作为第三代半导体的代表材料，碳化硅是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。基于碳化硅技术的解决方案能使系统效率更高，质量更轻，结构更紧凑。如今，顶着高科技光环的碳化硅技术已经进入以空调为代表的家电应用场景，助力家电产品升级。那么，应用于家电行业的碳化硅产品主要有哪些？碳化硅技术如何成就家电产品？供应商主要有哪些？碳化硅技术应用于家电行业的前景如何？
与空调行业碰撞出“火花”
回溯半导体技术的发展历程，大致分为3个时代。第一代半导体材料主要是硅和锗，上世纪60年代之后，硅基半导体逐渐成为主流，直到现在依然是应用最为广泛的半导体材料，全球95%以上的芯片是以硅片为基础材料制成的。第二代半导体材料的代表是砷化镓，可以制造更高频、高速的集成电路，但是以目前的需求来看，砷化镓材料的禁带宽度依然较小。第三代半导体材料是以碳化硅、氮化镓为代表的材料，可以制备耐高压、高频的功率器件。这些材料中，碳化硅是综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，目前已经在5G通信、PD快充、新能源汽车等新兴领域崭露头角。
在家电行业，特别是空调领域，随着2020年新能效标准的实施，变频空调占据市场绝对主导地位，提高家电能效是家电技术重要的发展方向，第三代半导体碳化硅技术必然是一个热点。
据英飞凌工业功率控制事业部大中华区市场总监陈子颖介绍，目前家电行业需要的碳化硅功率器件主要有两类，一类是碳化硅肖特基二极管，一类是碳化硅MOSFET。碳化硅肖特基二极管主要用于功率因数校正电路 PFC，碳化硅MOSFET则是用于电机驱动等。
碳化硅功率器件究竟可以给空调带来哪些改变？陈子颖告诉《电器》记者：“变频空调需要一个整流电源和压缩机电机变频驱动器，整流电源使交流电变成直流电，为变频压缩机供电，变频驱动器通过IGBT等大功率开关管驱动压缩机中的电机，使工作的不同速度下，均实现高效率制冷或制热。以前，整流电源用传统硅基快恢复二极管，会产生谐波，功率因数低，增加电网输电线路的损耗。为了降低线路的损耗，国家电网出台了有关谐波的要求。为了降低谐波，使得输入的电压和电流相位一样，空调企业在整流电源中应用功率因数校正控制器（PFC），可以大大提升输电效率。为了进一步减小PFC电抗体积，优化整体结构，提高系统的效率，由于IGBT的技术进步，例如英飞凌的WR6系列逆导型IGBT推动着变频空调的PFC频率已由目前的40kHz，向70kHz甚至更高的频率设计， 这时碳化硅肖特基二极管替代传统的硅基快恢复二极管优势更明显。
谈到碳化硅肖特基二极管的优势，三安集成市场销售负责人明确指出，碳化硅肖特基二极管应用于空调，相比硅基快恢复二极管，主要优势是温升低，反向恢复时间近似于零（开关损耗可忽略），针对高频PFC项目优势尤为明显。
整流电源通过应用碳化硅肖特基二极管提升输电效率，进而提升空调产品能效，如果驱动电机应用碳化硅MOSFET，空调的能效水平则可进一步提高。《电器》记者了解到，与相同功率等级的硅基MOSFET相比，碳化硅MOSFET的尺寸只有硅基MOSFET的1/10，导通电阻是后者的1/100。与硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET的总能量损耗可降低70%。
虽然优势突出，但是由于碳化硅器件成本高，导致其在各个行业的应用比例依然较小。Yole数据显示，2021年，第三代半导体基功率器件的市场占比只有约6%。其中，碳化硅功率器件占比5%左右，市场规模约为8.5亿美元。聚焦空调行业，三安集成市场销售负责人透露，目前受成本所限，碳化硅肖特基二极管在空调市场的占比不高，约为5%，之后会逐步增多。
供应市场龙头半导体企业盘踞
在碳化硅功率器件领域，外资企业占据绝对主导地位。Yole数据显示，2020年，ST（意法半导体）、Wolfspeed、ROHM（罗姆）、Infineon（英飞凌）、Onsemi在碳化硅功率器件市场的占有率分别为40.5%、14.9%、14.4%、13.3%、7.7%，TOP5品牌占据了超过90%的市场。国内企业主要有三安光电、华润微等。
碳化硅产业链分为上游、中游、下游3个环节：上游包括衬底和外延片的制备，中游包括芯片、器件或模组的设计、制造和封测，下游则是终端应用。Wolfspeed是碳化硅衬底行业的龙头企业，在衬底环节占据60%的市场，并持续推动扩产。据了解，Wolfspeed的前身为Cree功率与射频部门，专门生产碳化硅芯片，从Gree到Wolfspeed，摇身一变，Wolfspeed成为专注碳化硅技术的龙头企业。目前，Wolfspeed正在向中游扩展，进入碳化硅功率器件领域。针对家电可以应用的碳化硅MOSFET和碳化硅肖特基二极管，Wolfspeed在2011年开发出了业界首款全面符合认证的碳化硅MOSFET，目前技术持续提升中。同时，Wolfspeed拥有种类广泛的碳化硅肖特基二极管，实地工作时间超过两万亿小时，有超过15年的研发和应用经验。
作为最早做碳化硅器件的企业，英飞凌推出碳化硅产品已经有20年，拥有材料损耗低的晶圆冷切割技术和技术领先的沟槽栅碳化硅MOSFET器件技术等。谈到英飞凌产品在家电应用领域的优势，陈子颖说：“我们的优势不仅在于深厚的产品技术积累，还在于在对家电应用领域有系统的理解。5年前，英飞凌建立了家电生态圈。在这个生态圈，有半导体公司，有周边器件公司，有独立设计公司，也有家电整机企业。通过这个生态圈，成员单位共同为家电提供最具性价比的技术和产品方案。我们会为家电应用定义产品，也会和客户合作，听取客户的需求，帮助家电企业平衡系统的性能、成本。碳化硅作为一个新技术导入，我们正在不断的为家电企业提供完整的碳化硅技术解决方案。”
关于智能模块IPM，陈子颖特别指出，IPM是家电行业最喜欢的一种半导体封装形式，自带功率器件的驱动和保护，集成度高，系统成本也有优势，使得系统电路设计也更方便快捷。英飞凌是第一个做碳化硅IPM的企业，英飞凌基于碳化硅IPM研发的全碳化硅空调方案，可以用在商用空调上。
聚焦家电行业，半导体企业的合作模式呈现多样化，有的家电企业自己具备开发设计能力，半导体企业与之直接合作，有的家电企业没有相关的研发设计能力，就由半导体企业将功率器件供应给设计公司，设计公司做成方案供应给家电企业。三安集成市场销售负责人表示，针对不同的客户，有不同的合作方式。三安集成从客户的需求出发，有直接合作的方式，也有通过电机厂商和方案厂商与家电企业间接合作的方式。2021年6月，三安集成宣布湖南三安生产基地一期开始点亮投产，全面建成后，6英寸碳化硅晶圆月产能可达3万片，将成为国内首条碳化硅垂直整合产业链。目前，三安集成已经开始向空调企业批量供货。有业内人士透露，三安集成已经实现了向格力、长虹等批量供货。
前景广阔受关注
虽然碳化硅功率器件在家电上的应用目前还局限于空调，但是空调将是家电行业“认识”碳化硅技术的一个“窗口”。
事实上，2020年7月1日起实行新能效标准以来，空调对能效要求更高，进一步增加了碳化硅功率器件在空调上的应用机会。“目前，主流空调厂商都有在布局碳化硅项目，合作需求会进一步扩大。”三安集成市场销售负责人说。
在第四届家电产业上下游协同推进会集成电路分会上，青岛海尔空调器有限总公司电控模块长刘聚科谈到空调领域的芯片应用趋势说：“直流家电产品将成为未来的发展趋势，通过与能源侧产业的优势互补，实现对这种新能源的高效利用，将是下一步的重点研究方向。海尔空调向低能耗、高能效方向发展，在关键的电控系统上不断探索新节能技术。在变频控制器采用的核心半导体部件上，海尔空调积极研究采用具备低损耗特性的新材料技术。比如，采用第三代化合物半导体碳化硅、氮化镓这些低损耗、高可靠材料的新型半导体。”
除了空调，三安集成市场销售负责人认为，理论上，只要是需要用到PFC或者升压电路以及高压或者高功率电源的家电都可能用到碳化硅肖特基二极管，比如电视机、商用滚筒洗衣机以及其他有大于500W的PFC拓扑结构电路设计的家电。目前，三安集成在电视机、商用滚筒洗衣机等领域进行推广，已有电视机头部企业在测试评估，预计2022年内会达成合作。但是由于碳化硅功率器件成本相对较高，合作暂时还没有形成，大量应用还需要一些时间，发展前景主要还是看行业的普及度、头部企业的带头作用。
“事实上，家电行业不只是空调变频化，能效水平需要提升，洗衣机、冰箱等都在加速变频化，能效提升也是产品升级的重要指标。因此，碳化硅技术在家电行业的应用前景将非常广阔。”陈子颖强调。不过，他也指出：“虽然碳化硅技术优势显著，但家电企业不能为了用碳化硅而用碳化硅。譬如，在功率因数校正电路中，只有IGBT开关损耗特性足够好的时候才需要用碳化硅肖特基二极管技术作为配套，这样才能充分发挥电路的优势，发挥IGBT的优势，发挥碳化硅的优势，进而更好地提高产品能效。英飞凌TRENCHSTOP 5 WR6加CoolSiC碳化硅二极管是目前提升家电能效水平明确的优势产品组合。”
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