万物皆可碳化硅？

碳化硅具有高禁带宽度、高击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速率等显著特征，可以满足科技发展对高温、高功率、高压、高频等复杂场景的器件要求，在电力电子、新能源汽车、能源存储、智能制造、光伏、轨道交通等多个领域有广泛应用，可谓“万物皆可碳化硅”。

碳化硅在新能源汽车中的应用

在新能源汽车领域，碳化硅技术的应用正成为提升电动汽车和混合动力汽车性能的关键。碳化硅器件以其高热导率、高击穿电场强度和优异机械性能，显著提升了电力驱动系统、充电系统和能源管理系统的效率和可靠性。

在汽车电力驱动系统中，碳化硅器件的应用极为显著，特别是在电机控制器中。这些器件极大提升了功率密度和转换效率，使得功率密度增加超过30%，效率接近99%。这对于提高电动汽车的续航能力和动力性能至关重要。碳化硅器件的耐高温特性也确保了电力驱动系统在高温环境下的稳定性。

碳化硅在智能驾驶与车联网中的应用

在智能驾驶与车联网的快速发展中，碳化硅技术凭借其卓越性能，正逐步渗透到传感器系统、数据处理单元和通信模块等关键领域，显著提升系统性能和可靠性。

传感器系统作为智能驾驶的“眼睛”和“耳朵”，碳化硅材料的高热导率和低热膨胀系数，确保了传感器在极端温度条件下的稳定性，增强了其可靠性并延长了使用期限。某知名汽车制造商在其智能驾驶车型中采用碳化硅基激光雷达传感器，探测距离提升20%，高温环境下误差率降低30%。

研究指出，使用碳化硅MOSFET的数据处理单元（DPU）在能耗上减少了大约40%，并且在处理速度上提升了约15%，从而增强了系统的即时反应能力和稳定性。而DPU正是智能驾驶系统的“核心”。

有实验数据表明，在5G网络环境下，采用碳化硅二极管的通信模块能够将信号传输速度提高25%，同时将信号衰减率减少18%，从而显著提升了车辆与云端之间的数据交换能力。

碳化硅在光伏系统中的应用

在光伏系统中，核心设备如逆变器、MPPT控制器和储能变换模块对功率器件提出了高效率、高耐压、高温工作能力以及小型化等多重要求。传统硅器件在高压、高温环境下效率下降明显，难以支撑光伏电站日益增长的功率密度需求。碳化硅功率器件具备更高的击穿电压、更低的导通电阻和更快的开关速度，可显著提升功率转换效率并减少系统发热，从而简化散热设计，降低系统能耗。尤其是在1500V组串、光储融合、高温或高频工况下，其系统级优势尤为明显。

举例来说，据数据显示，采用SiC MOSFET的组串式逆变器，转换效率可从约97.5%提升至98.7%以上，且使整机体积缩小30%；而在高频DC-DC转换中，磁性元件尺寸显著减小，提升了模块集成度；在高温地区部署的电站中，碳化硅器件的高热稳定性带来了更长的系统运行寿命。

碳化硅在5G通信中的应用

在无线通信、雷达系统等应用中，射频器件作为信号传输与处理的核心，其性能对系统稳定性至关重要。以半绝缘型碳化硅为基础的射频器件因其宽禁带特性，具有低损耗、高频宽、高功率密度等优势，成为下一代5G及军工通信系统的重要支撑。

碳化硅在轨道交通中的应用

碳化硅能够适应更高的电压及温度，同时降低能量损耗，从而可开发更有效、更小型的电力转换系统，例如列车所用的牵引变流器。可提高功率密度，减轻总重量，有助于降低能耗，提高列车的速度及可靠性。通过采用碳化硅，轨道交通系统可实现更高的效率及更佳的运行性能，从而促进更经济及可持续的轨道运营。

碳化硅在电网中的应用

碳化硅可通过提高输配电的效率及容量显著增强电网。碳化硅衬底能够在更高的温度、电压及频率下运行，使转换器、开关设备及变压器等器件更小型、更高效，从而减少能源损耗，提高电力质量。例如，在相同的电压及转换频率下，采用碳化硅的MOSFET逆变器与硅基IGBT逆变器相比，能量损耗显著降低。碳化硅的高导热性减少了散热及维护需求，降低了运行成本，提高了可靠性。

碳化硅在家电中的应用

在PFC电路、升压电路、电机驱动及高压电源中使用碳化硅可提高家电的能源转换效率，从而提升其能源性能和效率并减少家庭用电量。碳化硅衬底使功率半导体器件能够提高电源的功率密度，并减小散热器的尺寸，从而降低家电磁性元件和热管理部件的体积和成本，促进家电产品的小型化。

碳化硅在低空飞行器中的应用

以eVTOL（电动垂直起降飞行器）为代表的新型航空器成为全球低空经济角逐的焦点，有望成为万亿级产业新赛道。SiC MOSFET器件通过效率跃升与轻量化革新，正推动eVTOL从实验阶段迈向商业化运营。SiC MOSFET器件已成为eVTOL电力系统的核心组件，其性能提升与成本下降将推动行业进入规模化应用阶段。未来3-5年，随着8吋晶圆量产、车规级认证普及及国产供应链成熟，SiC器件在eVTOL中的渗透率或将大幅提升。

碳化硅在人工智能（AI）中的应用

电力正在成为威胁人工智能（AI）进步的最新瓶颈，而人工智能迅猛增长的算力背后，攀升的能源占用也正在大量挤占正常的社会用能需求。以美国的数据中心为例，到2030年可能会消耗高达9%的全美发电量，大致相当于40座中等规模核电厂的年发电量。

如此规模的用电量，如果能降低哪怕0.1%的能耗都是一个巨大的数字。为了帮助解决迫在眉睫的电力压力，全球业界都在产业生态链积极探索所有可能，例如安森美开发了一系列新的硅沟槽功率MOSFET和SiC MOSFET。其Si和SiC MOSFET的组合可以将困扰数据中心电源的功率损耗减少多达1%，仅仅用于数据中心，每年可以节省高达10 TWh的电力，而且可以使其在更小的面积内具有更高的效率和更好的热性能。

碳化硅在AR眼镜中的应用

AR眼镜成为SiC新兴应用市场。采用SiC材料制备的光波导片通过高折射率和热导率两大特性，有效解决了AR眼镜视场角窄、彩虹伪影及散热难题。有机构预计2030年AR眼镜销量将达4000万台，其中85%采用光波导方案，而光波导中64%将使用SiC材料，经测算2030年AR眼镜领域8英寸SiC衬底需求将达520万片。

碳化硅在机器人产业中的应用

晶能微电子CEO潘运滨认为，碳化硅技术的爆发性增长源于新能源汽车的充电革命，而机器人产业有望成为第三代功率半导体下一个关键应用场景。机器人与新能源汽车在技术架构上具有高度相似性。汽车芯片可迁移至机器人场景，但需适配差异化的性能要求。以功率半导体为例，除汽车系统外，其技术能力同样适用于机器人关节的电机驱动控制器。机器人这一新兴市场对高效电能控制的需求正在快速增长。

展望：

尽管碳化硅耐高压、耐高频、耐高温，且低损耗，但在目前市场上，碳化硅的渗透率远低于硅。碳化硅性能如此优秀，为什么渗透率这么低？业内人士指出：“在未来很长的一段时间内，碳化硅都只能攫取半导体材料中一块不是很大的市场空间。我们在分析碳化硅时，切不可盲目乐观。”关于碳化硅，我们有以下几点需要明确。

首先，未来碳化硅并不能全面替代硅。碳化硅的优势是耐高压、耐高温、低损耗，但这些优势在消费电子产品中完全体现不出来。成本方面，碳化硅晶圆制备困难，成本过高，且刻蚀困难，因此无法全面替代硅材料。

其次，第三代导体材料包括碳化硅、氮化镓等，二者的性能各有侧重，碳化硅侧重高压，氮化镓侧重于高频。两种材料的竞争属性不大，应用场景也不尽相同。

参考来源：

天岳先进招股说明书

陈雯：第三代半导体：能源转换链中的革命

陈雯：新能源车拉动碳化硅产业落地迎机遇

安森美、桑德斯

本文图片来源pixabay

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