碳化硅凭什么进入白电市场

（1）5年内价格持平

据了解，截至今年二季度，国际供应商的6英寸碳化硅衬底报价在800美元以下，而国内碳化硅衬底的报价已下降到500美元以下。与之相对应，去年6英寸SiC衬底市场价格还在1000美元以上，而且随着更多产能落地以及8英寸时代的到来，未来材料价格有进一步下调的空间。

衬底在碳化硅产业链的成本占比在47%左右，上游价格下跌，引发下游器件厂商成本的进一步下降。瞻芯电子COO陈俭近期表示，明年公司新一代产品成本可以进一步降低15%，其核心在于上游价格的下跌。

9月最新的调研数据显示，1.2KV以下SiC器件应用规模扩大，而且成本持续下降。目前与同规格的IGBT相比，碳化硅器件价格是其2倍左右。业内人士预期，5年内，两者成本基本可持平。

另一方面，使用碳化硅器件，功能有大幅提升的空间。以白电中的空调和热泵系统为例，采用碳化硅器件替代硅基IGBT，可显著提高效率。

未来，在全球能效指标越来越高的背景下，可选科目有机会会变成必选科目。

（2）能效比要求不断提升

全球范围内日益严格的热泵和空调能效标准旨在大幅降低住宅、商业和工业应用中供暖和制冷的环境影响。在美国，供暖和制冷系统的效率是根据一个名为季节性能效比(SEER)的国家标准来衡量的。

从2023年开始，在美国北部地区销售的所有新型住宅中央空调和空气源热泵系统均要求达到至少14的SEER等级。在南部各州，由于制冷占家庭能源消耗的较大份额，因此要求SEER等级至少达到15。

图1

欧洲有一个类似的标准，即欧洲能效比(ESEER)，要求新系统的能效等级必须达到B级或以上。

中国则有GB21455能效标准，要求新设计应追求更高的能效等级，不得低于5级。图1展示了美国、欧洲和中国日益严格的能效标准。

对于传统的硅功率半导体器件来说，满足这些要求是困难的。碳化硅提供了一种简单、成本效益高的方式来满足这些标准，同时使整体加热和冷却系统更小、功率密度更高且更安静。

（3）碳化硅集成于空调的简单方案

碳化硅分立器件可以轻松地集成到现有的热泵和空调设计中，从而实现足够的能效提升，以满足SEER、ESEER和GB21455标准。图2展示了热泵和空调的各种子系统，包括功率转换(PFC)和逆变器，它们共同为压缩机供电并提供所需的空气温度。

图2

图3(左)显示了有源升压配置中的典型硅基PFC。如图右侧所示，只需将硅二极管替换为650V或1200V(取决于直流母线电压)的碳化硅(SiC)肖特基二极管，而无需对系统进行重新设计，即可轻松改进此设计。这是一种非常受欢迎的升级方式，可将效率提高0.5%或更高。

图3

与硅二极管不同，650V和1200V的碳化硅肖特基二极管具有零反向恢复电荷(Qrr)。Wolfspeed的C4D 1200V和C3D 650V SiC二极管系列提供了市场上较出色的反向恢复性能(图4)。如图所示，这些SiC二极管的性能明显优于硅整流器。

图4

（4）通过SiC重新设计，总损耗减少50%

而通过将PFC重新设计为半无桥或无桥 totem pole 配置(图5)，可以进一步最大化碳化硅的性能优势。半无桥PFC拓扑在快速开关支路上使用两个SiC 650/750 V MOSFET，在慢速开关支路上使用两个SiC 650/1200 V二极管(取决于直流链路电压)。这种设计可以使系统效率比基于硅的升压PFC提高1.5%。

图5

同样，使用所有SiC MOSFET在快速和慢速开关支路上的全无桥PFC拓扑可以使系统效率比基于硅的升压PFC提高1.9%。如图6所示，在一个11 kW压缩机系统中，以16kHz的频率切换，与基于硅的解决方案相比，使用SiC可以使系统的总损耗减少超过50%。

图6

由于硅MOSFET的反向恢复较大(图7)，它们不适合无桥PFC拓扑，而硅IGBT表现出高开关损耗，需要较低的开关频率和较大的磁性组件，导致成本更高。

图7

得益于改进的开关性能和更好的热性能，这种重新设计的方法减少了可听噪声，并根据IEC60034-14标准轻松将新的工业电机安装从IE3过渡到IE4和IE5(图8)。

图8

（5）通过替换所有IGBT，逆变器减少85%的总体开关损耗

逆变器由6个开关组成，可以通过替换所有现有的IGBT开关轻松升级为全SiC解决方案，如图9所示。

图9

与典型的IGBT解决方案相比，碳化硅MOSFET提供最低的传导损耗。图10展示了1200V Wolfspeed SiC MOSFET与传统IGBT的传导损耗。SiC MOSFET在30%负载下提供50%的传导损耗减少，在半负载下提供30%的传导损耗减少。

图10

当比较1200 V SiC MOSFET的开关与典型的1200 V IGBT时，超低开关损耗的优势明显，因为在关断过程中没有尾电流可见。SiC MOSFET的这一特性反过来提供了高达95%的关断开关损耗减少或85%的整体总开关损耗(图11)。

图11

（6）减少尺寸，额外降低成本

除了消耗更少的功率外，SiC还由于其改进的热性能，使得热泵和空调中的冷却设计更小且成本更低。对于一个以8 kHz运行的25 kW逆变器，使用如Wolfspeed的6开关WolfPACK这样的六开关功率模块与类似的IGBT模块相比，散热器的整体尺寸减少了77%，效率提高了1.1%(图12)。

图12

这只是逆变器方面，当与SiC驱动的Totem Pole PFC结合时，可以观察到2.6%的组合效率(图13)。

图13

基于SiC的逆变器显著减少了系统产生的热量，使设计者能够使用更小的散热器并为空调和热泵系统设计更小、更轻的压缩机。

（7）结论

随着价格的进一步下降，碳化硅产品的应用场景在不断扩容，产品应用从要求较高的车规级、工业级，扩散到消费市场级。除了天岳先进外，包括英飞凌、Wolfspeed、三菱电机、罗姆等SiC产业链相关厂商一直以来也在积极开拓白色家电市场。

未来随着碳化硅材料逐渐平民化，工程师将充分发挥碳化硅的性能特点，设计出能耗比更优秀的空调、电视机、微波炉，碳化硅的应用市场也随之水涨船高。

资料来源：

浮思特：《使用碳化硅(SiC)来应对空调和热泵的高温挑战》

邓雅静：《Wolfspeed积极推动碳化硅技术在家电领域的应用》

来源：DT芯材

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