充电桩刚性需求，新基建加速SiC应用

在半导体材料领域，碳化硅与氮化镓无疑是当前最炙手可热的明星。其中，碳化硅拥有高压、高频和高效率等特性，其耐高频耐高温的性能，是同等硅器件耐压的10倍。因此，碳化硅在光伏逆变器、新能源汽车的电机控制器以及充电桩等应用中，相比于传统硅器件有着很大优势。

充电桩刚性需求，碳化硅应用渗透加深

伴随着新能源汽车崛起，应用需求的激剧增多，真正将碳化硅推到风口浪尖上。对于新能源电动汽车而言，目前车用功率模块主要采用IGBT，据了解，一辆电动汽车中，IGBT占据总成本近10%。但采用碳化硅材料的功率器件在新能源汽车中拥有更好的性能，如目前全球电动车出货高居第一的特斯拉，旗下model系列车型就在业内率先采用了碳化硅功率器件替代IGBT，因此拥有领先于竞争对手的电气性能，并在电池容量相当的情况下获得相比竞品更长的续航里程。

但目前来看，碳化硅功率器件在新能源汽车上应用还较少，原因主要在于成本限制。不过，由于使用率高，并且主要用于停车场的使用场景，所以对于充电桩而言，小体积、高可靠性便成为了刚性需求。因此，可提供高功率密度、耐高温的碳化硅功率器件，自然成为电动汽车充电桩的最佳选择。

对于SiC在充电桩中的应用，英飞凌大中华区工业功率控制事业部市场高级经理陈子颖在接受《华强电子》采访时表示：“功率半导体是英飞凌的主要业务，应用范围覆盖新能源发电，输配电和用电。碳化硅是我们新的业务增长点。碳化硅MOSFET是宽禁带高速器件，可以实现高压大电流高速开关，从而使得相关应用的实现带来革命性的变化，直流充电桩就是其中之一，碳化硅也进一步推动了直流充电桩的发展。”

另一方面，尽管碳化硅成本相比传统硅器件高，但在充电桩的应用中，由于功率密度提高，反而能够降低充电桩的系统成本。陈子颖补充到：“充电站是基础设施，其成本构成比较复杂，但城市空间成本会是主要方面之一，所以充电桩的功率密度就至关重要，碳化硅器件是实现高功率密度的关键。碳化硅器件作为高压，高速，大电流器件，简化了直流桩充电模块电路结构，提高单元功率等级，功率密度显著提高，这为降低充电桩的系统成本降低铺平了道路。”

碳化硅固然成本高，但其优势是否能抵消成本上的劣势，则要与使用场景相适配。具体而言，在充电桩应用最广的城市场景中，选址一般选在繁华地段，地租昂贵，因此对体积有很高要求。目前支持快充的电动汽车，充电功率可以达到150kW，近期保时捷推出的电动跑车Taycan更是将快充功率提高到250kW。可想而知，若要组建一个拥有多个快速充电桩的电动汽车充电站，则需要达到百万W级别的功率，与一个小区的用电规模相当。

据陈子颖透露，采用英飞凌的碳化硅单管，充电模块的功率可以达到30kW以上。采用英飞凌的碳化硅模块，充电模块的功率可以达到60kW以上。而采用MOSFET/IGBT单管的设计还是在15-30kW水平。从单管设计的充电模块功率对比中，不难看出在相同功率等级下，采用碳化硅功率器件相比硅基功率器件可以大幅降低模块数量。因此，对于城市大功率充电站、充电桩，高成本所带来的小体积，在特定场景或高端产品中是有很大优势的。

不过，需要面对的事实是，目前碳化硅在充电桩中渗透率并不高。以“快充”应用为主的直流充电桩为例，据CASA测算，电动汽车充电桩中的碳化硅功率器件的平均渗透率在2018年仅达到10%。

上海瞻芯电子科技有限公司创始人兼总经理张永熙博士认为，目前主流的充电桩模块，依然是以硅基MOSFET和IGBT为主;而碳化硅二极管现在已经批量出货，在充电桩上的应用还是主要用于大功率高端产品中。但他也表示：“相信在未来以更高功率密度为需求的充电桩模块中，碳化硅尤其是碳化硅MOSFET的应用会越来越多。”

尽管目前来看，充电桩市场中碳化硅功率器件的渗透率并不算太高，但在2019年，随着下游特斯拉等车企开始大量推进碳化硅解决方案，国内的厂商也将会快速跟进。以比亚迪为代表的整车厂商开始全方位布局，在充电桩以及整车中将会越来越多采用碳化硅器件。而根据CASA的预测，由于电动汽车对于充电速度的要求提升，直流充电桩的需求会进一步增长，因此碳化硅在充电桩领域的渗透将快于整车市场。

成本桎梏亟待解决，碳化硅6英寸衬底有望价格砍半

目前碳化硅在充电桩市场中渗透率不高，主要原因归根到底还是在于成本。业内资深专家袁工向《华强电子》记者表示：“在功率器件领域，电压等级不同器件价格有所差异。在同电压等级下，碳化硅功率器件的价格大概是传统硅器件的1.5倍到2倍之间。”

在一般充电桩中，充电模块作为核心部件，占充电桩总成本的比例高达50%，其中充电模块的主要成本在于IGBT。而碳化硅作为替代产品相同电压等级下成本相比IGBT高出1.5倍甚至2倍，这显然是下游生产商们难以承受的。

事实上，早在19年前，英飞凌便率先发布了碳化硅SBD(肖特基二极管);2010年，罗姆半导体成功量产碳化硅MOSFET产品。但时至今日，碳化硅功率器件由于种种原因，价格仍无法下降到可以广泛应用的程度。

张永熙博士认为，碳化硅功率器件成本高，主要是由于材料成本上存在不少问题，首先是衬底单晶生长难。不同于硅材料的生长，将多晶硅融化后拉单晶可以做成晶锭。碳化硅则是采用高温等气相淀积的方法来生长，它没有液体的形态，达到2700度高温后直接从固态升华成气态，所以材料生长在批量生产中很困难。

另一方面，对于碳化硅MOSFET而言，合格率也是一个挑战。即使是碳化硅龙头企业Cree，在去年一个季度的财报中也专门提到了，其6英寸碳化硅晶圆在上量过程中出现合格率低的问题。“要改善碳化硅MOSFET良率，除了在芯片制造领域加强工艺控制外，还需要在测试端完成CP测试、FT测试、筛选测试等步骤，来发现具体问题以改善制造工艺。”张永熙补充到。

而在降低成本方面，英飞凌也在做相关的投入。据陈子颖介绍，英飞凌收购了位于德累斯顿的初创公司Siltectra，这家初创公司研发了冷切割(ColdSplit)这一创新技术，可高效处理晶体材料，并最大限度减少材料损耗。英飞凌将利用冷切割技术切割碳化硅晶圆，使单片晶圆可产出的芯片数量翻倍。

陈子颖坦言：“确实碳化硅器件成本会比硅器件高，但是它已经与90年代初IGBT单管的价格相当了。碳化硅材料成本比硅高是难以改变，但随着碳化硅整个产业链的技术成熟，碳化硅器件成本一定会有显著下降。”

众所周知，半导体器件中，无论是硅基半导体还是化合物半导体，其晶圆衬底尺寸都逐渐往大尺寸方向发展。目前能够批量出货的碳化硅衬底最大为6英寸，国际上8英寸衬底也正在向量产稳步推进，但主流的仍是4英寸衬底。

对于目前主流的4英寸碳化硅衬底，张永熙认为其优势将会越来越弱：“尽管目前从价格上看，4英寸碳化硅衬底材料成本不到6英寸的一半，对于一些低端器件如碳化硅二极管等，4英寸还有一定竞争力。但随着碳化硅材料进一步成熟，6英寸降价空间非常大。在未来的3到5年内，6英寸将会降到今天4英寸的价格，这是大势所趋。”

充电桩纳入新基建，如何影响碳化硅器件市场?

充电桩被纳入新基建概念后，一时间引起了社会各界的强烈关注。一方面是电动车企在关注充电桩这样的基础服务设施建设情况，充电桩企业则在政策利好下寻求更多机会;另一方面，政府将新能源汽车作为带动消费的重要领域，而充电桩建设则是为人们购买新能源汽车创造出良好环境，因此各地政府也同样关注充电桩建设进度。

据国家发展改革委产业发展司副司长蔡荣华透露，截至2019年底，全国充电桩总数已经达到了122万个，其中公共桩52万个，私人桩70万个。同期数据显示，全国新能源汽车保有量为381万辆，车桩比约为3.1比1。尽管在快充技术的发展下，新能源汽车充电时间已经越来越短，高车桩比也不再是刚需。但正因为快充技术的日新月异，导致充电桩的迭代更替也成为了一个棘手的问题。

这次国家电网展开的新一轮充电桩建设，计划新增充电桩7.8万个，在建设完成之后将达到16.6万，超越目前保有量最多的特来电。国家电网作为“裁判”入场“捣局”，或许只是需求激发的第一步，随着电动车进一步蚕食传统燃油车份额，对于充电桩的需求必然有增无减。

因此，在充电桩技术迭代以及数量需求双重利好下，将带动产业链彻底迎来爆发。而其中作为快充技术“刚需”的碳化硅功率器件，未来在充电桩中的渗透率不断提高的同时，在这片“蓝海”市场中，是否会引来众多新玩家入局，引来行业竞争加剧?陈子颖表示：“半导体是高投入的行业，需要靠规模效应获得竞争优势，产能利用率和成品率等直接影响产品的成本。产品的优势更依赖于产品技术，生产技术本身。”

确实，在半导体领域，技术永远都是第一生产力。要在行业中站稳脚跟，要有强大的技术实力支撑企业的竞争力。而在碳化硅产品方面，英飞凌采用其沟槽栅技术的碳化硅产品在栅极可靠性方面与平面栅有着固有的优势，驱动电路可以比较简单，碳化硅模块可以实现各种电路拓扑，为工程师的创新提供一个重要平台。陈子颖透露，目前市面上功率等级最高的商业化充电模块，就是采用英飞凌Easy B封装的碳化硅实现的。

同时，要在碳化硅领域有所建树，还需要持续且量大的资金投入。据一位业内人士透露，一家碳化硅衬底材料厂仅一个月水电费就需要200万。而新入场的玩家即使能够解决资金问题，但在上下游能否获得足够的支持，产品相比老牌厂商如何突出优势，也是难以解决的。

碳化硅衬底方面，目前高端产品仍以国外产商如Cree、罗姆等为主，但国内目前也有天科合达、山东天岳等已经有多年的发展历史，产品也相对稳定。在器件以及模块方面，国内企业与英飞凌、罗姆等国外厂商技术差距较大。目前在相对低端的碳化硅二极管方面，国内如泰科天润的产品已有广泛应用，高端的碳化硅MOSFET虽有小批量生产，但技术指标仍需要时间追赶。

在面对新基建政策利好，碳化硅在新能源汽车以及充电桩领域拥有巨大市场潜力。

陈子颖认为：“作为新的快速增长市场，充电桩是电力电子应用一个细分市场，也是英飞凌一直关注的市场，英飞凌产品和产能可以满足这一新兴市场的需求。但是半导体从晶圆到最后封装测试生产周期比较长，整个生态圈的各个环节，需要了解市场特点和规律，迎接市场。”