作為第三代半導(dǎo)體的代表材料，碳化硅是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一?；谔蓟杓夹g(shù)的解決方案能使系統(tǒng)效率更高，質(zhì)量更輕，結(jié)構(gòu)更緊湊。如今，頂著高科技光環(huán)的碳化硅技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入以空調(diào)為代表的家電應(yīng)用場(chǎng)景，助力家電產(chǎn)品升級(jí)。那么，應(yīng)用于家電行業(yè)的碳化硅產(chǎn)品主要有哪些？碳化硅技術(shù)如何成就家電產(chǎn)品？供應(yīng)商主要有哪些？碳化硅技術(shù)應(yīng)用于家電行業(yè)的前景如何？

與空調(diào)行業(yè)碰撞出“火花”

回溯半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展歷程，大致分為3個(gè)時(shí)代。第一代半導(dǎo)體材料主要是硅和鍺，上世紀(jì)60年代之后，硅基半導(dǎo)體逐漸成為主流，直到現(xiàn)在依然是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，全球95%以上的芯片是以硅片為基礎(chǔ)材料制成的。第二代半導(dǎo)體材料的代表是砷化鎵，可以制造更高頻、高速的集成電路，但是以目前的需求來(lái)看，砷化鎵材料的禁帶寬度依然較小。第三代半導(dǎo)體材料是以碳化硅、氮化鎵為代表的材料，可以制備耐高壓、高頻的功率器件。這些材料中，碳化硅是綜合性能最好、商品化程度最高、技術(shù)最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，目前已經(jīng)在5G通信、PD快充、新能源汽車(chē)等新興領(lǐng)域嶄露頭角。

在家電行業(yè)，特別是空調(diào)領(lǐng)域，隨著2020年新能效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，變頻空調(diào)占據(jù)市場(chǎng)絕對(duì)主導(dǎo)地位，提高家電能效是家電技術(shù)重要的發(fā)展方向，第三代半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)必然是一個(gè)熱點(diǎn)。

據(jù)英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部大中華區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)陳子穎介紹，目前家電行業(yè)需要的碳化硅功率器件主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是碳化硅肖特基二極管，一類(lèi)是碳化硅MOSFET。碳化硅肖特基二極管主要用于功率因數(shù)校正電路 PFC，碳化硅MOSFET則是用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

碳化硅功率器件究竟可以給空調(diào)帶來(lái)哪些改變？陳子穎告訴《電器》記者：“變頻空調(diào)需要一個(gè)整流電源和壓縮機(jī)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)器，整流電源使交流電變成直流電，為變頻壓縮機(jī)供電，變頻驅(qū)動(dòng)器通過(guò)IGBT等大功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)中的電機(jī)，使工作的不同速度下，均實(shí)現(xiàn)高效率制冷或制熱。以前，整流電源用傳統(tǒng)硅基快恢復(fù)二極管，會(huì)產(chǎn)生諧波，功率因數(shù)低，增加電網(wǎng)輸電線路的損耗。為了降低線路的損耗，國(guó)家電網(wǎng)出臺(tái)了有關(guān)諧波的要求。為了降低諧波，使得輸入的電壓和電流相位一樣，空調(diào)企業(yè)在整流電源中應(yīng)用功率因數(shù)校正控制器（PFC），可以大大提升輸電效率。為了進(jìn)一步減小PFC電抗體積，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的效率，由于IGBT的技術(shù)進(jìn)步，例如英飛凌的WR6系列逆導(dǎo)型IGBT推動(dòng)著變頻空調(diào)的PFC頻率已由目前的40kHz，向70kHz甚至更高的頻率設(shè)計(jì)， 這時(shí)碳化硅肖特基二極管替代傳統(tǒng)的硅基快恢復(fù)二極管優(yōu)勢(shì)更明顯。

談到碳化硅肖特基二極管的優(yōu)勢(shì)，三安集成市場(chǎng)銷(xiāo)售負(fù)責(zé)人明確指出，碳化硅肖特基二極管應(yīng)用于空調(diào)，相比硅基快恢復(fù)二極管，主要優(yōu)勢(shì)是溫升低，反向恢復(fù)時(shí)間近似于零（開(kāi)關(guān)損耗可忽略），針對(duì)高頻PFC項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)尤為明顯。

整流電源通過(guò)應(yīng)用碳化硅肖特基二極管提升輸電效率，進(jìn)而提升空調(diào)產(chǎn)品能效，如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用碳化硅MOSFET，空調(diào)的能效水平則可進(jìn)一步提高?！峨娖鳌酚浾吡私獾剑c相同功率等級(jí)的硅基MOSFET相比，碳化硅MOSFET的尺寸只有硅基MOSFET的1/10，導(dǎo)通電阻是后者的1/100。與硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET的總能量損耗可降低70%。

雖然優(yōu)勢(shì)突出，但是由于碳化硅器件成本高，導(dǎo)致其在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用比例依然較小。Yole數(shù)據(jù)顯示，2021年，第三代半導(dǎo)體基功率器件的市場(chǎng)占比只有約6%。其中，碳化硅功率器件占比5%左右，市場(chǎng)規(guī)模約為8.5億美元。聚焦空調(diào)行業(yè)，三安集成市場(chǎng)銷(xiāo)售負(fù)責(zé)人透露，目前受成本所限，碳化硅肖特基二極管在空調(diào)市場(chǎng)的占比不高，約為5%，之后會(huì)逐步增多。

供應(yīng)市場(chǎng)龍頭半導(dǎo)體企業(yè)盤(pán)踞

在碳化硅功率器件領(lǐng)域，外資企業(yè)占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。Yole數(shù)據(jù)顯示，2020年，ST（意法半導(dǎo)體）、Wolfspeed、ROHM（羅姆）、Infineon（英飛凌）、Onsemi在碳化硅功率器件市場(chǎng)的占有率分別為40.5%、14.9%、14.4%、13.3%、7.7%，TOP5品牌占據(jù)了超過(guò)90%的市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)企業(yè)主要有三安光電、華潤(rùn)微等。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈分為上游、中游、下游3個(gè)環(huán)節(jié)：上游包括襯底和外延片的制備，中游包括芯片、器件或模組的設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)，下游則是終端應(yīng)用。Wolfspeed是碳化硅襯底行業(yè)的龍頭企業(yè)，在襯底環(huán)節(jié)占據(jù)60%的市場(chǎng)，并持續(xù)推動(dòng)擴(kuò)產(chǎn)。據(jù)了解，Wolfspeed的前身為Cree功率與射頻部門(mén)，專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)碳化硅芯片，從Gree到Wolfspeed，搖身一變，Wolfspeed成為專(zhuān)注碳化硅技術(shù)的龍頭企業(yè)。目前，Wolfspeed正在向中游擴(kuò)展，進(jìn)入碳化硅功率器件領(lǐng)域。針對(duì)家電可以應(yīng)用的碳化硅MOSFET和碳化硅肖特基二極管，Wolfspeed在2011年開(kāi)發(fā)出了業(yè)界首款全面符合認(rèn)證的碳化硅MOSFET，目前技術(shù)持續(xù)提升中。同時(shí)，Wolfspeed擁有種類(lèi)廣泛的碳化硅肖特基二極管，實(shí)地工作時(shí)間超過(guò)兩萬(wàn)億小時(shí)，有超過(guò)15年的研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

作為最早做碳化硅器件的企業(yè)，英飛凌推出碳化硅產(chǎn)品已經(jīng)有20年，擁有材料損耗低的晶圓冷切割技術(shù)和技術(shù)領(lǐng)先的溝槽柵碳化硅MOSFET器件技術(shù)等。談到英飛凌產(chǎn)品在家電應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，陳子穎說(shuō)：“我們的優(yōu)勢(shì)不僅在于深厚的產(chǎn)品技術(shù)積累，還在于在對(duì)家電應(yīng)用領(lǐng)域有系統(tǒng)的理解。5年前，英飛凌建立了家電生態(tài)圈。在這個(gè)生態(tài)圈，有半導(dǎo)體公司，有周邊器件公司，有獨(dú)立設(shè)計(jì)公司，也有家電整機(jī)企業(yè)。通過(guò)這個(gè)生態(tài)圈，成員單位共同為家電提供最具性價(jià)比的技術(shù)和產(chǎn)品方案。我們會(huì)為家電應(yīng)用定義產(chǎn)品，也會(huì)和客戶合作，聽(tīng)取客戶的需求，幫助家電企業(yè)平衡系統(tǒng)的性能、成本。碳化硅作為一個(gè)新技術(shù)導(dǎo)入，我們正在不斷的為家電企業(yè)提供完整的碳化硅技術(shù)解決方案?！?/p>

關(guān)于智能模塊IPM，陳子穎特別指出，IPM是家電行業(yè)最喜歡的一種半導(dǎo)體封裝形式，自帶功率器件的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，集成度高，系統(tǒng)成本也有優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)也更方便快捷。英飛凌是第一個(gè)做碳化硅IPM的企業(yè)，英飛凌基于碳化硅IPM研發(fā)的全碳化硅空調(diào)方案，可以用在商用空調(diào)上。

聚焦家電行業(yè)，半導(dǎo)體企業(yè)的合作模式呈現(xiàn)多樣化，有的家電企業(yè)自己具備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力，半導(dǎo)體企業(yè)與之直接合作，有的家電企業(yè)沒(méi)有相關(guān)的研發(fā)設(shè)計(jì)能力，就由半導(dǎo)體企業(yè)將功率器件供應(yīng)給設(shè)計(jì)公司，設(shè)計(jì)公司做成方案供應(yīng)給家電企業(yè)。三安集成市場(chǎng)銷(xiāo)售負(fù)責(zé)人表示，針對(duì)不同的客戶，有不同的合作方式。三安集成從客戶的需求出發(fā)，有直接合作的方式，也有通過(guò)電機(jī)廠商和方案廠商與家電企業(yè)間接合作的方式。2021年6月，三安集成宣布湖南三安生產(chǎn)基地一期開(kāi)始點(diǎn)亮投產(chǎn)，全面建成后，6英寸碳化硅晶圓月產(chǎn)能可達(dá)3萬(wàn)片，將成為國(guó)內(nèi)首條碳化硅垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈。目前，三安集成已經(jīng)開(kāi)始向空調(diào)企業(yè)批量供貨。有業(yè)內(nèi)人士透露，三安集成已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了向格力、長(zhǎng)虹等批量供貨。

前景廣闊受關(guān)注

雖然碳化硅功率器件在家電上的應(yīng)用目前還局限于空調(diào)，但是空調(diào)將是家電行業(yè)“認(rèn)識(shí)”碳化硅技術(shù)的一個(gè)“窗口”。

事實(shí)上，2020年7月1日起實(shí)行新能效標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，空調(diào)對(duì)能效要求更高，進(jìn)一步增加了碳化硅功率器件在空調(diào)上的應(yīng)用機(jī)會(huì)?！澳壳埃髁骺照{(diào)廠商都有在布局碳化硅項(xiàng)目，合作需求會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。”三安集成市場(chǎng)銷(xiāo)售負(fù)責(zé)人說(shuō)。

在第四屆家電產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同推進(jìn)會(huì)集成電路分會(huì)上，青島海爾空調(diào)器有限總公司電控模塊長(zhǎng)劉聚科談到空調(diào)領(lǐng)域的芯片應(yīng)用趨勢(shì)說(shuō)：“直流家電產(chǎn)品將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)與能源側(cè)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這種新能源的高效利用，將是下一步的重點(diǎn)研究方向。海爾空調(diào)向低能耗、高能效方向發(fā)展，在關(guān)鍵的電控系統(tǒng)上不斷探索新節(jié)能技術(shù)。在變頻控制器采用的核心半導(dǎo)體部件上，海爾空調(diào)積極研究采用具備低損耗特性的新材料技術(shù)。比如，采用第三代化合物半導(dǎo)體碳化硅、氮化鎵這些低損耗、高可靠材料的新型半導(dǎo)體?！?/p>

除了空調(diào)，三安集成市場(chǎng)銷(xiāo)售負(fù)責(zé)人認(rèn)為，理論上，只要是需要用到PFC或者升壓電路以及高壓或者高功率電源的家電都可能用到碳化硅肖特基二極管，比如電視機(jī)、商用滾筒洗衣機(jī)以及其他有大于500W的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)的家電。目前，三安集成在電視機(jī)、商用滾筒洗衣機(jī)等領(lǐng)域進(jìn)行推廣，已有電視機(jī)頭部企業(yè)在測(cè)試評(píng)估，預(yù)計(jì)2022年內(nèi)會(huì)達(dá)成合作。但是由于碳化硅功率器件成本相對(duì)較高，合作暫時(shí)還沒(méi)有形成，大量應(yīng)用還需要一些時(shí)間，發(fā)展前景主要還是看行業(yè)的普及度、頭部企業(yè)的帶頭作用。

“事實(shí)上，家電行業(yè)不只是空調(diào)變頻化，能效水平需要提升，洗衣機(jī)、冰箱等都在加速變頻化，能效提升也是產(chǎn)品升級(jí)的重要指標(biāo)。因此，碳化硅技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景將非常廣闊?！标愖臃f強(qiáng)調(diào)。不過(guò)，他也指出：“雖然碳化硅技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，但家電企業(yè)不能為了用碳化硅而用碳化硅。譬如，在功率因數(shù)校正電路中，只有IGBT開(kāi)關(guān)損耗特性足夠好的時(shí)候才需要用碳化硅肖特基二極管技術(shù)作為配套，這樣才能充分發(fā)揮電路的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮IGBT的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮碳化硅的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而更好地提高產(chǎn)品能效。英飛凌TRENCHSTOP 5 WR6加CoolSiC碳化硅二極管是目前提升家電能效水平明確的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品組合?！?/p>