作为第三代半导体材料的典型代表，碳化硅（SiC）被认为是功率半导体行业进步的主要方向。在近几年国内厂商不断沉淀技术与升级产品的背景下，国产碳化硅 MOSFET在2024年开始放量。
碳化硅 MOSFET相比IGBT有哪些性能优越性？系统成本是否实现追平？国内碳化硅产业还面临哪些挑战？近日，第一财经专访瑶芯微董事长郭亮良，就上述话题进行交流。
性能优越，百亿美元市场可期
“与IGBT相比，碳化硅器件在高压、高频、高温环境下有更好的表现，可以带来更高的电能转换效率及更低的能量损耗，最近几年在汽车以及新能源领域渗透率提升非常快。”郭亮良告诉第一财经。
碳化硅器件的性能优越性主要缘于衬底材料差异。相比于硅，碳化硅具有十倍的击穿电场强度、三倍的禁带、两倍的极限工作温度和超过两倍的饱和电子漂移速率。同时，碳化硅还具有三倍的热导率，这意味着三倍于硅的冷却能力。
高饱和漂移速度带来更低的电阻和更小的能量损耗，还能够达到缩小体积的效果。据悉，相同规格的碳化硅MOSFET和硅基MOSFET，前者的导通电阻降低为后者的1/200，尺寸减小为1/10；使用相同规格的碳化硅MOSFET和硅基IGBT的逆变器，前者总能量损失小于后者的1/4。以罗姆公司设计的碳化硅逆变器为例，使用全碳化硅模组后，主逆变器尺寸降低43%，重量降低6kg。
“目前碳化硅在新能源汽车、充电桩、高效率电源等领域都在快速适用，预计2028年后市场规模将与IGBT持平，约700亿元人民币，是功率半导体未来最大的一块增量。”郭亮良表示。
据Yole的Power SiC 2023报告数据，碳化硅功率半导体市场从2021年11亿美元增长到2022年18亿美元，年均增长率为62%。随着汽车电子（Automotive）和工业电子（Industrial）的推动，碳化硅功率半导体市场还将强劲增长，预计未来几年将接近100亿美元。

碳化硅 MOSFET系统成本追平IGBT
“过去产业上对碳化硅的采用有一些担忧，主要是两方面，一方面是价格太贵，另外一方面是几乎由海外芯片厂商为主导，产能和供货稳定性是个挑战。”郭亮良对第一财经表示。
第一财经了解到，过去两三年，业内预计碳化硅MOSFET批量化价格是硅基IGBT的3-5倍，目前来看已有所下降。
“碳化硅MOSFET是不可能比IGBT更便宜的，因为原材料、工艺都不一样。我们目前看价格预计在IGBT的2-3倍，极限测算在1.5倍左右。”郭亮良坦言，“但更重要的是，碳化硅MOSFET能够实现IGBT所不能实现的功能，使得系统成本更低。”
郭亮良解释称，碳化硅MOSFET拉了高频后，首先原来的电容、电感、磁性元件可以全部变小，这块能够降本；其次，拓扑也在变化，原来可能需要两颗SJMOS，现在只需要一颗碳化硅MOSFET，系统成本更便宜。“目前在光伏、高效率电源、充电桩领域，其实碳化硅的方案成本已经比硅基更便宜了。”
“瑶芯微目前主要在解决成本和供货稳定性的问题，一方面采用了国产供应链，另外一方面技术迭代迅速并基本追平了海外的技术能力，所以在降本和供货稳定性上有了很大的保障，目前很多客户开始积极采用我们的芯片也是基于这个原因。”郭亮良介绍称。
据悉，瑶芯微功率产品收入占比超过80%，其中碳化硅MOSFET作为其核心产品，已迭代至第五代，目前最新一代碳化硅MOS核心性能指标RSP值为2.5，可对标全球一线厂商。
“目前公司的碳化硅MOS已在车载、光伏、充电桩、工业电源等多家龙头客户实现了大批量出货，是国内少有的能够打通碳化硅纯本土供应链资源的企业。2020年我们就开始在国内率先布局碳化硅纯本土供应链，从碳化硅衬底、外延到晶圆制造，都采用了国内顶尖的供应链。”郭亮良表示。
分应用领域来看，瑶芯微下游覆盖汽车、新能源、工业以及消费电子，汽车应用占30%左右，新能源和工业加起来约占40%，消费电子约占30%。目前该公司产品已经在新能源汽车龙头企业实现大批量交付，上车超过150万辆，供应全球车型，在车载功率芯片领域代表国内顶尖水平。
AI服务器贡献MOSFET新应用
在应用上，目前碳化硅 MOSFET在新能源汽车领域渗透率快速提高，未来AI服务器也将成为其新应用领域。
“传统的应用大部分用不上宽禁带半导体（可理解为第三代半导体）。宽禁带主要用于两方面，一是高效率领域，二是高功率密度领域。”郭亮良表示。
在高效率方面，郭亮良举例称，如果功率高达30kW、40kW，那么效率上两个百分点的差距在成本上都有非常大的体现。部分大功率充电桩要实现快速充电，功率就要拉上去，效率也就要提升。
新能源车企中，特斯拉率先在Model3中集成全碳化硅模块，是碳化硅上车“第一个吃螃蟹的人”。2018年，特斯拉在Model3上首次采用意法半导体的650V 碳化硅 MOSFET逆变器，相较Model X等采用IGBT的车型实现了5%~8%的效率提升，并在此后的几款车型中均采用碳化硅技术。随后海外车企丰田、本田、福特、大众等，国内比亚迪、蔚来等陆续宣布将采用碳化硅方案。

与硅基IGBT相比，碳化硅 MOSFET具有高耐压、低导通损耗、低开关损耗等优点，应用于800V高压平台新能源车可大幅提升电驱效率并降低整车能耗。目前国内外主流车企均已布局800V高压平台架构。随着800V高压平台的普及，以及碳化硅产品性价比与可靠性提升，华金证券预计碳化硅在新能源车上的应用有望于2025年进入快速增长。
在高密度方面，AI技术的快速发展对电源功率密度提出了更高的要求，郭亮良表示，相比800W的常规服务器，AI服务器的功率要达到4500W、5000W，也需要高效率的碳化硅MOSFET。同时AI服务器的大小仍被机柜空间限制，因此功率提升需要高功率密度半导体芯片通过拉高频来实现，而高频靠硅基无法实现，只有通过碳化硅才能实现。
此外，业内也有观点认为，电网领域碳化硅 MOSFET需求将超过新能源汽车，未来电网需求也会来带新一波应用浪潮。
(本文来自第一财经)