随着节能减排.新能源汽车.再生能源发电.智能电网等领域的快速发展，电源和电控模块等行业对功率半导体器件的性能指标和可靠性的要求日益提高，要求器件有更高的工作电压.更大的电流承载能力.更高的工作频率.更高的效率.更高的工作温度.更强的散热能力和更高的可靠性。碳化硅功率器件能够大幅度提升电子器件的高压.高频.高功率与耐高温等工作特性，在电源.工控.再生能源发电.储能.电动汽车与电网等领域具有非常大的应用前景。

一.碳化硅器件分类

碳化硅器件 品种包括造肖特基二极管（SBD）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极性晶体管）等，主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、数据中心、充电等基础建设。 目前碳化硅二极管(SBD)、MOSFET已经开始商业化应用。

1.碳化硅晶圆（裸芯片）：

指碳化硅功率器件集成电路制作所用的晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之超快高频功率器件产品。

2.分立器件:

碳化硅分立器件主要是二极管（SBD）和场效应管（MOSFET），可直接用于处理电能的电路中，实现电能的变换或控制的电子器件，其作用主要分为功率转换.功率放大.功率开关.线路保护和整流等。分为贴片封装和插件封装。

碳化硅二极管，常规供击穿电压为650V-3300V.额定电流为1A-100A的规格产品。产品具有零反向恢复时间，低正向压降.电流稳定性.高抗突波电压能力以及正温度系数.抗浪涌电流能力强.高温反向漏电低.雪崩能量高，等特性。适合各类应用的电源转换器，包括太阳能逆变器.电动汽车（EV）和工业电源。

碳化硅MOSFET产品图

碳化硅MOSFET单管，将碳化硅MOSFET芯片封装在一个独立的封装中，比如典型的TO-263、TO-247等封装。碳化硅MOSFET单管通常有三个引脚，分别对应输出端的Drain（漏极）、输入端的Source（源极）和控制端的Gate（栅极）。 可提供击穿电压为650V-3300V.额定电流为1A-150A的规格产品。

全碳化硅功率模块产品图

在应用在大电流电路中时，出于对损耗以及散热性能的要求，由多个单管、二极管等元件封装在一起形成模块的产品应运而生。碳化硅模块分为碳化硅 MOSFET + 碳化硅 SBD构成，以及只由多个碳化硅单管构成的模块两种，而常用的结构又有H桥、半桥、三相全桥等。

二.碳化硅半导体的特性与优势

SiC作为第三代半导体材料具备诸多显著优势：

（1）耐高压： SiC材料相比于Si材料具有10多倍的击穿场强，因此可以通过更低的电阻率和更薄的漂移层实现更高的击穿电压，相同的耐压值下，SiC功率模块导通电阻/尺寸仅为Si的1/10，功率损耗大幅减少。

（2）耐高频： SiC材料不存在电流拖尾现象，能够提高元件的开关速度，是硅（Si）开关速度的3-10倍，从而适用于更高频率和更快的开关速度。

（3）耐高温： SiC禁带宽度（~3.2 eV）是Si的3倍，导电能力更强。导热率为硅的4-5倍电子饱和速度是Si的2-3倍，能够实现10倍的工作频率 。 熔点高(2830℃，约Si-1410℃的两倍)的特点，因此SiC器件在减少电流泄露的同时大幅提高工作温度。

碳化硅半导体的特性与优势

三.碳化硅功率器件的八大应用：

碳化硅产业发展被列入十四五规划后以来，就一直走在“风口”之上。 基于SiC的功率器件相较Si基器件具有耐高压、耐高温、抗辐射、散热能力佳、更低的导通损耗和开关损耗、更高的开关频率、可减小模块体积等杰出特性，不仅可广泛用于电动汽车驱动系统、列车牵引设备、充电桩、开关电源、光伏逆变器、伺服电机、高压直流输电设备等民用场景，还可显著提升战斗机、战舰等军用系统装备的性能。

1.新能源汽车

以新能源汽车应用场景为例，目前市售电动车所搭载的功率半导体多数为硅基器件，采用Si IGBT技术的功率模块仍在电动汽车应用中占主导地位。由于电动车电压平台正在从400V向800V以上的高电压发展，相较于Si IGBT，SiC MOSFET凭借“耐高压”、“耐高温”、和“高频”特点，在高压系统中有望快速替代Si IGBT，从而大幅提高汽车性能并优化整车架构，使新能源汽车具有更低的成本、更长的续航里程、更紧凑的空间设计以及更高的功率密度。

目前，车规级SiC功率器件主要应用于主驱逆变器、OBC、充电桩等场景。在主驱逆变器、OBC、DC-DC以及直流充电桩模块中，SiC MOSFET有望对Si IGBT加速替代。

新能源汽车OBC.DC-DC中的应用

车载充电机（OBC）：车载充电机（OBC）是将交流充电桩输出的交流电转换为直流电输送到动力电池包中，典型电路结构由前级PFC电路和后级DC/DC输出电路两部分组成，充电功率范围从3.3kW至22KW，可支持双向流动。DC-DC转换器可以将电池中的800V（400V）高压转换为12V低压，输送至低压系统中，功率约为3KW。应用碳化硅获得更快的开关频率FSW、更高的效率、双向操作、更小的无源元件、更小的系统尺寸和更低的系统成本。OBC二极管和开关管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要应用的功率器件。采用SiC替代可实现更低损耗、更小体积及更低的系统成本。 采用全SiC MOSFET方案的22kW双向OBC，可较Si方案实现功率器件和栅极驱动数量都减少30%以上，且开关频率提高一倍以上，实现系统轻量化和整体运行效率提升。SiC系统在3kW/L的功率密度下可实现97%的峰值系统效率，而Si OBC仅可在2kW/L的功率密度下实现95%的效率。同时，进一步拆分成本，由于SiC器件的性能可减少DC/DC模块中所需大量的栅极驱动和磁性元件。因此，尽管相比单个Si基二极管和功率晶体管，SiC基功率器件的成本更高，但整体全SiC方案的OBC成本可节约15%左右。

新能源汽车电驱逆变器中的应用

特拉斯是全球率先采用碳化硅逆变器的车企，其Model 3采用了意法半导体推出的650V SiC MOSFET逆变器，相较Model X等车型上采用的IGBT能带来5%～8%的逆变器效率提升，对电动车的续航能力有着显著提升。

降低损耗和系统成本主驱逆变器将电池中的直流电转换为三相交流电输送至电机，是电动汽车的心脏，决定了驾驶行为和车辆的能源效率，也是SiC功率器件用量最大、价值最高的部分。碳化硅应用为主驱逆变器带来了更高的逆变器效率、更小的系统尺寸、更低的系统成本和更长的行驶里程。根据Infineon与Daimler在2018年的测试数据，在相同的行驶条件和行驶里程情况下：在配备了1200V SiC MOSFET的400V系统中，逆变器的能耗降低了63%，从而在WLTP工况条件下节能6.9%；在配备了1200V SiC MOSFET的800V系统中，逆变器能耗降低69%，整车能耗降低7.6%。碳化硅对车辆能耗的降低仍被低估，因为没有考虑电池系统重量减轻的影响。在系统成本方面，尽管SiC MOSFET逆变器是等效Si IGBT价格的2-3倍，然而，由于使用SiC后整车功耗降低，车辆系统效率提高，因此需要更少的电池容量。电池节省的成本超过了碳化硅逆变器增加的成本，采用800V高压SiC平台的系统成本比400V Si IGBT平台节省高达6%。

2.  直流充电桩

全碳化硅直流充电桩的电源模块

直流充电桩又称快充充电桩，内部包含电源模块、计费系统、通信及控制系统、读卡及授权系统等，其中电源模块是核心部件，占设备总成本的50%，可将电网中的交流电转换为直流电为汽车动力电池充电。因SiC基晶体管可以实现比硅基功率器件更高的开关频繁，因此可以提供高功率密度、超小的体积，将在直流充电桩应用领域加速市场渗透。

直流充电桩通常采用15-50kW的AC-DC和DC-DC电源模块，并根据充电位置和车辆类型进行扩展，以满足更高或更低的功率需求。通过模块的并联堆叠组合可实现150 kW快充桩以及350 kW超充桩的功率需求。以25 kW充电桩模块为例，需要并联6个模块实现150 kW充电桩功率，而250 kW的充电桩需要并联10个25 kW功率模块。350 kW功率的超充桩，则可以使用6个60 kW模块并联，由于60 kW模块采用更高电压器件、更先进的封装和拓扑结构，可以有效减少芯片数量并降低系统成本。小功率充电模块用Sic MOS单管，大功率模块可以用Easy碳化硅模块。

全碳化硅功率模块拓扑结构

PWM整流器的外观和PCB布局

3.光伏逆变器和储能

光储逆变器往大功率方向发展，碳化硅是提升效能的不二之选。

光伏逆变器

面向光伏逆变器功率更大、效率更高、体积更小、成本更低，以及组串式逆变器配置灵活、易于安装的发展方向，碳化硅供应商从多个技术指标入手，持续提升器件性能。 提升光伏逆变器的最大直流母线电压，将提升光伏变电站的成本效益，这对碳化硅功率器件的电压等级提出了更高的要求。在1100 V的直流系统中，功率级别一般在8kW—150kW之间，100kW的低功率和中功率系统通常使用1200V和650V开关。当光伏逆变器从1100V做到1500V，功率器件的工作电压也随之提升。其中1700V SiC MOSFET对应1500V直流母线的光伏逆变器产品。

储能系统

储能系统的灵活性为大规模发电和输电系统的高效和可靠运行提供了一系列优势。储能系统提高了电网运行的效率，减少了在电网高峰时期的局部电量拥塞造成线路损耗。储能系统还可以减少为满足用电系统高峰需求而建造更多发电厂的需要。随着越来越多的太阳能光伏发电和风力发电的使用，能源存储与可再生能源的结合将有可能在未来十年改变我们生产、分配和使用能源的方式。这正大大推进太阳能光伏电站和风力发电机与储能系统(ESS)集成的需求和大规模发展。 ESS的核心部件是双向DC/DC和DC/AC功率转换系统，它将所有的电网、光伏电池板、风力发电机、电动汽车和电池连接在一起，并实现它们之间的功率转换。

SiC技术可以实现高压、高频和高效率的解决方案，这是所有储能系统的关键要求。随着电池价格和SiC材料成本的进一步下降，基于SiC器件的储能系统将在优化配电、稳定电网、平滑电力需求、更好地利用可再生能源等方面发挥更大作用。

60kW 基于SiC器件的三相双向AC/DC(逆变器/PFC)变换器图

SiC器件对光伏逆变器性能的改善

4.航空航天领域

碳化硅的应用能够非常直接地提升新能源汽车的续驶里程、实现对超级快充功能的支持以及带来更强大的智能化／电气化功能等等。在大功率应用中，碳化硅的发挥空间依旧很大，这其中就包括电动飞机。 早在去年11月，据外媒透露，空客的电动飞机就已经采用了碳化硅逆变器，并且接近商用。据悉，空客正在测试的电动飞行平台FlightLab包括四个主要组件，分别是电机、电池、逆变器以及控制台。其中，FlightLab的EBS 系统（发动机备用系统）中搭载了碳化硅逆变器，将电池直流电转换为三相交流电，能够在连续2分钟内持续提供150kW的功率，同时实现轻量化（15公斤）。此外，Flightlab的DC/DC也采用了碳化硅，其将500V电池系统电压降低至28V，为飞机内的发动机以及电力设备等提供所需电力。

5. 轨道交通

全碳化硅永磁直驱地铁列车

碳化硅功率器件相较传统硅基IGBT能够有效提升开关频率，降低开关损耗，其高频化可以进一步降低无源器件的噪声、温度、体积与重量，提升装置应用的机动性、灵活性，是新一代牵引逆变器技术的主流发展方向。在“碳中和、碳达峰”目标指引下，碳化硅功率器件将加速在轨道交通领域的渗透。目前株洲中车时代联合深圳地铁集团基于3300V等级高压大功率SiC MOSFET的高频化应用自主开发了地铁列车全碳化硅牵引逆变器，在节能方面表现优异，经装车试验测试，同比传统硅基IGBT牵引逆变器的传动系统，综合能耗降低10%以上，牵引电机在中低速段噪声同比下降5分贝以上，温升同比降低40℃以上。

6.智能电网

传统电网正在向智能电网转变，智能化电网设备及更优良器件的应用是实现其集智能、灵活、互动、兼容、高效等多功能于一体的关键。传统硅基电力电子变压器已在小功率电网领域实现了部分应用，但由于损耗大、体积大等缺陷尚无法在高压大功率的输电领域展开应用。比如目前商用硅基IGBT的最大击穿电压仅为6.5kV，所有的硅基器件都无法在200℃以上正常工作，很大程度上降低了功率器件的工作效率。而碳化硅基功率器件能很好地解决这些问题，碳化硅功率器件关断电压最高达200kV和工作温度高达600℃。碳化硅基功率开关由于具有极低的开启态电阻，并且能应用于高压、高温、高频场合，是硅基器件的理想替代者，另如果使用碳化硅功率模块，与使用硅功率电源装置相比，由开关损失引起的功率损耗可降低5倍以上，体积与重量减少40%，将对未来电网形态和能源战略调整产生重大影响。

7. 工业控制

基于SiC的功率半导体器件可在高温、高压、高频、强辐射等极端环境下工作，性能优势突出，将其应用于电机驱动领域，不仅可降低驱动器的体积、重量、损耗，提升功率密度，还能有效减少音频噪声并提升电机响应性能，这对于我国突破高端伺服电机技术和实现高性能伺服电机及驱动器国产化具有重要意义。迈信电气与英飞凌合作开发了基于SiC MOSFET自然散热设计的一体化伺服电机系统，其功率板选用6颗30mΩ-SMD封装的CoolSiC™ MOSFET，具有较低的导通损耗、开关损耗、优异的开关速度可控性和散热性能。

基于SiC MOSFET自然散热设计的一体化伺服电机系统

8. 射  频

5G推动GaN-on-SiC需求提升5G发展推动碳化硅基氮化镓器件需求增长，市场空间广阔。微波射频器件中功率放大器直接决定移动终端和基站无线通讯距离、信号质量等关键参数，5G通讯高频、高速、高功率特点对其性能有更高要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备碳化硅高导热性能和氮化镓高频段下大功率射频输出优势，在功率放大器上的应用可满足5G通讯对高频性能、高功率处理能力要求。当前5G新建基站仍使用LDMOS功率放大器，但随5G技术进一步发展，MIMO基站建立需使用氮化镓功率放大器，氮化镓射频器件在功率放大器中渗透率将持续提升。据Yole和Wolfspeed预测，2024年碳化硅基氮化镓功率器件市场有望突破20亿美元，2027年进一步增长至35亿美元。根据我们的预测，受益5G通讯快速发展，通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的PA，碳化硅基氮化镓射频器件相比硅基LDMOS和GaAs的优势将逐步凸显，我们测算2020年全球碳化硅射频器件市场规模为8.92亿美元，预计到2025年将增长至21.21亿美元，对应CAGR为18.9%，和Yole和Wolfspeed预测基本一致。

不同材料微波射频器件应用范围对比（左）；碳化硅基氮化镓射频器件市场规模展望（右）

总结

随着 SiC 相关产业技术的不断完善，其成品率、可靠性将会进一步提高，SiC 器件价格也将得到降低，SiC 的市场竞争力将得到更加明显的体现。未来，SiC器件将更广泛地被应用到汽车、通讯、电网、交通等各个领域，产品市场将更加宽广，市场规模也会进一步扩大，成为国民经济的重要支撑。在众多半导体器件中，碳化硅材料具有低热导率、高击穿电场、高电子饱和漂移速度和高电子迁移率等优异特性，因此碳化硅半导体器件是目前综合性能最好的半导体器件之一。 总的来说，随着应用需求的不断增长和工艺技术的逐步成熟，碳化硅将成为半导体产业的新风口。 碳化硅半导体未来应用究竟有什么样的机遇与挑战，我们拭目以待。