碳化硅市场及应用 – 喷涂光刻胶 – 自动助焊剂喷雾机 – 驰飞超声波喷涂
碳化硅晶片经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件。以碳化硅晶片为衬底制造的半导体器件具备高功率、耐高压、耐高温、高频、低能耗、 抗辐射能力强等优点,可广泛应用于新能源汽车、 5G 通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域,在各领域中发挥重要作用。
功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一,广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域。作为用电装备和系统中的核心,功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制,管理着全球超过 50%的电能资源,广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面,是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。
现有的功率器件大多基于硅半导体材料,由于硅材料物理性能的限制,器件的能效和性能已逐渐接近极限,难以满足迅速增长和变化的电能应用新需求。 碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能,能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求,在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。经过近 30 年研究和开发,碳化硅衬底和功率器件制造技术在近年逐步成熟,并快速推广应用,正在掀起一场节能减排和新能源领域的巨大变革。
① 新能源汽车。 新能源汽车行业是市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势逐步清晰化。根据现有技术方案,每辆新能源汽车使用的功率器件价值约 700 美元到 1000 美元。随着新能源汽车的发展,对功率器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的增长点。
新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括:电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载 DC/DC) 和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器, 能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本,提高功率密度。
②光伏发电。 在光伏发电应用中, 基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右, 却是系统能量损耗的主要来源之一。 使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与碳化硅 SBD 结合的功率模块的光伏逆变器,转换效率可从 96%提升至 99%以上, 能量损耗降低 50%以上, 设备循环寿命提升 50 倍, 从而能够缩小系统体积、增加功率密度、 延长器件使用寿命、 降低生产成本。 高效、高功率密度、 高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中,碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。
③轨道交通。轨道交通车辆呈现多样化发展,从运行状态上可分为干线机车、城市轨道车辆、高速列车,其中城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件,其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。
其中,牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备,将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器,能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性,提高牵引变流器装置效率,符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求, 提升系统的整体效能。
④智能电网。相比其他电力电子装置,电力系统要求更高的电压、 更大的功率容量和更高的可靠性, 碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性,并具有高频、 高可靠性、 高效率、低损耗等独特优势, 在固态变压器、 柔性交流输电、 柔性直流输电、 高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。
此外, 碳化硅功率器件在风力发电、工业电源、航空航天等领域也已实现成熟应用。
伴随新能源汽车、光伏发电、轨道交通、 智能电网等产业的快速发展,功率器件的使用需求大幅增加。未来,随着碳化硅和氮化镓功率器件的加速发展,全球功率器件的销售额预计将持续保持增长。
微波射频器件是实现信号发送和接收的基础部件,是无线通讯的核心,主要包括射频开关、 LNA、功率放大器、滤波器等器件,其中,功率放大器是放大射频信号的器件,直接决定移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。
5G 通讯高频、高速、高功率的特点对功率放大器的高频、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势, 突破了砷化镓和硅基 LDMOS 器件的固有缺陷, 能够满足 5G 通讯对高频性能和高功率处理能力的要求, 碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为 5G 功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。
随着全球 5G 通讯技术的发展和推广, 5G 基站建设将为射频器件带来新的增长动力,半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。
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