清纯半导体|雷光寅：碳化硅MOSFET助力高效率新能源汽车驱动系统

日前，在宽禁带半导体技术创新联盟主办的2024宽禁带半导体先进技术创新与应用发展高峰论坛上，复旦大学研究员、清纯半导体首席科学家雷光寅老师带来了以“碳化硅MOSFET助力高效率新能源汽车驱动系统”为题的主题演讲，演讲主要为三个部分：

1、碳化硅上车——行业共识

2、碳化硅产业及技术现状

3、国内碳化硅器件技术进展及发展趋势

以下是演讲内容：

1、碳化硅上车——行业共识

从车的角度，回顾过去5至10年，中国新能源汽车行业的迅猛发展确实超出了所有人的预期。2020年《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中，将2025年新能源汽车渗透率目标定为20%，2030年接近40%。而实际上，去年中国年产销950万辆新能源汽车，渗透率已经到31.6%，远远超出之前规划的2025年的20%。根据多统计口径，今年全社会的出货量预计是1200~1300万辆新能源汽车，渗透率攀升至45%，约占全世界约60%的份额。这让我不禁又想到了十几年前的光伏产业，我们几乎是按照光伏产业的发展历程重新再走一遍，我们今年是全世界产销60%，明年可能65%，后年甚至70% ~80%都不是没有可能性，这是一个令人很兴奋的市场。

那么有多少车去用碳化硅呢？2018年特斯拉首次使用碳化硅上车，2020年前后，国内以比亚迪为代表的企业也第一次使用碳化硅上车，相当于世界第二个。之后几年，各个主机厂、车厂纷纷投身于基于碳化硅技术的平台开发。根据统计，2023年公开的国产碳化硅车型合计共142款，乘用车76款，仅2023年一年，就新增了45款，可以看到，这个市场已经完全打开了。同时，器件的主体是1200v为最核心，来支撑800v的快充，以及更高的效率。但同时从替换的角度，750v器件用在400v母线平台，替换速度更快，它本身的逻辑是聚焦在成本上面。现在上车，我们要满足器件的性能、可靠性、耐久性、质量、价格还有产能。我把产能放到最后，因为这个东西是最不重要的，有可能会有企业的产能已经远远超出了如今的市场需求量，这也直接导致了现阶段，或者是接下来3~5年左右整个市场的行为。

那么上车到底有什么好处？第1个好处，续航里程。由于碳化硅的低导通电阻，低开关损耗特性可以让整个电驱动系统、整车的行驶里程提升5%左右。除了持续降低车的风阻，这个设计层面的能力之外，把碳化硅用起来是唯一甚至是最好的提升整车效率的技术了。其实在产业端，十几二十年前就已经在研究碳化硅上车，只不过那个时候认为质量、产能、可靠性等等都有一系列的问题，而今天这些疑问都已经被抹去了。

第二个好处是解决补能焦虑。对于买纯电的新能源车的消费者，如何在最短时间内完成电池充电是其最为关切的问题之一。有些企业采用的是换电的方式，这是非常高效的一个方式，3~5分钟即可完成满电，但是这必然要建大量的换电站，这个基础设施的投资是巨大的，而且只有极少数的公司能够实施。那么绝大部分的公司，还是布局在超快充，通过不断提升充电桩的功率，到预计2025年前后，350瓦可以满足15分钟80%电力输出的能力。当然，这里会牵涉整个充电桩的基础建设，但这个趋势，我相信是势不可挡的。而要满足200-300多千瓦超快充，比较好的方法是能提升母线电压，从600v提到800v、1000v，甚至很多地方已经出现了1000v以上母线的规格。电压平台提上去之后，由于碳化硅对电压敏感度低的特殊性能，它在1200v甚至更高电压下的损耗比硅更有优势。因此，从补能的角度来看，碳化硅会对整个新能源汽车有极大的帮助，而不仅仅是提升了主驱系统的效率。

在我看来，充电桩到目前为止是最活跃一个市场，而且是已经形成了充分竞争。无论是在华南还是华北地区，数十家充电桩企业如雨后春笋般涌现，并且相当一部分充电桩企业，已经在3-5年前对碳化硅进行了全面布局，同时部分企业已经率先采用了国产碳化硅器件，这是国产碳化硅器件的第一个突破口。根据yole的预计，2024年充电桩的全球市场达到3.51亿美元的市场，其中70%-80%的市场在中国，所以说像充电桩、储能、光伏这样工业级的市场，其市场竞争远比主驱市场激烈，基本上价格每月都会下调。当然，这也不是什么坏事，他提前进入了一个充分竞争的时代。

2、碳化硅产业及技术现状

在碳化硅行业，尤其在主驱市场领域，还是以国外器件品牌占据绝对垄断的地位。2025年，全球碳化硅市场接近60亿美元，复合增长率达到36.7%。而根据统计，2021年，前五大碳化硅供应商占据了市场87.4%的份额，若将排名前6至7家企业也纳入考量，则国外供应商几乎垄断了95%至98%的市场份额，国产供应链的存在感是非常小的。但我认为这是行业发展的必经之路，任何一个行业在国内都是从零开始的，对于我们而言，尽管起点较低，但这也意味着整个市场都向我们敞开，为我们提供了广阔的发展空间。我们从0到1到5到10这样突破，接下来3~5年将是一个快速发展的阶段。

国外器件品牌除了占据这么大的市场份额之外，还在做什么呢？还在持续的扩产能。我们大家都知道，当前国内碳化硅行业从衬底到应用各环节企业众多、产能持续扩张，似乎已经出现产能过剩。转头看国际巨头呢？如安森美、wolfspeed、英飞凌、意法半导体等同样在积极扩大产能。

尽管现在我们在新闻中经常看到国内企业动辄数亿、数十亿人民币的投资听起来颇为可观，但与国外巨头65亿美元、50亿欧元的投入相比，似乎我们的投入还是有限或者说，可能我们的总投资额也达到了1000亿人民币，但他分给了数十家企业，太过分散，而很难形成合力，到最后仍会被国外企业一一突破，核心点是因为头部企业没有形成。所以尽管上游的产能已经扩得非常厉害了，但是从器件端上车还没有完成，导致现在形成了“堰塞湖”的局面。除了极个别的个例，中国国产品牌上车几乎为零。但是我相信这是阶段性的现象，随着技术的不断进步和市场的逐步成熟，3~5年之后一定会有所改善。

据统计，2026年国内的衬底产能预计将达到468万片，如果这些规划都可以顺利量产，这些足以支撑3000万辆新能源汽车的生产需求，而当前中国新能源汽车的年产量为2800万至2900万辆左右。所以现在的情况是，在尚未形成具有强大竞争力的头部企业之前，行业已经步入了“纯卷”状态，即高度竞争、产能过剩的局面。这两年市场都在用“卷”这词，其实我觉得好像“卷”都不够了，其实大家“卷”的力度还得提升一点，还得往死里“卷”。所以很多人说，今年生意比去年难做，去年比前年要难等等，其实这样一个难的状况，我觉得之后2~3年一定会持续下去。

在这个产能过剩的前提之下，价格下降是必然的一个选择。我刚刚也提到了新能源汽车或者功率半导体行业也会经历光伏曾经走过的道路。按照时间点，但这一过程可能会把10年的历程压缩到5年，那就是碳化硅整个产业链所将要经历的一个过程。另一方面，据预测，当碳化硅价格在硅的2~1.5倍的时候，我们可能会见证一个巨大的市场变革。当价格持续下降的时候，我们讨论的应用市场将不再局限于光伏、充电、储能和汽车等领域，而是将扩展到全频谱的功率半导体市场。这个市场有多大呢？根据yole对全球功率半导体市场规模的预测，2024年，全球是500亿美元，那是不是有可能，3~5年之后，碳化硅的价格下降到硅的1.1~1.2倍时，整个500亿美元的市场都可以是碳化硅的？因为，在绝大部分的应用里，如果关注效率、频率、体积的话，碳化硅与硅相比优势明显，是不二之选。所以，虽然说这个行业“卷”，价格一直在下降，每年的成本压力很大，但我们应该将眼光放得更远一些，整个行业的潜力是巨大的，只要我们能够坚持下去，不断提升自身的竞争力和创新能力，就有可能在这个庞大的市场中占据一席之地。

在技术发展方面，以比导通电阻（Rsp）为例，是评估器件性能最为代表性的参数，Rsp越小器件导通损耗越小。现在国际技术上基本是4~6年迭代一次，每次迭代，Rsp会下降20~25%。而2019年以后，国外企业也加快了技术迭代的步伐。因为他如果不“卷”，不把最新的产品拿出来，很有可能在和中国企业竞争中不占任何优势。所以当成本继续下降，性能不断提升的时候，碳化硅取代硅的那一天会更早来临。

3、国内碳化硅器件技术进展及发展趋势

现阶段，国内整个碳化硅产业链的完善度与硅基器件的相比要完善很多。例如，在硅基器件产业中，我们面临着从8寸向12寸过渡的挑战，在12寸高端设备和高纯度的单晶等方面与国际先进水平存在细微差距。然而在碳化硅领域，从材料、到设备、到辅材、到耗材、到设计、代工全线国内都是通的。目前国内器件技术水平与国外相比，我个人认为已经没有差距了，但是一定要说差距的话，可能存在一个接受程度的问题。。我们买第一台设备、第一批上车、第一批器件还是倾向于先买进口的，，但第二批开始一定全转国产。我相信现在行业内的企业，不管是终端的应用市场还是fab厂，都已深刻认识到这一趋势，因此，我们更应坚定信心，共同熬过这段挑战期。

在技术迭代方面，我相信我们今天跟国际品牌相比也一点都不差。以我们清纯半导体公司的一些产品为例，我们秉着“卷”的态势，主动拥抱去“卷”，我们的路线图是一年一代，当前一代的产品还没有真正全面推向市场的时候，下一代产品就已经出来了。尽管从营销角度，可能会造成部分的困扰。但是从技术端，如果不主动通过技术降本的方式去维持自身竞争力的话，是很难走到最后的。我们的第二代产品技术水平已与国际头部企业当前市场销售的产品几乎完全打平。我们年底的第三代产品的水平，预计会超出他们明年发布的新的产品，这将是我们在技术上首次实现对国际同行的超越。

另外我们针对于主驱应用产品，就至少有24mm2、25mm2、27mm2、30mm2 4颗不同的规格产品。其实市面上主流的规格并没有那么多，但这也是我们“卷”的一种方式，我们可以根据需求不同，按需开发，提供定制化的服务。从核心参数来看，我们国产器件跟进口器件相比已经没有任何代差，而且在可靠性等一些性能上还更好。

这是去年年底，我们做的一个试探性项目，是一个单颗电阻3.5mΩ，10mm×10mm的器件，它的应用场景非常的少，但是确实有它存在的意义。通过它我们做了一个非常详细的良率分布，根据不同的材料和不同的制造工艺，我们掌握了每一个芯片尺寸的良率，来指导我们下一代产品的开发。

从性能角度，我们也跟国外的器件做了一个1:1对比，相同的封装、相同的驱动、相同的测试方式，我们的抗干扰力、防串扰能力、防震荡能力远远超出了某一些进口器件。所以说，什么时候主动拥抱国产，什么时候去敢把国产器件先用起来，这个才是我们所面临的问题，并不在于我们的技术参数角度。

从串扰角度，我们跟友商进行了对比，从-4v串扰到0.8v，我们的安全系数是非常高的，而且我们抑制性非常好。从这个角度来看，因为它的串扰电压比较高，我们允许更高的开关速度，开关损耗可以降低很多。也是相同的条件进行对比，开关损耗比友商低35%~40%左右，从技术角度能进一步提升行驶效率。

可靠性方面，近些年，即便是在工业级的应用景中，对国产品牌的要求都是车规级认证。当然如果有消费电子这个市场的话，我相信我们国产的产品还是需要通过加严的车规级标准。但这并不是个坏事，因为我们所面临的就是接下来3~5年的硬仗，只有把产品做好，才可以说服我们的客户，打开市场，与国外品牌同台竞争。当我们真正打开了市场，把成本做下来，我们谈论的就不再是所谓的60亿美元的碳化硅的市场，而是整个功率半导体市场的时候，我相信大家应该那天会笑起来的。

碳化硅半导体技术发展趋势方面，在材料端毋庸置疑是大尺寸、低缺陷、低成本的方向。我看到现在很多国内的衬底和外延，质量其实远比进口的好，产能也有保障，服务也相当不错，唯独就是价格上能够再进一步的优惠。在器件端是生长和制程工艺要不断提升，提升我们的良率水平，因为成本是一样的，良率就是省下来的毛利。而且从设计层面来看，可靠性一定是器件厂商以及客户最关注的重点，关系到一个企业的口碑。在工艺方面，能进一步提升沟道牵引率，对我们整个器件的设计以及工艺，都是一个突破性的消息，但今天基础研究的团队并不是很多，还是要加强。

碳化硅半导体产业发展是一个动态的发展，我们的产业体系已经日趋完善，当前的主要焦点已经明确转向了大批量的制造，谁可以拿到产能，谁可以用一个稳定的、高一致性、高良率的方式大批量生产，这是每一个参与者的制胜法宝。我将碳化硅半导体产业发展分为了两个阶段，第一阶段，国际芯片供应商主导供应链，国内碳化硅材料实现部分替换；第二阶段，国内市场实现全面国产替代，国际芯片与终端企业与国内企业开展全面合作。

总结

1. 碳化硅半导体产业发展迅速，国内在碳化硅材料与器件量产已经进入内卷和洗牌快车道；
2. 碳化硅功率器件在光、储、充应用的国产替代已经成功推进2-3年，规模持续扩大，部分企业已率先完成100%国产替代；
3. 国产车规级碳化硅MOSFET 技术与产能已对标国际水平，由于多种原因，碳化硅 MOSFET 在乘用车主驱应用目前仍依赖进口，但未来全面导入国产芯片是大势所趋；
4. 由于竞争激烈和应用场景复杂，车规级碳化硅MOSFET 可靠性标准逐年提高，进一步推动设计和制造技术进步；
5. 激烈的竞争促使国内碳化硅半导体产品价格快速下降、质量不断提高、产能持续扩大，主驱芯片国产替代已经起步，并将逐步上量，最终主导全球供应链；
6. 国际企业与国内企业在优势互补的基础上实现强强联合。