碳化硅急需开辟电动汽车之外的第二条战线

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电能与智能是现代社会发展的两大主题，电能如同工业文明的血液系统，提供物理世界运行的能量基础，智能恰似数字文明的神经网络，构建数字空间的决策中枢。作为电能转换的智能开关，功率半导体在构建现代社会能源体系中发挥着关键性的枢纽作用，通过对电压、电流和频率的精准调控，功率半导体可以有效地提升电能转换效率。经过七十年的发展，功率半导体经历了两次大的技术升级，第一次是以硅基IGBT 和CoolMOS为代表的第二代功率器件替代以可控硅晶闸管和MOSFET为代表的第一代功率器件，由于同属硅基材料体系，第二代功率器件兼具成本更低、能效更高的双重优势，这一次替代非常顺利。目前，业界正在经历从第二代功率器件向以氮化镓和碳化硅为代表的第三代功率器件转换的关键阶段。拿氮化镓最大的应用市场手机快充和碳化硅最大的应用领域电动汽车为例，目前，氮化镓短短几年时间已经拿下了手机快充60% 的市场份额，而碳化硅在电动汽车领域的渗透率不足30%。和一些人预期碳化硅将在电动汽车上一路高歌猛进、摧枯拉朽似地替代IGBT 的剧本不一样，碳化硅全面上车的步伐显得踉踉跄跄。这时候，一个值得思考的问题是，碳化硅真的具备美好的前景吗？碳化硅的上车速度为何不如预期呢？

1   优异特性引发上车狂潮

和硅基IGBT 相比，碳化硅MOSFET 在耐高温、耐高压和高频特性上确实具备得天独厚的优势。器件的优势来自于材料的优势，和硅基材料相比，碳化硅材料的核心优势在于其禁带宽度更高，硅基材料的禁带宽度为1.1 eV左右，相较之下，碳化硅材料的禁带宽度为3.4 eV 左右，此外，碳化硅还具备更高的临界场强和更高的热导率。

更高的临界场强意味着相同功率等级的器件可以使用更薄的漂移层，意味着尺寸的降低和导通损耗的下降，尺寸降低可以提升系统功率密度，损耗下降可以提升系统效率。更高的热导率使其可以承受更高的工作温度，进而降低散热要求，简化冷却系统的设计，进而提升系统功率密度。

因为充电时间、补能效率、里程焦虑等一系列原因，电动汽车对能耗水平和电能转换效率的要求极为严苛。出于最大化乘员空间的追求，电动汽车对各个系统零部件功率密度的要求同样极为苛刻。于是，在不考虑成本的情况下，可以同时提升能量转换效率和功率密度的碳化硅器件就成了车企眼中的香饽饽。

回溯碳化硅在电动汽车中的量产应用，最早可以追溯至特斯拉于2018 年开启量产交付的Model 3 上，这款智能电动汽车领域的“iPhone 4”变革性地率先搭载了诸多先进科技，比如域集中电子电气架构、以太网骨干网络、八通阀热管理、自动驾驶、影子模式、整车OTA，再比如，在主电驱逆变器中率先搭载碳化硅。

在特斯拉的示范效应下，各路车企纷纷加快了碳化硅器件上车的步伐，也使得电动汽车成了碳化硅最大的目标应用市场。根据行业数据，2023 年，电动汽车在碳化硅目标应用市场的营收占比约为65%，预计到2028年这一比例将进一步提升至86%。至于碳化硅在电动汽车中渗透率，根据最新数字显示，2024 年上半年，本土电动汽车碳化硅功率模块装机量达到73.5 万套，占总功率模块的比例超过了10%。也就是说，从2018 到2024，尽管碳化硅有那么明显的优点，碳化硅在电动汽车中的渗透率还是没有迈过新技术采纳曲线中“跨越鸿沟”的临界点-16%。

发展了这么多年，为何性能如此优越的碳化硅渗透率数字不算好看？主要原因是那三个字：“得加钱！”本土产业链因为技术储备、资金规模的问题，是从技术门槛较低的4 英寸衬底、外延进入这个赛道的，和单片可以产出更多器件的8 英寸晶圆相比，4 英寸晶圆根本没有任何成本竞争力。虽然国产厂商两三年前开始集体向6 英寸切换，但一来，碳化硅产线的投产需要2 到3年时间（硅基产线投产只需一年左右），二来，6 英寸晶圆和正在向12 寸晶圆切换的IGBT 相比同样缺乏成本竞争力。国际友商以6 英寸为主，正向8 英寸切换，但由于碳化硅衬底良率不足、产业链不成熟等原因，其碳化硅晶圆相较于IGBT 12 寸晶圆同样缺乏成本竞争力。

展望未来两年，全球智能电动汽车最大的市场中国汽车市场即将面临残酷的淘汰赛，均价的下行会拉低成本敏感型车型对高价位碳化硅的需求，此外，越来越多的车企推出了碳化硅-IGBT 并联方案，相较于全碳化硅方案，碳化硅用量大幅度缩减，内外夹击之下，碳化硅未来两年的渗透率增长实在不容乐观。

2   并联方案降低SiC需求

在日益激烈的市场环境下，在如火如荼的价格战下，大家可以容忍碳化硅的价格比硅基IGBT 适当高出一些，但是不会容忍太多。碳化硅的成本虽然每年都在下降，但是，成本相对是高是低，需要和竞争对手对比。碳化硅MOSFET 的竞争对手是硅基IGBT，“硅基”二字表明，IGBT 可以站在巨人的肩膀上，受益于发展了半个多世纪的硅基生态的系统性护航。与之相比，碳化硅产业链仍不成熟，导致了相对较高的晶圆缺陷率和切割研磨损耗率，再加上受累于材料特性，碳化硅晶体的生长速度极为缓慢，导致碳化硅成本居高不下。

车企的耐心是有限的。在2023 年的投资者日上，成本控制小能手马斯克宣布在下一代电驱中将性能强但成本高的碳化硅器件使用量降低75%，话音刚落，以碳化硅器件主营业务的WolfSpeed 股价应声下落，在很短的时间内股价跌了70%。同样是在特斯拉的带动下，饱受价格战之苦的本土车企迅速开发出了硅基IGBT 和碳化硅MOSFET 并联方案，根据吉利旗下威睿电机的实践，在相同的电流下，IGBT 和碳化硅的用量以2:1 计算，逆变器的成本相较于全碳化硅方案可以降低为原来的3/5。

除了特斯拉和吉利，急需凭借性价比优势打开局面的小鹏汽车也在其最新爆款P7+ 上面使用了混合碳化硅电驱，和全碳化硅方案相比，碳化硅芯片的使用量下降了60%。

即便碳化硅的芯片用量下降幅度如此之大，P7+ 依然实现了当时行业第一的CLTC 效率-93.5%。这种并联方案结合碳化硅和硅基IGBT 各自的优势，以大幅度降低碳化硅用量、小幅度损失系统效率的方式，达到了高效和成本的平衡。根据英飞凌的测试，其HybridPACKDrive G2 Fusion 采用了30% 左右的碳化硅和70% 左右的IGBT，相较于全硅方案实现了2.9%，的WLTP 工况效率提升，相较于全碳化硅方案的3.5%，工况效率仅仅损失了0.6%。

从成本效益的角度，这种混合方案或并联方案可以大幅度减少价格昂贵的碳化硅的用量，必将被诸多车企纷纷效仿。

3   写在最后

作为碳化硅营收占比超过2/3 的目标应用市场，碳化硅/IGBT 混合方案或并联方案的横空出世将碳化硅用量需求大幅度削减为原来的1/3 左右，电动汽车对碳化硅的需求前景突然蒙上了一层厚厚的阴影。供需关系大逆转，前几年大干快上的碳化硅产线可能会进入产能过剩的阶段，在这种情况下，碳化硅急需开辟电动汽车之外的第二条战线！