功率器件是充电桩充电模块的核心部件，碳化硅器件应用有望得到进一步推广

充电模块作为充电桩的核心部件，其核心功能的实现主要依托于功率半导体器件发挥整流、稳压、开关、变频等作用，随着用户更加追求充电系统的小型化、高效化，功率器件作为充电桩的核心器件，也面临着不断优化和升级。

——目前国内充电桩所采用的功率器件主要是硅基MOSFET和IGBT。

MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）是一种较为成熟的功率器件，更适用于中小功率应用场景，具有工作频率高、驱动功率小、抗击穿性好、电流关断能力强等优点，应用范围广泛。据Yole数据，MOSFET已占据功率器件市场最大份额，市场规模有望从2020年75亿美元增长至2026年的94亿美元。MOSFET在充电桩当中是实现电能高效转换、增强充电桩稳定性的关键器件，受益于充电桩市场的快速发展迎来增长机遇。

IGBT是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，是电力电子领域较为理想的开关器件。相对于MOSFET，IGBT拥有电导调制效应，能够承载更高的电流密度，同时克服了MOSFET通态电阻随电压升高而增大的问题，在高压系统中更具优势。IGBT在充电桩当中同样作为核心开关器件应用，在充电模块工作时，三相交流电源经过整流滤波后转为直流输入电压供给IGBT桥，控制器通过驱动电路作用于IGBT将直流电压转换为脉宽调制的交流电压，交流电压经高频变压器变压隔离后，再次经过整流滤波后得到直流脉冲，对电池组进行充电。

IGBT相比传统MOSFET应用于充电桩具有技术优势

资料来源：公开资料

——超级结MOSFET是对传统MOSFET的结构改进。充电桩向高压架构发展的趋势促进高性能MOSFET在充电桩市场的应用。由于耐压能力与N-外延层的厚度成正比、与掺杂浓度成反比，因此为提高平面MOSFET的击穿电压需要增加外延层厚度并降低掺杂浓度，此时会带来导通电阻急剧增加、开关损耗增大的不利影响。IGBT通过引入少数载流子导电来降低导通压降的方式会导致关断时产生电流拖尾，增加了开关损耗，同时开关频率也会降低。

超级结MOSFET通过改进器件结构，具备更好的导通特性。相比平面MOSFET，超级结MOSFET通过在漂移区设置多个P柱，形成交替PN结结构。在器件关断时，P区和N区的电荷相互平衡而建立的耗尽层具备极高的耐压性，从而使得提高器件击穿电压不再有赖于增加外延层厚度并降低掺杂浓度。在器件导通时，漂移区掺杂浓度提升，从而形成低导通电阻的电流通路。因此超级结MOSFET能够在保证较低导通电阻的同时大大提高耐压性，并可以进一步提高功率密度和工作频率。

在公共直流充电桩所需的工作功率和电流要求下，超级结 MOSFET 以其更低的导通损耗和开关损耗、高可靠性、高功率密度正在逐步占据更大的市场份额，并将充分受益于充电桩的快速建设。据 Omidia 和 Yole 预测，2020 年全球超级结 MOSFET 晶圆出货量（折合 8 英寸）约为 23.8 万片，2025 年将增长至 35.1 万片，CAGR 达 8.1%，增长速度约为普通硅基 MOSFET 的两倍左右，同时全球超级结MOSFET 产品市场规模也将于 2024 年达到 10 亿美元。

目前英飞凌、安森美、意法半导体、东芝等海外巨头，以及国内华润微、新洁能、士兰微、华微、东微半导体等龙头厂商均已布局超级结 MOSFET 产品。FOM（Figure of merit）作为导通电阻 Ron 与门极电荷 Qg 的乘积，是衡量功率器件性能优劣的重要指标，由于Ron 越小说明企业导通损耗越小，Qg 越小说明器件开关速度越快、动态功耗更小，因此 FOM 越小反映功率器件综合性能越优良，据东微半导招股说明书，公司于 2016 年成为率先量产充电桩用高压超级结 MOSFET 器件的本土企业，目前已在充电桩市场积累了英飞源、英可瑞、特锐德、永联科技等终端知名客户，产品广泛应用于新能源汽车直流充电桩等领域。

各厂商600V平台超级结MOSFET产品技术参数比较

资料来源：各公司资料

——碳化硅功率器件：材料改进推动解决充电难题。为缩短充电速度、与产业链协同共同向高压架构迈进，功率半导体器件应具备更优良的耐高压特性。与硅材料相比，碳化硅材料具备更高的带隙和击穿电压、更高的热导率、更低的理想本体迁移率以及更大的电子饱和速度，从而碳化硅器件具有耐高压、耐高温、导通损耗小、开关速度快的特性。

碳化硅和硅材料性能对比

来源：英飞凌工业半导体

由于碳化硅材料拥有更高的击穿场强，克服了硅材料导通电阻随耐压性增强而增大的缺点，在相同的击穿电压下，碳化硅可以制成标准化导通电阻（单位面积导通电阻）更低的器件。据ROHM，900V平台下相同导通电阻的SiCMOSFET芯片尺寸仅为硅基MOSFET的1/35、超级结MOSFET的1/10。

相比IGBT，碳化硅器件不需要进行电导率调制即能够实现高耐压、低阻抗，开关速度更快。在功率器件开启或关闭时，由于IGBT关断时存在拖尾电流，与IGBT搭配使用的FRD在开关过程中也存在较大的反向恢复电流，因此充电桩中应用IGBT模块会导致较大的导通损耗。与硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET的反向恢复电流和反向恢复时间明显减少，换流速度的加快也有助于减少开关损耗、实现散热部件的小型化。此外，IGBT较大的开关损耗限制其在20kHz以上高频区域的使用，而碳化硅MOSFET可以进行50kHz以上高频开关，有助于无源器件的进一步小型化。

据半导体投资联盟，与传统硅器件相比，碳化硅模块可以帮助充电桩提升近30%的输出功率、减少50%左右的损耗，并增强充电桩的稳定性。而针对推广大功率充电桩面临的成本制约，尤其是在城市寸土寸金的繁华地段建设充电桩面临的城市空间成本，碳化硅器件能够大大简化充电模块电路结构，提高充电桩的功率密度，降低充电桩系统应用成本。据英飞凌工业半导体，采用SiCMOSFET的三相全桥PFC整流电路，相比Vienna拓扑电路，能够大大减少功率器件数量、简化电路结构，碳化硅器件更高的开关频率也可以降低电感的感量、尺寸和成本。另一方面，采用SiCMOSFET的DC/DC电路，可由原来的三电平优化为两电平LLC，进一步简化拓扑电路、提高LLC电路开关频率的同时，可以减少磁性器件的尺寸和成本以及系统散热成本。结合考虑各方面成本以及使用体验，碳化硅器件在充电桩市场拥有巨大的市场潜力。

英飞凌、安森美、罗姆、三安光电、华润微、泰科天润等功率半导体龙头厂商均已推出可用于充电桩领域的碳化硅芯片或器件。2017年4月我国首个碳化硅新型充电桩示范工程于北京启动，参与企业包括北京华商、泰科天润、许继电源、青岛特锐德、中兴通讯等，标志着我国碳化硅新型充电桩迈出实际应用的第一步。据半导体投资联盟，2021年钛芯电子与湖南崇友智能科技、上海玫克生储能科技合作开发基于碳化硅的160kW直流快充桩产品，合作金额达30亿元人民币。据充电桩视界，2021年9月连云港灌源科技有限公司“基于碳化硅功率器件的电动汽车间应急快速充电装置研究”项目获江苏省科技厅立项支持，碳化硅充电桩项目在充电桩市场的应用已经拉开序幕。

现阶段碳化硅模块在充电桩市场当中渗透率较低。目前碳化硅价格仍是硅基IGBT的3-4倍，而充电桩行业竞争激烈，对成本控制要求高，现阶段碳化硅模块在充电桩市场当中渗透率较低。而碳化硅SBD工艺成熟，且碳化硅SBD在原理上不会发生少数载流子的积聚现象，只产生基本不随温度和正向电流而变化的小电流，因此用碳化硅SBD替换FRD、与硅基IGBT配合使用同样可降低恢复损耗、提高电源效率，并降低由恢复电流引发的噪音。据充电桩视界，以碳化硅SBD替换FRD可以大大地提高ViennaPFC整流电路效率，整体效率可以提升0.5%左右。因此相比纯碳化硅方案，目前硅基IGBT+碳化硅SBD混合方案应用更为广泛，未来随着全球碳化硅衬底产能的逐步释放、工艺控制改善下良率的不断提升以及技术方案的不断成熟，碳化硅器件的价格有望呈现下降趋势，其充电桩市场的应用有望得到进一步推广。

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资料来源：英飞凌官网