SiC模块封装探讨及市场预测（下）

碳化硅（SiC）器件

SiC器件即可作为独立器件提供也可在需要大功率电平时置于功率模块中。目前的市场主流产品为独立的功率器件，不过模块的市场份额正在迅速增长。

▼国联万众二极管各种封装外观

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SiC二极管和晶体管的各种可用独立封装。国联万众在不断迅速增加封装类型，为功率电路设计师提供他们所需的能满足系统约束的各种选择。

所有这些封装都是行业标准封装，与硅器件配合使用且应用广泛。虽然封装的形状系数保持不变，但是内部可以添加许多增强功能，以更好地利用SiC器件的能力。

▌碳化硅的最佳应用场景——电动车

碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之间，工作频率在10KHz-100MHz之间的场景，特别适用于对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用，如电动汽车充电机、充电桩、光伏逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域，可逐渐取代硅基MOSFET和IGBT。

▼碳化硅在电动汽车中的应用

• Model3率先采用SiCMOSFET，开启了电动汽车使用SiC先河

特斯拉逆变器模组上率先采用了24颗碳化硅SiCMOSFET，该产品由意法半导体提供，随后英飞凌也成为了特斯拉的SiC功率半导体供应商。

整个功率模块单元由单管模块组成，采用标准6-switches逆变器拓扑，每个switch由4颗单管模块组成，共24颗单管模块，器件耐压为650V。

Model3的SiC单管模块设计与ModelS/X采用InfineonIGBT单管思路一致，好处是实现不同功率等级的可扩展，同时还能提升模块封装良率，降低半导体器件成本。

• 比亚迪汉采用SiCMOSFET提升加速性能、功率及续航能力

2020年，比亚迪汉EV车型电机控制器首次使用了比亚迪自主研发并制造的SiCMOSFET控制模块，大大提高了电机性能。

碳化硅加速性能好。宽禁带最直接的好处，有更高的击穿场强，也就是耐高压，即是可以控制更高的系统电压。

比亚迪汉能够使用650V电压平台，也有碳化硅的功劳。高电压意味着低电流，能减少设备电阻的损耗。

对电机设计来说，也更容易在小体积下实现更高功率，也因此，比亚迪汉可以轻松实现3.9S的0–100加速性能。

碳化硅可实现大概率及高续航。除了宽禁带带来的优势外，碳化硅还有两大优势，一个是饱和电子速度更高，一个是导热率更高、耐温性能更高。

饱和电子速度快，也就是可以通过更大的电流。碳化硅材料的电子饱和速度是硅材料的两倍，因此在设备设计时，匹配的电流强度更容易远离设备的饱和电流，也就能实现在导通状态下更低的电阻。

这能减少电能的损耗，也有助于降低设备发热，简化散热设计。特别是在瞬时大电流情况下，设备温度积累减少，再加上耐温性增加与材料本身更强的导热率，也让设备散热更容易。车辆也就能爆发出更大的功率。

这是比亚迪汉能实现363Kw功率的原因。使用磷酸铁锂的情况下能达到605公里的续航里程，显然也有碳化硅的功劳。

▼比亚迪汉采用SiCMOSFET模块

• 丰田燃料电池车Mirai车型采用碳化硅模块

电装已经开始批量生产搭载了SiC（碳化硅）功率半导体的新一代升压功率模块，该模块将应用于丰田燃料电池车Mirai车型。

电装与丰田的SiC功率模块的应用历经HEV、燃料电池巴士和燃料电池乘用车。

新Mirai的新一代固态燃料电池核心组件ToyotaFCStack搭配了使用多个SiC功率半导体的FC升压变换器。升压变换器作用是输出高于输入电压的电压。

电装应用于燃料电池：Mira车型的SiC逆变器模块

功率模块体积缩小了30%，损耗降低了70%。根据电装的测算，与采用Si基功率半导体的产品相比，搭载了SiC功率半导体（含二极管和晶体管）的新型升压功率模块体积缩小了约30%，损耗降低了约70%，在实现功率模块小型化的同时提升了车辆的燃油效率。

搭载SiC模块的新Mirai续航里程提升30%。丰田表示，通过在FC升压变压器中使用SiC半导体，采用锂离子低压蓄电池等方式，降低系统能耗损失。

同时，在提升FC电堆性能的基础上，通过采用触媒活性再生控制技术，提升发电效率。从而丰田实现了新MiraiWLTC工况最高续航里程约850km，较上一代车型提升约30%。

碳化硅功率器件市场预测

▌预测2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元

2018年碳化硅功率器件市场规模约3.9亿美元，受新能源汽车庞大需求的驱动以及电力设备等领域的带动，IHS预测到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元。

2021年起，受益电动汽车拉动，SiCMOSFET将保持较快的速度增长，成为最畅销的分立SiC功率器件。

▌预测2025年光伏发电逆变器SiC渗透率50%

在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。

使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。

在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。

▌预测2030年轨道交通SiC渗透率30%

城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。

其中牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求提升系统的体效能。

2012年包含碳化硅SBD的混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线37列车辆中商业化应用，实现了列车牵引系统节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅下降和冷却单元的小型化。

2014年日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机3300V/1500A全碳化硅功率模块逆变器，开关损耗降低55%、体积和重量减少65%，电能损耗降低20%~36%。

2018年碳化硅器件在轨道交通总占比约为2%，CASA预测，2030年轨道交通碳化硅器件占比将达到30%。

本文内容由第三代半导体联合创新孵化中心（ID：casazlkj )根据IGBT应用之家、国金证券、国泰君安证券等资料整理，转载请注明出处。