SiC如何为“新基建”提供Power-芯诺微电子

浏览：作者：来源：时间：2023-03-30 分类：行业动态

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SiC如何为“新基建”提供Power-芯诺微电子

3月4日，在中共中央政治局常务委员会召开的会议上，决策层强调，要加快推进国家规划已明确的重大工程和基础设施建设，其中要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度——这短短的一句话，让“新型基础设施建设”再次成为热词。

新型基础设施建设是指发力于科技端的基础设施建设，主要包含5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域，涉及到通信、电力、交通、数字等多个社会民生重点行业。

SiC是第三代半导体材料的代表。以硅而言，目前SiMOSFET应用多在1000V以下，约在600~900V之间，若超过1000V，其芯片尺寸会很大，切换损耗、寄生电容也会上升。SiC器件相对于Si器件的优势之处在于，降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。

SiC功率器件主要定位于功率在1kw-500kw之间、工作频率在10KHz-100MHz之间的场景，特别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用。如电动汽车车载充电机与电驱系统、直流充电桩（快充桩）、光伏微型逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域，可替代部分硅基MOSFET与IGBT。

▼SiC应用领域及其市场空间（百万美元）

据IHS数据显示，2017年全球SiC功率器件市场空间约为3.99亿美元，预计整体需求规模2017-2023年复合增速约为26.6%，2023年全球需求有望达到16.44亿美元。下游主要应用场景，包含UPS电源、电动车、充电桩、电机、光伏、轨交以及航天军工等领域，其中电动车、充电桩等领域增长强劲，预计CAGR有望达81.4%/58.0%；此外，UPS、光伏等市场空间亦相对较大。

▼Cree发布于2019年5月的SiC产能扩大计划

EV：车型商用逐步开启，增长动力充足

TeslaModel3开始采用意法半导体(STM)定制的SiC-MOSFET，参数为650V/100A，每一辆Model3搭载24个650V/100ASiC-MOSFET模块，每个模块中2片SiC芯片并联。

▼TeslaModel3逆变器结构

结合Model3对于MOSFET（SiC）（STM配套）的应用，综合考虑使用MOSFET（SiC）带来的电池成本、磁材成本和其他成本的系统经济性，经测算得到当电池容量达到75kWh时，使用MOSFET（SiC）可在系统单位成本上获得正向经济性。若结合不同的SiC-MOSFET成本降速，中性假设下，SiC-MOSFET在系统成本上实现经济性在未来3-4年内是可期的。

2月28日，比亚迪公布了自主研发并制造的高性能SiC-MOSFET控制模块。据新闻报道，比亚迪的SiC模块能够降低内阻，增加电控系统的过流能力，大幅提升电机的功率与扭矩，该模块将搭载在比亚迪汉EV车型上。目前看，全球领先的EV主机厂商正全面加速SiC器件在具体车型的商业化应用。

轨道交通：能效优势显著

轨道交通行业也是碳化硅功率器件主要指标应用行业之一。未来轨道交通对电力电子装置，比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率，将有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前，受限于碳化硅功率器件的电流容量，碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升，全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。SiC器件可以实现设备进一步高效率化和小型化，在轨道交通方面具有巨大的技术优势。

▼使用SiC-PE的列车直流系统中的能源流

其一，SiC器件可以将功率损耗从5-6%减少到2-3%。其二，SiC良好的高温性能可以减少冷却系统体积，高频的特性可以减少30%的逆变器重量，因此节约了3.2-8.6%能源。其三，高频也使得逆变器和发动机可以快速响应，进一步提高效率。

▼分类别轨道交通功率半导体情况

从相关制造商布局来看，SiC在轨道交通市场的渗透以日本厂商为主，整体呈现由混合SiC产品到全SiC产品过渡的趋势。

▼企业布局和产品进展情况

通信：5G产业化孕育巨大空间

2001年，Infineon将600V的SiC二极管与硅基器件组合用于PFC通讯电源中，打开了SiC功率器件的市场。目前，数据中心和通讯电源市场是SiC功率器件的最大下游应用市场。

通讯电源是服务器，基站通讯的能源库，为各种传输设备提供电能，保证通讯系统正常运行，通信电源系统在整个通信行业中占的比例比较小，但它是整个通信网络的关键基础设施，是通信网络上一个完整而又不可替代的关键部件。

SiC-MOSFET的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻，SiC-JBS反向恢复时间“零”特性使得电路的开关损耗大幅度降低，在数据中心和通讯电源中具有巨大优势前景。

其中，通信电源主要由可控PFC、逆变和整流三部分组成，以Wolfspeed为例，其在PFC中采用6个1200V/50A的SiC-MOSFET模块。

▼通信电源主要由可控PFC、逆变和整流组成

根据RichardsonRFPD的数据，10kW交错升压转换器中，功率半导体价值量如下表所示，SiC器件的用量基本为160-170美元。

▼10kW交错升压转换器功率半导体价值量（美元）

预计2020-2028年，5G产业化中仅中国市场就将带动超450万座基站建设，潜在需求空间巨大。

▼2019-2028年中国5G基站集采规模测算（万站）

光伏：全生命周期优势明显，降本速度将深度影响初始投资

目前，光伏行业是SiC功率器件的第二大应用市场，占SiC功率器件市场超过30%以上。SiC光伏逆变器效率可以达到99%以上，能量转换损耗可以降低50%以上，可极大地降低逆变器的成本和体积。

光伏逆变器正持续向高效、高可靠和高功率密度方向发展，而SiC功率器件可以凭借低通导、开关损耗，无Si基器件的电流拖尾现象，高开关频率实更高效发电；SiC更高的效率可降低损耗、减少温度循环、提升器件寿命，实现安全可靠；高开关频率减小无源器件体积，缩小逆变器的体积和重量；全生命周期角度可节省投资。

▼中国及海外市场当年新增光伏装机规模(MW，左轴)及IGBT采购需求（亿元、右轴）

过去两年，光伏（PV）逆变器市场经历了IGBT/SiC混合升压模块的加速推出，并在2019年开始逐步应用全SiC模块，目前看制约大规模应用SiC功率器件的主要因素，仍是SiC价格导致的较高的初始采购成本，预计有望随着SiC单位成本的下降而逐步改善。

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