3.2. SiC：市場(chǎng)已正式形成，未來(lái)在電動(dòng)汽車(chē)中將大有可為

　　由于硅基功率器件的性能已逼近甚至達(dá)到了其材料的本征極限，研究人員早在 19 世紀(jì) 80 年代就把目光轉(zhuǎn)向?qū)捊麕О雽?dǎo)體器件，如碳化硅(SiC) 、氮化鎵(GaN)等。寬禁帶功率半導(dǎo)體器件與傳統(tǒng) Si 基功率半導(dǎo)體器件相比較，其材料特性主要表現(xiàn)在：寬能帶、高飽和速度、高導(dǎo)熱性和高擊穿電場(chǎng)等。使 SiC 功率半導(dǎo)體器件具有如下 Si 基器件無(wú)可比擬的電氣性能。

　　1)耐壓高。臨界擊穿電場(chǎng)高達(dá) 2 MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐壓能力(10 倍于 Si)。SiC器件的阻斷電壓可達(dá)幾千伏，這為其在電氣化鐵路、電力系統(tǒng)等方面的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。目前商業(yè)化的阻斷電壓己達(dá)到 1700V。

　　2)散熱容易。由于 SiC 材料的熱導(dǎo)率較高(3倍于 Si)，散熱更容易，器件可工作在更高的環(huán)境溫度下。有報(bào)導(dǎo)，SiC 肖特基二極管在 361 ℃的工作結(jié)溫下正常工作超過(guò) 1 小時(shí)。

　　3)導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗低。SiC 材料具有兩倍于 Si 的電子飽和速度，使得 SiC 器件具有極低的導(dǎo)通電阻(1/100 于 Si)，導(dǎo)通損耗低;SiC 材料具有 3 倍于 Si 的禁帶寬度，泄漏電流比 Si 器件減少了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而可以減少功率器件的功率損耗;關(guān)斷過(guò)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)損耗低，可大大提高實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)關(guān)頻率(10 倍于 Si)。

　　SiC 功率器件這些性能，可以滿足電力電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣工作條件的新要求，其在電動(dòng)汽車(chē)、空間探測(cè)、軍工設(shè)備及電力系統(tǒng)等領(lǐng)域有著十分光明的應(yīng)用前景。迄今為止，SiC 功率開(kāi)關(guān)器件主要類(lèi)型有 SiC SBDs(肖特基二極管)、SiC BJTs(雙極型晶體管)、SiC JFETs(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管)、SiC MOSFETs(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)和 SiC IGBTs(絕緣柵雙極晶體管)。其中， SiC SBDs、 SiC MOSFETs 和 SiC JFETs 最具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力， SiC SBDs 由于具有較小的反向恢復(fù)電流和成本適中，已經(jīng)在部分電動(dòng)汽車(chē)變換器中得到了應(yīng)用。

　　碳化硅器件的發(fā)展歷史：從 SiC 器件出現(xiàn)至今，這種寬禁帶半導(dǎo)體器件已經(jīng)發(fā)展了 20 年，開(kāi)始逐步進(jìn)入市場(chǎng)并被工程技術(shù)人員認(rèn)可。 1992 年，美國(guó)北卡州立大學(xué)就在全世界首次成功研制阻斷電壓 400 V 的 6H-SiC SBDs， 2001 年 Infineon 生產(chǎn)出全球第一款 SiC SBDs，現(xiàn)已開(kāi)始商業(yè)化還有 Cree、Microsemi、Rohm 等公司產(chǎn)品。1993 年，首次出現(xiàn)了 SiC MOSFETs 的報(bào)導(dǎo)，到 2010 年，已經(jīng)陸續(xù)有 SiC 功率開(kāi)關(guān)管器件的系列產(chǎn)品成功量產(chǎn)。 2011 年初 Cree 公司終于將 4H-SiC MOSFETs 器件(1 200 V/80 m歐姆)推向市場(chǎng)，耐壓等級(jí)分別為 600 V/1 200 V/1 700 V。接著， 2012 年 3 月 Rohm 公司正式推出了備受期待的全碳化硅功率模組，繼而又正式將適用于工業(yè)裝臵的變流器的 SiC MOSFETs 模組(SiC MOSFETs+SiC SBDs，額定規(guī)格 1 200 V/180 A)投入量產(chǎn)。

　　碳化硅功率元件市場(chǎng)在 2016 年正式形成，當(dāng)前市場(chǎng)約為 2 億美元，未來(lái) 10 年將有望超 20 億美元。國(guó)際市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu) IMS Research 報(bào)告顯示，2015 年會(huì)是 SiC 發(fā)展的一個(gè)拐點(diǎn)，SiC 在功率器件上的應(yīng)用會(huì)起到主導(dǎo)作用。未來(lái)的 10 年，這一市場(chǎng)份額將增長(zhǎng) 20 倍，其中混合電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)是主要的驅(qū)動(dòng)力，此外馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、風(fēng)能、太陽(yáng)能等對(duì) SiC 需求都會(huì)快速增長(zhǎng)。SiC功率元件市場(chǎng)在 2016年正式形成， 2015 年全球 SiC 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)僅為約 2 億美元，規(guī)模尚小，其應(yīng)用領(lǐng)域也主要在電力供應(yīng)、太陽(yáng)能逆變器等領(lǐng)域。而未來(lái)，隨著新能源汽車(chē)和工業(yè)電機(jī)不斷采用 SiC 材料，在未來(lái) 10 年的維度內(nèi)，SiC 半導(dǎo)體市場(chǎng)容量有望超過(guò) 20 億美元。目前全球 SiC 半導(dǎo)體市場(chǎng)處于絕對(duì)領(lǐng)先的企業(yè)是 Cree，占據(jù)了 85%以上的市場(chǎng)份額。

　　SiC 半導(dǎo)體潛在應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，對(duì)新能源汽車(chē)、軌道交通、智能電網(wǎng)和電壓轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都具有重大意義。隨著下游行業(yè)對(duì)半導(dǎo)體功率器件輕量化、高轉(zhuǎn)換效率、低發(fā)熱特性需求的持續(xù)增加，SiC在功率器件中取代 Si 成為行業(yè)發(fā)展的必然。據(jù) Yole Developpement 估計(jì)，2013~2022 年間 SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模的年均復(fù)合增速預(yù)計(jì)將達(dá)到 38%。隨著 SiC 產(chǎn)量的快速提升，其生產(chǎn)成本將不斷下降， 優(yōu)異的性能將使得 SiC 在功率器件領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)對(duì) Si 半導(dǎo)體的替代。

　　碳化硅器件在電動(dòng)汽車(chē)中應(yīng)用顯著。SiC 器件可以顯著減小電力電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高功率密度，使其成為 HEV電力驅(qū)動(dòng)裝臵中的理想器件，也必將為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)革命性的改變。

　　1)可顯著減小散熱器的體積和成本。理論上，SiC 功率器件可在 175℃結(jié)溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。SiC 功率器件的高導(dǎo)熱性也使風(fēng)冷在未來(lái)的中、大功率電動(dòng)汽車(chē)中成為可能。

　　2) 可以減小功率模塊的體積。由于器件電流密度高(如 Infineon 產(chǎn)品可達(dá) 700 A/cm2)，在相同功率等級(jí)下，全 SiC 功率模塊 的封裝尺寸顯著小于 Si IGBT 功率模塊。

　　3)可以提高系統(tǒng)效率。與傳統(tǒng)硅 IGBT 相比，SiC 器件的導(dǎo)通電阻較小導(dǎo)通損耗下降;特別是 SiC SBDs，具有較小的反向恢復(fù)電流，開(kāi)關(guān)損耗大幅降低提高。

　　在國(guó)家政策支持下，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量快速增長(zhǎng)。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)顯示， 2015 年累計(jì)生產(chǎn)新能源汽車(chē) 37.90 萬(wàn)輛同比增長(zhǎng) 4 倍，銷(xiāo)售 33.11 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng) 3.4 倍，在全球新能源汽車(chē)超過(guò) 50 萬(wàn)輛的年銷(xiāo)量中，中國(guó)市場(chǎng)的貢獻(xiàn)超過(guò)一半。政策規(guī)劃 2020 年累計(jì)銷(xiāo)量達(dá) 500 萬(wàn)輛，復(fù)合增速 50% 以上：《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020 年)》指出 2020 年新能源汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)量達(dá)到 500 萬(wàn)輛;同時(shí)，2015 年國(guó)務(wù)院下發(fā)《中國(guó)制造 2025》明確提出到 2020 年我國(guó)自主品牌新能源汽車(chē)年銷(xiāo)量突破 100 萬(wàn)輛，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占 70%以上，新能源汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到145 萬(wàn)輛以上。

　　依據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研情況，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，充電樁需要 SiC 功率器件 6 只，單價(jià)在 40-80 元，總價(jià)值量為 200-500元;新能源汽車(chē)大約需要 SiC功率器件 6只，單價(jià)在 40-80，總價(jià)值量在 500-1000元。按照 2020年，中國(guó)新能源汽車(chē)年保有量 500 萬(wàn)量計(jì)算，分散式充電樁保有量 480 萬(wàn)個(gè)。到 2020 年僅新能源汽車(chē)貢獻(xiàn)的 SIC 潛在市場(chǎng)空間就超過(guò)百億元。