随着全球特别是中国新能源汽车市场渗透率的快速提升，强劲的上车需求叠加巨大的产能缺口，碳化硅这条“赛道”愈发呈现出欣欣向荣之势。不管是汽车产业链上游的芯片企业和一级零部件供应商，还是下游传统车企和造车新势力，都在疯狂押注碳化硅，合资建厂、扩大产能、签署供货协议等等消息接踵而至。那么如此疯狂的碳化硅半导体究竟有什么魔力，这就需要从其材料本身的性能来看。
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叠加第三代半导体在我国被赋予的战略意义，碳化硅产业发展被列入十四五规划后以来，就一直走在“风口”之上。SiC适合高功率和高频率应用场景，如储能、风电、光伏、轨道交通、新能源汽车等行业。
以新能源汽车应用场景为例，目前市售电动车所搭载的功率半导体多数为硅基器件，采用Si IGBT技术的功率模块仍在电动汽车应用中占主导地位。然而，经过数十年的发展，硅基功率器件正在接近材料极限，要进一步提高其功率密度非常困难。由于电动车电压平台正在从400V向800V以上的高电压发展，相较于Si IGBT，SiC MOSFET凭借“耐高压”、“耐高温”、和“高频”特点，在高压系统中有望快速替代Si IGBT，从而大幅提高汽车性能并优化整车架构，使新能源汽车具有更低的成本、更长的续航里程、更紧凑的空间设计以及更高的功率密度。
目前，车规级SiC功率器件主要应用于主驱逆变器、OBC、充电桩等场景。在主驱逆变器、OBC、DC-DC以及直流充电桩模块中，SiC MOSFET有望对Si IGBT加速替代。
碳化硅应用为主驱逆变器带来了更高的逆变器效率、更小的系统尺寸、更低的系统成本和更长的行驶里程。根据Infineon与Daimler在2018年的测试数据，在相同的行驶条件和行驶里程情况下：在配备了1200V SiC MOSFET的400V系统中，逆变器的能耗降低了63%，从而在WLTP工况条件下节能6.9%；在配备了1200V SiC MOSFET的800V系统中，逆变器能耗降低69%，整车能耗降低7.6%。碳化硅对车辆能耗的降低仍被低估，因为没有考虑电池系统重量减轻的影响。在系统成本方面，尽管SiC MOSFET逆变器是等效Si IGBT价格的2-3倍，然而，由于使用SiC后整车功耗降低，车辆系统效率提高，因此需要更少的电池容量。电池节省的成本超过了碳化硅逆变器增加的成本，采用800V高压SiC平台的系统成本比400V Si IGBT平台节省高达6%。
根据Wolfspeed的研究，采用全SiC MOSFET方案的22kW双向OBC，可较Si方案实现功率器件和栅极驱动数量都减少30%以上，且开关频率提高一倍以上，实现系统轻量化和整体运行效率提升。SiC系统在3kW/L的功率密度下可实现97%的峰值系统效率，而Si OBC仅可在2kW/L的功率密度下实现95%的效率。同时，进一步拆分成本，由于SiC器件的性能可减少DC/DC模块中所需大量的栅极驱动和磁性元件。因此，尽管相比单个Si基二极管和功率晶体管，SiC基功率器件的成本更高，但整体全SiC方案的OBC成本可节约15%左右。
直流充电桩通常采用15-50kW的AC-DC和DC-DC电源模块，并根据充电位置和车辆类型进行扩展，以满足更高或更低的功率需求。通过模块的并联堆叠组合可实现150 kW快充桩以及350 kW超充桩的功率需求。以25 kW充电桩模块为例，需要并联6个模块实现150 kW充电桩功率，而250 kW的充电桩需要并联10个25 kW功率模块。350 kW功率的超充桩，则可以使用6个60 kW模块并联，由于60 kW模块采用更高电压器件、更先进的封装和拓扑结构，可以有效减少芯片数量并降低系统成本。根据Wolfspeed数据，25 kW功率的充电桩模块，大约需用到16-20个1200V SiC MOSFET单管。
据天科合达招股书，基于硅基器件的传统逆变器成本约占光伏发电系统10%，却是系统能量损耗的主要来源之一。根据英飞凌，使用SiC MOSFET功率模块的光伏逆变器，其转换效率可从98.8%提升至99%以上，能量损耗降低8%，相同条件下输出功率提升27%，推动发电系统在体积、寿命及成本上实现重要突破。英飞凌最早于2012年推出Cool SiC系列产品应用于光伏逆变器，2020年以来，西门子、安森美等众多厂商陆续推出相关产品，碳化硅光伏逆变器应用进一步推广。据CASA数据，2020年光伏逆变器中碳化硅器件渗透率为10%，预计2025年将增长至50%。高效、高功率密度、高可靠和低成本为光伏逆变器未来发展趋势，SiC器件有望迎来广阔增量空间。
SiC器件对光伏逆变器性能的改善
不同材料微波射频器件应用范围对比（左）；碳化硅基氮化镓射频器件市场规模展望（右）
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