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衢州市氟硅经贸摩擦预警点
电话:0570-3051871 8021016 传真:0570-8356617 联系人:周璀 QQ群:89712774 QQ: 地址:衢州市西区白云中大道37号 市级机关综合大楼
相对于第一代(硅基)半导体,第三代半导体禁带宽度大,电导率高、热导率高。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍,具有更强的耐高压、高功率能力。
碳化硅更适合作为衬底材料。在高压和高可靠性领域选择碳化硅外延,在高频领域选择氮化镓外延。
碳化硅衬底器件体积小。由于碳化硅具有较高的禁带宽度,碳化硅功率器件可承受较高的电压和功率,其器件体积可变得更小,约为硅基器件的1/10。碳化硅器件电阻更小。同样由于碳化硅较高的禁带宽度,碳化硅器件可进行重掺杂,碳化硅器件的电阻将变得更低,约为硅基器件的1/100。
碳化硅衬底材料能量损失更小。在相同的电压和转换频率下,400V电压时,碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的29%-60%之间;800V时,碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的30%-50%之间。
碳化硅器件在具体应用场景中表现出的特性是:1、耐高温:硅基材料120°C场景需要散热,使用SiC在175°C结温不需要散热,可承受600°C以上高温环境。2、高压大功率:二极管600-1700V,MOS管800-3300V,如新能源车直流快充仅15分钟可完成80%。3、高频率:能量损耗减少了四分之三,转化率高,如提升了新能源车5%-10%续航能力。4、小体积:因为阻抗小,同性能的碳化硅器件尺寸缩小到硅基的十分之一,模组尺寸更大幅缩小。
未来在高压、高频、大功率、环境恶劣的场景下,碳化硅器件将逐渐替代硅基器件。
为了突破功率半导体器件性能天花板,需要发力的几个点是:高耐压:在大功率应用中,耐压能力是一个重要的硬指标;高频率:更高的开关频率不仅能够提升功率器件自身的性能,还能够带来一个明显的优势,就是允许使用更小的外围元件,进而减小系统整体的尺寸;高可靠:由于要承载更高的功率密度,所以功率器件需要耐高温,具有更高的热稳定性,以及对抗过流过压等瞬变的能力。低功耗:影响功率器件功耗的因素有很多,以一个功率二极管为例,其功耗主要包括与反向恢复过程相关的开关损耗、与正向压降 VF相关的正向导通损耗,以及反向漏电流带来的反向损耗。
根据Yole预测,预计到 2027 年,SiC 器件市场将从 2021 年的 10 亿美元业务增长到 60 亿美元以上,主要包括新能源汽车、泛新能源市场。
碳化硅应用-新能源汽车
新能源汽车从400V平台向800V平台跃迁已是业内共识,可使汽车电池在10分钟内充满80%电量,解决“里程焦虑”和“充电焦虑”。SiC逆变器使得电源频率增加,电机转速增加,相同功率下转矩减小,体积减小。800V 架构时代来临,SiC 在高压下较IGBT 性能优势更为明显,损耗降低度更大。SiC 在新能源车主逆变器及 OBC 中渗透率将快速提升。
如今新能源汽车使用碳化硅器件已经蔚然成风:
2018年特斯拉从Moldel 3开始大规模采用SiC功率器件。2019年,保时捷率先量产800V高电压平台电动车Taycan,其最大充电功率可达270kW。2020年,现代集团发布E-GMP平台,搭载400V/800V超高压充电系统,可实现充电5分钟续航100km。2021年,奥迪发布PPE平台的A6e-tron概念车,搭载800V高压电气系统。2021年,比亚迪发布e平台3.0,该平台具备800V高压闪充技术,最高可实现充电5分钟续航150km。2021年,北汽极狐发布极狐aSHi版,具备800V 充电架构,实现10分钟补充196公里续航的电量。2021年10月,小鹏汽车公布首个量产的800V高压SiC平台,充电5分钟最高可补充续航200公里。
碳化硅应用-光伏逆变
预计到2025年时,全球光伏新增装机量有望增加至287GW,2019-2025年间复合增长率为16.40%。其中逆变器市场需求将大幅增长。
SiC MOSFET或SiC MOSFET+SiCSBD模组的光伏逆变器能将转换效率由96%提升至99%以上,能量损耗可降低50%以上,设备循环寿命提升50倍。对于100kW的太阳能逆变器,其平均需要30-50颗SiC器件。二极管与三极管比例在4:1与5:1之间。据CASA预测,2025年光伏逆变器中SiC器件价值占比将增长至50%。
碳化硅应用-储能
2021-2025年电力系统用储能装机需求分别为 117、190、274、367和507GWh,需求年平均增速约为83.34%。2021年储能逆变器(PCS)和能量管理系统(EMS) 价格按照0.8元/W计算,2025年每年价格下降8%,则分别为234、349、463、571、726亿市场空间。其中功率器件占比5%左右,将有11.7亿、17.5亿、23.1亿、28.5亿、36.3亿的市场机会。
碳化硅应用-充电桩
2020年,全球充电桩市场规模达到了1925.32百万美元,预计2027年将达到5923.22百万美元,年复合增长率(CAGR)为16.84%。中国2020年市场规模为1131.52百万美元,预计2027年将达到3247.44百万美元,年复合增长率(CAGR)为15.63%。中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计,载至2022年3月,联盟内成员单位总计上报公共类充电桩123.2万台,其中直流充电桩50.2万台。从2021年4月到2022年3月,月均新增公共类充电桩约3.2万台。
随着新能源汽车从400V向800V跃迁,直流充电采用的是高电压大功率充电,电压从1000V向1400V演进,并开始采用SiC MOS模块,功率达到30-40KW。
提高器件的可靠性和效率
1、提高材料质量和工艺稳定性:碳化硅功率器件生产过程中需要控制材料质量和工艺稳定性,尤其是在制造高质量晶体时。此外,还需要采用先进的微细加工技术,提高器件的精度和一致性,从而提升器件的可靠性和效率。
2、优化设计和结构: 在碳化硅功率器件设计方面,需要考虑材料的特性和应用场景的要求,选择最优的结构和参数。同时,还需要通过设计优化减少能量损失和热效应,优化器件的电热特性和稳定性。
3、改进封装技术:碳化硅功率器件的封装方式对器件的性能和可靠性影响很大。因此,需要优化封装材料和结构,提高温度承受能力和抗电气应力能力。此外,还需要采用先进的封装工艺,提高封装可靠性和耐久性。
器件尺寸缩小
碳化硅功率器件的未来趋势是朝着尺寸缩小的方向发展。针对此趋势,可以从以下方面进行更深入的探讨:
1.更小的芯片尺寸
碳化硅器件尺寸的缩小,可以通过采用更先进的制造工艺来实现,目标是在不增加器件大小的情况下提高芯片功率密度和效率。随着尺寸的缩小,碳化硅器件的电路集成度不断提高。高集成度的器件可以带来更低的损耗和更小的体积,同时也可以实现更高的性能。
2.更高的工作温度
碳化硅器件的尺寸缩小还可以降低器件的热阻,使得器件能够在更高的温度下正常工作。这对于一些高温工作条件下的应用非常有益,例如航空航天、军事和汽车行业等。
降低成本
碳化硅功率器件随着市场规模的快速增长,降低成本是未来大趋势,可以从以下方面进行更深入的探讨:
更大尺寸的衬底,比如6寸到8寸;更高效的村底长晶效率,大幅度提升良率;更低损耗的水冷激光切割;更高效的外延生长效率;进一步扩大晶圆代工的生产规模,以规模化降低生产成本。
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