倍于硅的冷卻能力。 高飽和漂移速度帶來更低的電阻和更小的能量損耗，還能夠達到縮小體積的效果。據悉，相同規格的碳化硅MOSFET和硅基MOSFET，前者的導通電阻降低為后者的1/200，尺寸減小為1/10；使用相同規格的碳化硅MOSFET和硅基IGBT的逆變器，前者總能量損失小于后者的1/4。以羅姆公司設計的碳化硅逆變器為例，使用全碳化硅模組后，主逆變器尺寸降低43%，重量降低6kg。 “目前碳化硅在新能源汽車、充電樁、高效率電源等領域都在快速適用，預計2028年后市場規模將與IGBT持平，約700億元人民幣，是功率半導體未來最大的一塊增量。”郭亮良表示。 據Yole的Power SiC 2023報告數據，碳化硅功率半導體市場從2021年11億美元增長到2022年18億美元，年均增長率為62%。隨著汽車電子（Automotive）和工業電子（Industrial）的推動，碳化硅功率半導體市場還將強勁增長，預計未來幾年將接近100億美元。 
碳化硅 MOSFET系統成本追平IGBT “過去產業上對碳化硅的采用有一些擔憂，主要是兩方面，一方面是價格太貴，另外一方面是幾乎由海外芯片廠商為主導，產能和供貨穩定性是個挑戰。”郭亮良對第一財經表示。 第一財經了解到，過去兩三年，業內預計碳化硅MOSFET批量化價格是硅基IGBT的3-5倍，目前來看已有所下降。 “碳化硅MOSFET是不可能比IGBT更便宜的，因為原材料、工藝都不一樣。我們目前看價格預計在IGBT的2-3倍，極限測算在1.5倍左右。”郭亮良坦言，“但更重要的是，碳化硅MOSFET能夠實現IGBT所不能實現的功能，使得系統成本更低。” 郭亮良解釋稱，碳化硅MOSFET拉了高頻后，首先原來的電容、電感、磁性元件可以全部變小，這塊能夠降本；其次，拓撲也在變化，原來可能需要兩顆SJMOS，現在只需要一顆碳化硅MOSFET，系統成本更便宜。“目前在光伏、高效率電源、充電樁領域，其實碳化硅的方案成本已經比硅基更便宜了。” “瑤芯微目前主要在解決成本和供貨穩定性的問題，一方面采用了國產供應鏈，另外一方面技術迭代迅速并基本追平了海外的技術能力，所以在降本和供貨穩定性上有了很大的保障，目前很多客戶開始積極采用我們的芯片也是基于這個原因。”郭亮良介紹稱。 據悉，瑤芯微功率產品收入占比超過80%，其中碳化硅MOSFET作為其核心產品，已迭代至第五代，目前最新一代碳化硅MOS核心性能指標RSP值為2.5，可對標全球一線廠商。 “目前公司的碳化硅MOS已在車載、光伏、充電樁、工業電源等多家龍頭客戶實現了大批量出貨，是國內少有的能夠打通碳化硅純本土供應鏈資源的企業。2020年我們就開始在國內率先布局碳化硅純本土供應鏈，從碳化硅襯底、外延到晶圓制造，都采用了國內頂尖的供應鏈。”郭亮良表示。 分應用領域來看，瑤芯微下游覆蓋汽車、新能源、工業以及消費電子，汽車應用占30%左右，新能源和工業加起來約占40%，消費電子約占30%。目前該公司產品已經在新能源汽車龍頭企業實現大批量交付，上車超過150萬輛，供應全球車型，在車載功率芯片領域代表國內頂尖水平。 AI服務器貢獻MOSFET新應用 在應用上，目前碳化硅 MOSFET在新能源汽車領域滲透率快速提高，未來AI服務器也將成為其新應用領域。 “傳統的應用大部分用不上寬禁帶半導體（可理解為第三代半導體）。寬禁帶主要用于兩方面，一是高效率領域，二是高功率密度領域。”郭亮良表示。 在高效率方面，郭亮良舉例稱，如果功率高達30kW、40kW，那么效率上兩個百分點的差距在成本上都有非常大的體現。部分大功率充電樁要實現快速充電，功率就要拉上去，效率也就要提升。 新能源車企中，特斯拉率先在Model3中集成全碳化硅模塊，是碳化硅上車“第一個吃螃蟹的人”。2018年，特斯拉在Model3上首次采用意法半導體的650V 碳化硅 MOSFET逆變器，相較Model X等采用IGBT的車型實現了5%~8%的效率提升，并在此后的幾款車型中均采用碳化硅技術。隨后海外車企豐田、本田、福特、大眾等，國內比亞迪、蔚來等陸續宣布將采用碳化硅方案。 與硅基IGBT相比，碳化硅 MOSFET具有高耐壓、低導通損耗、低開關損耗等優點，應用于800V高壓平臺新能源車可大幅提升電驅效率并降低整車能耗。目前國內外主流車企均已布局800V高壓平臺架構。隨著800V高壓平臺的普及，以及碳化硅產品性價比與可靠性提升，華金證券預計碳化硅在新能源車上的應用有望于2025年進入快速增長。 在高密度方面，AI技術的快速發展對電源功率密度提出了更高的要求，郭亮良表示，相比800W的常規服務器，AI服務器的功率要達到4500W、5000W，也需要高效率的碳化硅MOSFET。同時AI服務器的大小仍被機柜空間限制，因此功率提升需要高功率密度半導體芯片通過拉高頻來實現，而高頻靠硅基無法實現，只有通過碳化硅才能實現。 此外，業內也有觀點認為，電網領域碳化硅 MOSFET需求將超過新能源汽車，未來電網需求也會來帶新一波應用浪潮。 |
