作為第三代半導體的代表材料，碳化硅是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。基于碳化硅技術的解決方案能使系統效率更高，質量更輕，結構更緊湊。如今，頂著高科技光環的碳化硅技術已經進入以空調為代表的家電應用場景，助力家電產品升級。那么，應用于家電行業的碳化硅產品主要有哪些？碳化硅技術如何成就家電產品？供應商主要有哪些？碳化硅技術應用于家電行業的前景如何？

與空調行業碰撞出“火花”

回溯半導體技術的發展歷程，大致分為3個時代。第一代半導體材料主要是硅和鍺，上世紀60年代之后，硅基半導體逐漸成為主流，直到現在依然是應用最為廣泛的半導體材料，全球95%以上的芯片是以硅片為基礎材料制成的。第二代半導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看，砷化鎵材料的禁帶寬度依然較小。第三代半導體材料是以碳化硅、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、技術最成熟的第三代半導體材料，目前已經在5G通信、PD快充、新能源汽車等新興領域嶄露頭角。

在家電行業，特別是空調領域，隨著2020年新能效標準的實施，變頻空調占據市場絕對主導地位，提高家電能效是家電技術重要的發展方向，第三代半導體碳化硅技術必然是一個熱點。

據英飛凌工業功率控制事業部大中華區市場總監陳子穎介紹，目前家電行業需要的碳化硅功率器件主要有兩類，一類是碳化硅肖特基二極管，一類是碳化硅MOSFET。碳化硅肖特基二極管主要用于功率因數校正電路 PFC，碳化硅MOSFET則是用于電機驅動等。

碳化硅功率器件究竟可以給空調帶來哪些改變？陳子穎告訴《電器》記者：“變頻空調需要一個整流電源和壓縮機電機變頻驅動器，整流電源使交流電變成直流電，為變頻壓縮機供電，變頻驅動器通過IGBT等大功率開關管驅動壓縮機中的電機，使工作的不同速度下，均實現高效率制冷或制熱。以前，整流電源用傳統硅基快恢復二極管，會產生諧波，功率因數低，增加電網輸電線路的損耗。為了降低線路的損耗，國家電網出臺了有關諧波的要求。為了降低諧波，使得輸入的電壓和電流相位一樣，空調企業在整流電源中應用功率因數校正控制器（PFC），可以大大提升輸電效率。為了進一步減小PFC電抗體積，優化整體結構，提高系統的效率，由于IGBT的技術進步，例如英飛凌的WR6系列逆導型IGBT推動著變頻空調的PFC頻率已由目前的40kHz，向70kHz甚至更高的頻率設計， 這時碳化硅肖特基二極管替代傳統的硅基快恢復二極管優勢更明顯。

談到碳化硅肖特基二極管的優勢，三安集成市場銷售負責人明確指出，碳化硅肖特基二極管應用于空調，相比硅基快恢復二極管，主要優勢是溫升低，反向恢復時間近似于零（開關損耗可忽略），針對高頻PFC項目優勢尤為明顯。

整流電源通過應用碳化硅肖特基二極管提升輸電效率，進而提升空調產品能效，如果驅動電機應用碳化硅MOSFET，空調的能效水平則可進一步提高。《電器》記者了解到，與相同功率等級的硅基MOSFET相比，碳化硅MOSFET的尺寸只有硅基MOSFET的1/10，導通電阻是后者的1/100。與硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET的總能量損耗可降低70%。

雖然優勢突出，但是由于碳化硅器件成本高，導致其在各個行業的應用比例依然較小。Yole數據顯示，2021年，第三代半導體基功率器件的市場占比只有約6%。其中，碳化硅功率器件占比5%左右，市場規模約為8.5億美元。聚焦空調行業，三安集成市場銷售負責人透露，目前受成本所限，碳化硅肖特基二極管在空調市場的占比不高，約為5%，之后會逐步增多。

供應市場龍頭半導體企業盤踞

在碳化硅功率器件領域，外資企業占據絕對主導地位。Yole數據顯示，2020年，ST（意法半導體）、Wolfspeed、ROHM（羅姆）、Infineon（英飛凌）、Onsemi在碳化硅功率器件市場的占有率分別為40.5%、14.9%、14.4%、13.3%、7.7%，TOP5品牌占據了超過90%的市場。國內企業主要有三安光電、華潤微等。

碳化硅產業鏈分為上游、中游、下游3個環節：上游包括襯底和外延片的制備，中游包括芯片、器件或模組的設計、制造和封測，下游則是終端應用。Wolfspeed是碳化硅襯底行業的龍頭企業，在襯底環節占據60%的市場，并持續推動擴產。據了解，Wolfspeed的前身為Cree功率與射頻部門，專門生產碳化硅芯片，從Gree到Wolfspeed，搖身一變，Wolfspeed成為專注碳化硅技術的龍頭企業。目前，Wolfspeed正在向中游擴展，進入碳化硅功率器件領域。針對家電可以應用的碳化硅MOSFET和碳化硅肖特基二極管，Wolfspeed在2011年開發出了業界首款全面符合認證的碳化硅MOSFET，目前技術持續提升中。同時，Wolfspeed擁有種類廣泛的碳化硅肖特基二極管，實地工作時間超過兩萬億小時，有超過15年的研發和應用經驗。

作為最早做碳化硅器件的企業，英飛凌推出碳化硅產品已經有20年，擁有材料損耗低的晶圓冷切割技術和技術領先的溝槽柵碳化硅MOSFET器件技術等。談到英飛凌產品在家電應用領域的優勢，陳子穎說：“我們的優勢不僅在于深厚的產品技術積累，還在于在對家電應用領域有系統的理解。5年前，英飛凌建立了家電生態圈。在這個生態圈，有半導體公司，有周邊器件公司，有獨立設計公司，也有家電整機企業。通過這個生態圈，成員單位共同為家電提供最具性價比的技術和產品方案。我們會為家電應用定義產品，也會和客戶合作，聽取客戶的需求，幫助家電企業平衡系統的性能、成本。碳化硅作為一個新技術導入，我們正在不斷的為家電企業提供完整的碳化硅技術解決方案。”

關于智能模塊IPM，陳子穎特別指出，IPM是家電行業最喜歡的一種半導體封裝形式，自帶功率器件的驅動和保護，集成度高，系統成本也有優勢，使得系統電路設計也更方便快捷。英飛凌是第一個做碳化硅IPM的企業，英飛凌基于碳化硅IPM研發的全碳化硅空調方案，可以用在商用空調上。

聚焦家電行業，半導體企業的合作模式呈現多樣化，有的家電企業自己具備開發設計能力，半導體企業與之直接合作，有的家電企業沒有相關的研發設計能力，就由半導體企業將功率器件供應給設計公司，設計公司做成方案供應給家電企業。三安集成市場銷售負責人表示，針對不同的客戶，有不同的合作方式。三安集成從客戶的需求出發，有直接合作的方式，也有通過電機廠商和方案廠商與家電企業間接合作的方式。2021年6月，三安集成宣布湖南三安生產基地一期開始點亮投產，全面建成后，6英寸碳化硅晶圓月產能可達3萬片，將成為國內首條碳化硅垂直整合產業鏈。目前，三安集成已經開始向空調企業批量供貨。有業內人士透露，三安集成已經實現了向格力、長虹等批量供貨。

前景廣闊受關注

雖然碳化硅功率器件在家電上的應用目前還局限于空調，但是空調將是家電行業“認識”碳化硅技術的一個“窗口”。

事實上，2020年7月1日起實行新能效標準以來，空調對能效要求更高，進一步增加了碳化硅功率器件在空調上的應用機會。“目前，主流空調廠商都有在布局碳化硅項目，合作需求會進一步擴大。”三安集成市場銷售負責人說。

在第四屆家電產業上下游協同推進會集成電路分會上，青島海爾空調器有限總公司電控模塊長劉聚科談到空調領域的芯片應用趨勢說：“直流家電產品將成為未來的發展趨勢，通過與能源側產業的優勢互補，實現對這種新能源的高效利用，將是下一步的重點研究方向。海爾空調向低能耗、高能效方向發展，在關鍵的電控系統上不斷探索新節能技術。在變頻控制器采用的核心半導體部件上，海爾空調積極研究采用具備低損耗特性的新材料技術。比如，采用第三代化合物半導體碳化硅、氮化鎵這些低損耗、高可靠材料的新型半導體。”

除了空調，三安集成市場銷售負責人認為，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、商用滾筒洗衣機以及其他有大于500W的PFC拓撲結構電路設計的家電。目前，三安集成在電視機、商用滾筒洗衣機等領域進行推廣，已有電視機頭部企業在測試評估，預計2022年內會達成合作。但是由于碳化硅功率器件成本相對較高，合作暫時還沒有形成，大量應用還需要一些時間，發展前景主要還是看行業的普及度、頭部企業的帶頭作用。

“事實上，家電行業不只是空調變頻化，能效水平需要提升，洗衣機、冰箱等都在加速變頻化，能效提升也是產品升級的重要指標。因此，碳化硅技術在家電行業的應用前景將非常廣闊。”陳子穎強調。不過，他也指出：“雖然碳化硅技術優勢顯著，但家電企業不能為了用碳化硅而用碳化硅。譬如，在功率因數校正電路中，只有IGBT開關損耗特性足夠好的時候才需要用碳化硅肖特基二極管技術作為配套，這樣才能充分發揮電路的優勢，發揮IGBT的優勢，發揮碳化硅的優勢，進而更好地提高產品能效。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勢產品組合。”