碳化硅到底有多火？被称为“千亿风口”的原因是啥？
文章来源：贤集网 更新时间：2023-10-24 14:45:50
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今年以来，各省、地方相继出台第十四个五年规划和二O三五年远景目标纲要等发展规划，其中先进陶瓷被多个省份写入发展规划之中，其中碳化硅及相关材料受到“重点照顾”，这预示着碳化硅产业势必将迎来新一阶段快速发展时期。 碳化硅是第三代半导体材料，在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势，进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件具有优越的电气性能。 但是除了关注在半导体方向的发展应用外，碳化硅实质上是一种优良的陶瓷、耐火、磨削材料，虽然其在传统领域的市场潜力远远没有半导体领域那么大，但不可否认的是，碳化硅材料目前仍是很多传统领域应用性能最佳的材料。 可以说，目前还没有哪种材料像碳化硅这样，在传统产业领域和新兴产业领域都受到如此青睐。 碳化硅应用领域 碳化硅广泛的应用领域主要分为高温应用领域、加热与热交换工业领域、腐蚀环境下的应用、磨削领域、耐磨损机械领域、有色冶金领域、光学应用领域、半导体领域等等，具体的应用形式主要包括以下几个方面。 结构/功能陶瓷 碳化硅陶瓷是一种重要的陶瓷材料，具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，它是从20世纪60年代 开始发展起来的，世界各国对其十分重视。 另外，由于碳化硅陶瓷突出的高温强度、优良的抗高温抗蠕变能力以及抗热震性，使其成为火箭、飞机、汽车发动机和燃气轮机中热机部件的主要材料之一。 高级耐火材料 碳化硅耐火材料具有机械强度高、热传导率大、耐磨损性和耐热震性好、抗渣性和抗氧化性以及部分熔融金属抵抗性强等特征，已被广泛地应用于钢铁、冶金、石油、化学、硅酸盐和航空航天等工业领域，并日益展示出其它耐火材料无法比拟的优点。 如在刚刚结束的第十四届珠海航展上，就有第三代碳化硅纤维材料展出，并大放异彩。据长沙高新区官网显示，本次珠海航展上展出的碳化硅纤维材料主要应用于航空发动机热端部件以及导 弹热结构部件等。 在高档日用陶瓷、卫生瓷、高压电瓷、玻璃等产业中的辊道窑、隧道窑、梭式窑中，通常选用碳化硅陶瓷作为高温窑具材料，如碳化硅横梁适用于工业窑炉中的承重结构架，它高温力学性能优异，抗高温蠕变性好，长期使用不弯曲变形。 磨料 碳化硅硬度仅次于金刚石和六方氮化硼，是一种常用的磨料。由于其超硬的性能，可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料，广泛应用于机械加工行业。 第三代半导体材料 第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度，更高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2eV），亦称为高温半导体材料。 从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是碳化硅和氮化镓半导体材料，且碳化硅技术最为成熟，而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。碳化硅正是目前新材料产业中最火的材料。 经预测，碳化硅半导体市场在 2025年将达到 25 亿美元（约合人民币 164.38 亿元）的市场规模。其中新能源汽车行业将是碳化硅市场最大的驱动力，到 2025 年，新能源汽车与充电桩领域的碳化硅市场将达到 17.78 亿美元（约合人民币 116.81 亿元），约占碳化硅半导体市场规模的七成。 可以说，碳化硅已经成为半导体这个千亿市场的风口！ 新能源汽车推动碳化硅市场爆发 随着新能源汽车的发展，对功率半导体器件的需求日益增长。数据显示，传统燃料汽车中，半导体器件的平均价值为355美元，而新能源汽车中，半导体器件的价值为695美元，几乎翻了一番，其中，功率器件的增长最为显著，从17美元增加到265美元，增长幅度近15倍。 目前市场上，用于新能源汽车的大多数功率半导体都是硅基器件，例如硅基IGBT和硅基MOSFET。2019年，以碳化硅为代表的第三代半导体电力电子设备应用在电动汽车领域取得了快速进展。全球有20多家汽车制造商在其车载充电器中使用碳化硅器件。特斯拉Model 3逆变器使用ST Microelectronics的全碳化硅功率模块。 碳化硅在光伏产业的应用 在太阳能应用中，基于硅器件的传统逆变器的成本约占系统的10%，但却是导致系统能量损耗的主要原因之一。将碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器可将转换效率从96%提高到99%以上，能源消耗降幅50%以上，并且设备使用寿命能够提升50%，达到减少系统体积、增加功率密度、延长设备寿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阳能逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品有望逐步取代硅基器件。 碳化硅“绝配”800V 充电10分钟，续航300公里。近日，小鹏汽车推出其走量车型G6，该车型搭载800V高压平台，充电1分钟可增加5%的续航。 不只是小鹏汽车。当下，高压快充成为越来越多国内外主流车企深度布局电动化的路线选择，推动车规级碳化硅站上“新风口”。业内专家表示，碳化硅是800V电压平台下功率器件的首要选择。800V高压碳化硅平台既可以提高电池充电速度，又能够提高整车运行效率，在同等电池容量情况下延长续航里程，成为缓解电动汽车“里程焦虑”的一剂良药。 续航低、充电慢一直以来都是困扰新能源汽车车主和车企的两大难题。要解决这些问题，一方面需要提高电池续航里程，另一方面则是要加快充电速度。800V高压碳化硅平台的诞生，就是为了实现快充。 小鹏汽车800V高压SiC碳化硅平台 “整车选择高压架构是实现超级快充的必经之路，800V左右的高压在当前可支撑实现2C快充。”华为数字能源技术有限公司智能电动领域副总裁彭鹏表示，对于一辆搭载100kW电量的电动汽车而言，在当前400V电压平台、250A电流下，需要30分钟才能充电30%至80%，而如果电压提升到800V，15分钟能实现电池充满，达到4C的效率，基本满足现阶段消费者的快充需求。 要构建800V高压平台，碳化硅功率器件是关键。一位业内人士告诉《中国电子报》记者，碳化硅取代硅基IGBT是不可逆的趋势，尤其是在800V充电架构之下，硅基IGBT已接近性能极限，很难满足主驱逆变器的技术需求。 刘朝辉介绍，碳化硅材料性能优越，耐高温、高压、高频，是800V电压平台下功率器件的首要选择。采用SiC MOSFET可以减小开关损耗、提高工作频率，增加系统功率密度，超越采用IGBT器件系统的性能。 小鹏汽车功率系统负责人表示：“采用碳化硅的高压电机控制器，CLTC（中国轻型汽车行驶工况续航）工况能量转换效率可提高3%~4%，实现整车续航里程的提升。” 尽管碳化硅成本过高问题一直饱受诟病，但多位业内专家指出，整车厂一般不会单一考虑单个功率器件成本变化，而是更加关注整车成本变化。碳化硅方案能够提升整车系统效率，并未提高整车成本。 目前，碳化硅市场还面临一些挑战，如成本较高、工艺不够成熟、产品质量不稳定等。为了解决这些问题，行业内的企业正在加强技术研发，推进产业链协同创新，加快市场应用推广。同时，政 府也出台了一系列政策，支持碳化硅产业的发展。 总的来说，随着应用需求的不断增长和工艺技术的逐步成熟，碳化硅将成为半导体产业的新风口。在未来的发展中，碳化硅行业需要加强技术研发、产业协同和创新应用，进一步提高产品质量和降低成本，为推动新能源汽车、智能电网、5G通信等领域的发展做出更大的贡献。同时，政 府和企业应该加强对碳化硅产业的支持和投入，共同推动碳化硅产业的快速发展和壮大。 原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_533966.html 来源：贤集网 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。 |
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