碳化硅到底有多火？被稱為“千億風口”的原因是啥？
文章來源：賢集網 更新時間：2023-10-24 14:45:50
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今年以來，各省、地方相繼出臺第十四個五年規劃和二O三五年遠景目標綱要等發展規劃，其中先進陶瓷被多個省份寫入發展規劃之中，其中碳化硅及相關材料受到“重點照顧”，這預示著碳化硅產業勢必將迎來新一階段快速發展時期。 碳化硅是第三代半導體材料，在禁帶寬度、擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導率以及抗輻射等關鍵參數方面具有顯著優勢，進一步滿足了現代工業對高功率、高電壓、高頻率的需求。以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件具有優越的電氣性能。 但是除了關注在半導體方向的發展應用外，碳化硅實質上是一種優良的陶瓷、耐火、磨削材料，雖然其在傳統領域的市場潛力遠遠沒有半導體領域那么大，但不可否認的是，碳化硅材料目前仍是很多傳統領域應用性能最佳的材料。 可以說，目前還沒有哪種材料像碳化硅這樣，在傳統產業領域和新興產業領域都受到如此青睞。 碳化硅應用領域 碳化硅廣泛的應用領域主要分為高溫應用領域、加熱與熱交換工業領域、腐蝕環境下的應用、磨削領域、耐磨損機械領域、有色冶金領域、光學應用領域、半導體領域等等，具體的應用形式主要包括以下幾個方面。 結構/功能陶瓷 碳化硅陶瓷是一種重要的陶瓷材料，具有優良的常溫力學性能，如高的抗彎強度、優良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦系數，它是從20世紀60年代 開始發展起來的，世界各國對其十分重視。 另外，由于碳化硅陶瓷突出的高溫強度、優良的抗高溫抗蠕變能力以及抗熱震性，使其成為火箭、飛機、汽車發動機和燃氣輪機中熱機部件的主要材料之一。 高級耐火材料 碳化硅耐火材料具有機械強度高、熱傳導率大、耐磨損性和耐熱震性好、抗渣性和抗氧化性以及部分熔融金屬抵抗性強等特征，已被廣泛地應用于鋼鐵、冶金、石油、化學、硅酸鹽和航空航天等工業領域，并日益展示出其它耐火材料無法比擬的優點。 如在剛剛結束的第十四屆珠海航展上，就有第三代碳化硅纖維材料展出，并大放異彩。據長沙高新區官網顯示，本次珠海航展上展出的碳化硅纖維材料主要應用于航空發動機熱端部件以及導 彈熱結構部件等。 在高檔日用陶瓷、衛生瓷、高壓電瓷、玻璃等產業中的輥道窯、隧道窯、梭式窯中，通常選用碳化硅陶瓷作為高溫窯具材料，如碳化硅橫梁適用于工業窯爐中的承重結構架，它高溫力學性能優異，抗高溫蠕變性好，長期使用不彎曲變形。 磨料 碳化硅硬度僅次于金剛石和六方氮化硼，是一種常用的磨料。由于其超硬的性能，可制備成各種磨削用的砂輪、砂布、砂紙以及各類磨料，廣泛應用于機械加工行業。 第三代半導體材料 第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場、熱導率、電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大于2.2eV），亦稱為高溫半導體材料。 從目前第三代半導體材料和器件的研究來看，較為成熟的是碳化硅和氮化鎵半導體材料，且碳化硅技術最為成熟，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。碳化硅正是目前新材料產業中最火的材料。 經預測，碳化硅半導體市場在 2025年將達到 25 億美元（約合人民幣 164.38 億元）的市場規模。其中新能源汽車行業將是碳化硅市場最大的驅動力，到 2025 年，新能源汽車與充電樁領域的碳化硅市場將達到 17.78 億美元（約合人民幣 116.81 億元），約占碳化硅半導體市場規模的七成。 可以說，碳化硅已經成為半導體這個千億市場的風口！ 新能源汽車推動碳化硅市場爆發 隨著新能源汽車的發展，對功率半導體器件的需求日益增長。數據顯示，傳統燃料汽車中，半導體器件的平均價值為355美元，而新能源汽車中，半導體器件的價值為695美元，幾乎翻了一番，其中，功率器件的增長最為顯著，從17美元增加到265美元，增長幅度近15倍。 目前市場上，用于新能源汽車的大多數功率半導體都是硅基器件，例如硅基IGBT和硅基MOSFET。2019年，以碳化硅為代表的第三代半導體電力電子設備應用在電動汽車領域取得了快速進展。全球有20多家汽車制造商在其車載充電器中使用碳化硅器件。特斯拉Model 3逆變器使用ST Microelectronics的全碳化硅功率模塊。 碳化硅在光伏產業的應用 在太陽能應用中，基于硅器件的傳統逆變器的成本約占系統的10%，但卻是導致系統能量損耗的主要原因之一。將碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結合的功率模塊的光伏逆變器可將轉換效率從96%提高到99%以上，能源消耗降幅50%以上，并且設備使用壽命能夠提升50%，達到減少系統體積、增加功率密度、延長設備壽命和降低制造成本的效果。 高效率、高功率密度，高可靠性和低成本是太陽能逆變器的未來發展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產品有望逐步取代硅基器件。 碳化硅“絕配”800V 充電10分鐘，續航300公里。近日，小鵬汽車推出其走量車型G6，該車型搭載800V高壓平臺，充電1分鐘可增加5%的續航。 不只是小鵬汽車。當下，高壓快充成為越來越多國內外主流車企深度布局電動化的路線選擇，推動車規級碳化硅站上“新風口”。業內專家表示，碳化硅是800V電壓平臺下功率器件的首要選擇。800V高壓碳化硅平臺既可以提高電池充電速度，又能夠提高整車運行效率，在同等電池容量情況下延長續航里程，成為緩解電動汽車“里程焦慮”的一劑良藥。 續航低、充電慢一直以來都是困擾新能源汽車車主和車企的兩大難題。要解決這些問題，一方面需要提高電池續航里程，另一方面則是要加快充電速度。800V高壓碳化硅平臺的誕生，就是為了實現快充。 小鵬汽車800V高壓SiC碳化硅平臺 “整車選擇高壓架構是實現超級快充的必經之路，800V左右的高壓在當前可支撐實現2C快充。”華為數字能源技術有限公司智能電動領域副總裁彭鵬表示，對于一輛搭載100kW電量的電動汽車而言，在當前400V電壓平臺、250A電流下，需要30分鐘才能充電30%至80%，而如果電壓提升到800V，15分鐘能實現電池充滿，達到4C的效率，基本滿足現階段消費者的快充需求。 要構建800V高壓平臺，碳化硅功率器件是關鍵。一位業內人士告訴《中國電子報》記者，碳化硅取代硅基IGBT是不可逆的趨勢，尤其是在800V充電架構之下，硅基IGBT已接近性能極限，很難滿足主驅逆變器的技術需求。 劉朝輝介紹，碳化硅材料性能優越，耐高溫、高壓、高頻，是800V電壓平臺下功率器件的首要選擇。采用SiC MOSFET可以減小開關損耗、提高工作頻率，增加系統功率密度，超越采用IGBT器件系統的性能。 小鵬汽車功率系統負責人表示：“采用碳化硅的高壓電機控制器，CLTC（中國輕型汽車行駛工況續航）工況能量轉換效率可提高3%~4%，實現整車續航里程的提升。” 盡管碳化硅成本過高問題一直飽受詬病，但多位業內專家指出，整車廠一般不會單一考慮單個功率器件成本變化，而是更加關注整車成本變化。碳化硅方案能夠提升整車系統效率，并未提高整車成本。 目前，碳化硅市場還面臨一些挑戰，如成本較高、工藝不夠成熟、產品質量不穩定等。為了解決這些問題，行業內的企業正在加強技術研發，推進產業鏈協同創新，加快市場應用推廣。同時，政 府也出臺了一系列政策，支持碳化硅產業的發展。 總的來說，隨著應用需求的不斷增長和工藝技術的逐步成熟，碳化硅將成為半導體產業的新風口。在未來的發展中，碳化硅行業需要加強技術研發、產業協同和創新應用，進一步提高產品質量和降低成本，為推動新能源汽車、智能電網、5G通信等領域的發展做出更大的貢獻。同時，政 府和企業應該加強對碳化硅產業的支持和投入，共同推動碳化硅產業的快速發展和壯大。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_533966.html 來源：賢集網 著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。 |
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