新基建”風起云涌，在此之下國家電網啟動新一輪充電樁建設熱潮，計劃安排充電樁建設投資27億元，新增充電樁7.8萬個，項目分布在北京、天津、河北、上海、江蘇、湖南、青海等24個省（市），涵蓋公共、專用、物流等多種類型。作為第三代半導體材料，SiC（碳化硅）在寬禁帶和擊穿電場方面都有優良性能，因此在電子電力領域比如光伏逆變器、新能源汽車的電機控制器以及充電樁等有廣泛應用。那么這一輪充電樁建設能否為國內碳化硅功率器件以及充電樁企業注入新的動力？
充電樁剛性需求，碳化硅應用滲透加深
在半導體材料領域，碳化硅與氮化鎵無疑是當前最炙手可熱的明星。其中，碳化硅擁有高壓、高頻和高效率等特性，其耐高頻耐高溫的性能，是同等硅器件耐壓的10倍。因此，碳化硅在光伏逆變器、新能源汽車的電機控制器以及充電樁等應用中，相比于傳統硅器件有著很大優勢。
伴隨著新能源汽車崛起，應用需求的激劇增多，真正將碳化硅推到風口浪尖上。對于新能源電動汽車而言，目前車用功率模塊主要采用IGBT，據了解，一輛電動汽車中，IGBT占據總成本近10%。但采用碳化硅材料的功率器件在新能源汽車中擁有更好的性能，如目前全球電動車出貨高居第一的特斯拉，旗下model系列車型就在業內率先采用了碳化硅功率器件替代IGBT，因此擁有領先于競爭對手的電氣性能，并在電池容量相當的情況下獲得相比競品更長的續航里程。
但目前來看，碳化硅功率器件在新能源汽車上應用還較少，原因主要在于成本限制。不過，由于使用率高，并且主要用于停車場的使用場景，所以對于充電樁而言，小體積、高可靠性便成為了剛性需求。因此，可提供高功率密度、耐高溫的碳化硅功率器件，自然成為電動汽車充電樁的最佳選擇。
英飛凌大中華區工業功率控制事業部市場高級經理陳子穎
對于SiC在充電樁中的應用，英飛凌大中華區工業功率控制事業部市場高級經理陳子穎在接受《華強電子》采訪時表示：“功率半導體是英飛凌的主要業務，應用范圍覆蓋新能源發電，輸配電和用電。碳化硅是我們新的業務增長點。碳化硅MOSFET是寬禁帶高速器件，可以實現高壓大電流高速開關，從而使得相關應用的實現帶來革命性的變化，直流充電樁就是其中之一，碳化硅也進一步推動了直流充電樁的發展。”
另一方面，盡管碳化硅成本相比傳統硅器件高，但在充電樁的應用中，由于功率密度提高，反而能夠降低充電樁的系統成本。陳子穎補充到：“充電站是基礎設施，其成本構成比較復雜，但城市空間成本會是主要方面之一，所以充電樁的功率密度就至關重要，碳化硅器件是實現高功率密度的關鍵。碳化硅器件作為高壓，高速，大電流器件，簡化了直流樁充電模塊電路結構，提高單元功率等級，功率密度顯著提高，這為降低充電樁的系統成本降低鋪平了道路。”
碳化硅固然成本高，但其優勢是否能抵消成本上的劣勢，則要與使用場景相適配。具體而言，在充電樁應用最廣的城市場景中，選址一般選在繁華地段，地租昂貴，因此對體積有很高要求。目前支持快充的電動汽車，充電功率可以達到150kW，近期保時捷推出的電動跑車Taycan更是將快充功率提高到250kW。可想而知，若要組建一個擁有多個快速充電樁的電動汽車充電站，則需要達到百萬W級別的功率，與一個小區的用電規模相當。
據陳子穎透露，采用英飛凌的碳化硅單管，充電模塊的功率可以達到30kW以上。采用英飛凌的碳化硅模塊，充電模塊的功率可以達到60kW以上。而采用MOSFET/IGBT單管的設計還是在15-30kW水平。從單管設計的充電模塊功率對比中，不難看出在相同功率等級下，采用碳化硅功率器件相比硅基功率器件可以大幅降低模塊數量。因此，對于城市大功率充電站、充電樁，高成本所帶來的小體積，在特定場景或高端產品中是有很大優勢的。
不過，需要面對的事實是，目前碳化硅在充電樁中滲透率并不高。以“快充”應用為主的直流充電樁為例，據CASA測算，電動汽車充電樁中的碳化硅功率器件的平均滲透率在2018年僅達到10%。
上海瞻芯電子科技有限公司創始人兼總經理張永熙博士認為，目前主流的充電樁模塊，依然是以硅基MOSFET和IGBT為主；而碳化硅二極管現在已經批量出貨，在充電樁上的應用還是主要用于大功率高端產品中。但他也表示：“相信在未來以更高功率密度為需求的充電樁模塊中，碳化硅尤其是碳化硅MOSFET的應用會越來越多。”
盡管目前來看，充電樁市場中碳化硅功率器件的滲透率并不算太高，但在2019年，隨著下游特斯拉等車企開始大量推進碳化硅解決方案，國內的廠商也將會快速跟進。以比亞迪為代表的整車廠商開始全方位布局，在充電樁以及整車中將會越來越多采用碳化硅器件。而根據CASA的預測，由于電動汽車對于充電速度的要求提升，直流充電樁的需求會進一步增長，因此碳化硅在充電樁領域的滲透將快于整車市場。
成本桎梏亟待解決，碳化硅6英寸襯底有望價格砍半
目前碳化硅在充電樁市場中滲透率不高，主要原因歸根到底還是在于成本。業內資深專家袁工向《華強電子》記者表示：“在功率器件領域，電壓等級不同器件價格有所差異。在同電壓等級下，碳化硅功率器件的價格大概是傳統硅器件的1.5倍到2倍之間。”
在一般充電樁中，充電模塊作為核心部件，占充電樁總成本的比例高達50%，其中充電模塊的主要成本在于IGBT。而碳化硅作為替代產品相同電壓等級下成本相比IGBT高出1.5倍甚至2倍，這顯然是下游生產商們難以承受的。
事實上，早在19年前，英飛凌便率先發布了碳化硅SBD（肖特基二極管）；2010年，羅姆半導體成功量產碳化硅MOSFET產品。但時至今日，碳化硅功率器件由于種種原因，價格仍無法下降到可以廣泛應用的程度。
張永熙博士認為，碳化硅功率器件成本高，主要是由于材料成本上存在不少問題，首先是襯底單晶生長難。不同于硅材料的生長，將多晶硅融化后拉單晶可以做成晶錠。碳化硅則是采用高溫等氣相淀積的方法來生長，它沒有液體的形態，達到2700度高溫后直接從固態升華成氣態，所以材料生長在批量生產中很困難。
另一方面，對于碳化硅MOSFET而言，合格率也是一個挑戰。即使是碳化硅龍頭企業Cree，在去年一個季度的財報中也專門提到了，其6英寸碳化硅晶圓在上量過程中出現合格率低的問題。“要改善碳化硅MOSFET良率，除了在芯片制造領域加強工藝控制外，還需要在測試端完成CP測試、FT測試、篩選測試等步驟，來發現具體問題以改善制造工藝。”張永熙補充到。
而在降低成本方面，英飛凌也在做相關的投入。據陳子穎介紹，英飛凌收購了位于德累斯頓的初創公司Siltectra，這家初創公司研發了冷切割（ColdSplit）這一創新技術，可高效處理晶體材料，并最大限度減少材料損耗。英飛凌將利用冷切割技術切割碳化硅晶圓，使單片晶圓可產出的芯片數量翻倍。
陳子穎坦言：“確實碳化硅器件成本會比硅器件高，但是它已經與90年代初IGBT單管的價格相當了。碳化硅材料成本比硅高是難以改變，但隨著碳化硅整個產業鏈的技術成熟，碳化硅器件成本一定會有顯著下降。”
眾所周知，半導體器件中，無論是硅基半導體還是化合物半導體，其晶圓襯底尺寸都逐漸往大尺寸方向發展。目前能夠批量出貨的碳化硅襯底最大為6英寸，國際上8英寸襯底也正在向量產穩步推進，但主流的仍是4英寸襯底。
對于目前主流的4英寸碳化硅襯底，張永熙認為其優勢將會越來越弱：“盡管目前從價格上看，4英寸碳化硅襯底材料成本不到6英寸的一半，對于一些低端器件如碳化硅二極管等，4英寸還有一定競爭力。但隨著碳化硅材料進一步成熟，6英寸降價空間非常大。在未來的3到5年內，6英寸將會降到今天4英寸的價格，這是大勢所趨。”
充電樁納入新基建，如何影響碳化硅器件市場？
充電樁被納入新基建概念后，一時間引起了社會各界的強烈關注。一方面是電動車企在關注充電樁這樣的基礎服務設施建設情況，充電樁企業則在政策利好下尋求更多機會；另一方面，政府將新能源汽車作為帶動消費的重要領域，而充電樁建設則是為人們購買新能源汽車創造出良好環境，因此各地政府也同樣關注充電樁建設進度。
據國家發展改革委產業發展司副司長蔡榮華透露，截至2019年底，全國充電樁總數已經達到了122萬個，其中公共樁52萬個，私人樁70萬個。同期數據顯示，全國新能源汽車保有量為381萬輛，車樁比約為3.1比1。盡管在快充技術的發展下，新能源汽車充電時間已經越來越短，高車樁比也不再是剛需。但正因為快充技術的日新月異，導致充電樁的迭代更替也成為了一個棘手的問題。
這次國家電網展開的新一輪充電樁建設，計劃新增充電樁7.8萬個，在建設完成之后將達到16.6萬，超越目前保有量最多的特來電。國家電網作為“裁判”入場“搗局”，或許只是需求激發的第一步，隨著電動車進一步蠶食傳統燃油車份額，對于充電樁的需求必然有增無減。
因此，在充電樁技術迭代以及數量需求雙重利好下，將帶動產業鏈徹底迎來爆發。而其中作為快充技術“剛需”的碳化硅功率器件，未來在充電樁中的滲透率不斷提高的同時，在這片“藍海”市場中，是否會引來眾多新玩家入局，引來行業競爭加劇？陳子穎表示：“半導體是高投入的行業，需要靠規模效應獲得競爭優勢，產能利用率和成品率等直接影響產品的成本。產品的優勢更依賴于產品技術，生產技術本身。”
確實，在半導體領域，技術永遠都是第一生產力。要在行業中站穩腳跟，要有強大的技術實力支撐企業的競爭力。而在碳化硅產品方面，英飛凌采用其溝槽柵技術的碳化硅產品在柵極可靠性方面與平面柵有著固有的優勢，驅動電路可以比較簡單，碳化硅模塊可以實現各種電路拓撲，為工程師的創新提供一個重要平臺。陳子穎透露，目前市面上功率等級最高的商業化充電模塊，就是采用英飛凌Easy B封裝的碳化硅實現的。
同時，要在碳化硅領域有所建樹，還需要持續且量大的資金投入。據一位業內人士透露，一家碳化硅襯底材料廠僅一個月水電費就需要200萬。而新入場的玩家即使能夠解決資金問題，但在上下游能否獲得足夠的支持，產品相比老牌廠商如何突出優勢，也是難以解決的。
碳化硅襯底方面，目前高端產品仍以國外產商如Cree、羅姆等為主，但國內目前也有天科合達、山東天岳等已經有多年的發展歷史，產品也相對穩定。在器件以及模塊方面，國內企業與英飛凌、羅姆等國外廠商技術差距較大。目前在相對低端的碳化硅二極管方面，國內如泰科天潤的產品已有廣泛應用，高端的碳化硅MOSFET雖有小批量生產，但技術指標仍需要時間追趕。
陳子穎認為：“作為新的快速增長市場，充電樁是電力電子應用一個細分市場，也是英飛凌一直關注的市場，英飛凌產品和產能可以滿足這一新興市場的需求。但是半導體從晶圓到最后封裝測試生產周期比較長，整個生態圈的各個環節，需要了解市場特點和規律，迎接市場。”
在面對新基建政策利好，碳化硅在新能源汽車以及充電樁領域擁有巨大市場潛力。對于國內功率器件領域的企業而言，抓住新技術的風向固然重要，但并不等同于快速擴充產能。相比之下，以市場真實需求為導向，深耕細分領域，提升產品性能更為重要。當企業規模足夠時，控制成本下降，才有機會在快速增長的市場中擁有更大競爭力。
