碳化硅技术是新能源电驱系统发展的核心驱动力之一，未来 5 年车用碳化硅功率模块的年复合增长率将达到 38.3%，市场规模将达到 44.13 亿美元。作为电驱系统功率模块的核心器件，碳化硅功率芯片仍然处于被国外芯片企业垄断的状态，成为限制我国新能源汽车快速发展的关键瓶颈。
红旗自研750V 碳化硅功率芯片
红旗功率电子开发部依托丰富的电驱系统开发应用经验，主导 750V 碳化硅功率芯片产品技术需求定义，联合中电科 55 所，从结构设计、工艺技术、材料应用维度开展技术攻关，芯片比导通电阻达到 2.15mΩ・cm²，最高工作结温 175℃，达到国际先进水平。
采用有限元仿真和工艺实验相结合的方法，完成平面栅碳化硅芯片的元胞建模及结构优化设计。开展 JFET 区结构参数优化，使芯片在导通和阻断性能之间取得最佳平衡；对终端结构进行设计优化，提高终端保护效率，提升器件耐压能力。
建立稳定的碳化硅芯片薄片工艺，通过衬底减薄和激光退火的方法有效降低衬底电阻；采用栅介质氧化及氧化后的氮化处理方法，降低界面态密度，完成一氧化氮退火工艺参数优化及可靠性验证，提高了沟道迁移率和阈值电压稳定性。
采用国产低缺陷衬底材料与高均匀性外延材料，进一步降低碳化硅功率芯片失效概率，提高芯片可靠性；应用可支持银烧结工艺的表面金属层材料，大大提升了芯片散热效果，可支持高温下的稳定安全工作。
“上车、逐光”双通道加速跑
为何集体看上了碳化硅？有业内人士称，在新能源汽车、光伏、电力电子等市场需求带动下，全球碳化硅市场规模正在快速成长，投资产业链公司正当时。
“我们看到越来越多的车企开始使用碳化硅MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）模块方案，需求增速非常快。”谈起碳化硅“上车”，斯达半导董事长沈华告诉记者，在特斯拉之后，比亚迪和现代汽车都在部分车型上搭载了高性能碳化硅模块，蔚来、小鹏等也计划采用。
业内普遍认为，碳化硅功率器件在新能源汽车领域具有显著的性能等优势。“比如在主逆变器里，用碳化硅MOSFET可提高约5%的系统效率。”沈华介绍，由此，整车厂有两个选择：一是采用相同电池容量，续航里程可提升5%；二是设计相同的续航里程，但电池容量可减少5%。
新洁能董秘肖东戈表示，鉴于碳化硅功率器件可明显提升新能源汽车的功率密度、能效和续航里程，多家新能源主机厂新车型在转向800V系统，需要采用1200V功率器件，碳化硅功率器件在这个电压段优势明显。后续，随着成本进一步下降，碳化硅器件会成为新能源车的主流配置。
“不同于过去简单对比价格，客户更多开始考虑系统成本。”闻泰科技企划部部长邓安明说，当前碳化硅功率器件的价格确实依然高于硅器件，但碳化硅器件的更高效率等优势，可能使整个系统的价格低于硅解决方案。
光伏则是碳化硅的另一个“主战场”。肖东戈介绍，2021年，光伏市场应用约占全球碳化硅功率器件市场的25%。
“光伏行业迈入后1500V以及20A大电流时代，要建成更大组串进一步降成本，就需要降低组件工作电压和提高电站的电压等级，碳化硅的性能优势凸显。”安芯投资总裁王永刚援引Wolfspeed数据介绍，采用碳化硅后，光伏逆变器系统转化效率可以从96%提升到99%以上，能量损耗降低30%以上，功率密度增加50%，显著提高循环设备的使用寿命，降低系统体积，节约系统成本10%。
多家机构看好碳化硅市场的高成长性。Yole预测，2021年全球碳化硅功率器件的市场规模约10亿美元，预计到2025年将超过37亿美元，年复合增长率超过34%。
产业链上下游不断协同
我国汽车功率半导体发展起步较晚，产业链尚不健全，上游的衬底、外延、晶圆、封装、测试，中游的电机、电控，下游的整车，以及关键材料、装备、软件、工艺等产业基础还没有形成协同创新、协同发展的局面。
为抓住机遇，共促汽车功率半导体发展，形成竞争优势，在工信部装备一司、电子司的指导下，在产业链主要企业的支持下，汽车功率半导体分会在汽车芯片创新联盟组织下正式设立，以促进功率半导体行业发展为总体目标，围绕产业链构建创新链促进产业协同合作，加快关键技术的快速突破，构建有竞争力的车规级功率半导体产业链。
“值得一提的是，近年来，以碳化硅、氮化镓等材料为代表的化合物半导体因其宽禁带、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等优异的性能而饱受关注。”张真榕还向记者表示，碳化硅功率器件受下游新能源汽车等行业需求拉动，市场规模增长快速。
根据IHS数据，受新能源汽车行业庞大的需求驱动，以及光伏风电和充电桩等领域对于效率和功耗要求提升的影响，预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元，2018-2027年的复合增速接近40%。
博世中国执行副总裁徐大全表示，碳化硅芯片在未来2至3年都呈现供不应求的态势，博世持续在中国寻找合作伙伴来布局新产能。
“碳化硅处于汽车应用的起步阶段，需不断提升碳化硅功率器件的生产制造良品率，满足车规级量产质量要求。”一汽研发总院功率电子开发部部长赵永强则表示，碳化硅应用于车辆属于系统工程，需要整车、零部件、原材料生产企业的全产业链共同合作，中国整车同行给国产半导体试错中改进的机会。
碳化硅芯片加速降成本
从去年以来，新能源汽车行业发展迅速，芯片需求大增，导致缺芯问题影响了产业的正常发展，也成为不少企业的困扰。
对此，奇瑞汽车研发总院芯片规划总监郭宇辉向《证券日报》记者表示，今年结构性缺芯情况还存在，功率半导体只是其中一种，计算机类、控制类等也都存在短缺情况，半导体投资需要18-32个月的建设周期，从去年开始很多半导体厂商开始建厂，但到2025年才能真正释放出产能。
郭宇辉还提到，目前电动车前后驱都使用碳化硅功率半导体的成本太高，行业共识是只有20万元以上的电动车才会用碳化硅功率半导体。目前国内碳化硅原材料都是来自进口，国内还没有大规模供应。
据了解，三安半导体投资160亿元的长沙碳化硅全产业链垂直整合超级工厂，2021年6月一期工程投产，6英寸碳化硅晶圆产能爬坡至20万片/年，二期工程预计2023年完工，达产后年产能50万片6英寸碳化硅晶圆。
张真榕向记者表示，行业结构性缺芯确实存在，但这其中有危有机，公司也正在抓住这个机会，不断降低碳化硅的成本，并加速规模化应用，三安碳化硅功率半导体有望在今年四季度正式“上车”。价格下降来源于创新，一是生产技术良率要提升，二是整个设备原材料的国产化和技术创新也会带来成本降低。
郭宇辉也表示，具体到奇瑞方面的芯片应用，一方面是加速国产化，另一方面是保证供应链安全，在缺芯的时候能找到替代方案。
