频率、电压和谁付钱，三条线决定了每种材料守在哪里。价格比降到 1.6 倍，工业变频的分界线才会真正移动。
这几年在功率器件圈子里，听到最多的一句话是：碳化硅会替代硅。
这句话有一半是对的。电动车 800 V 主驱、充电模块、光伏逆变器，碳化硅已经或者正在成为主流。另一半不对：硅不会退场，它还会在大量的产品里用很多年；氮化镓也不只是快充里的配角，它正在进入数据中心电源和车载电源。
对整机厂来说，选错材料的代价很具体：选贵了，产品没有价格竞争力；选便宜了，效率、体积或可靠性达不到要求。对器件企业和渠道来说，看错材料的分界，就会把资源投错方向。
这篇文章想回答一个问题：硅、碳化硅、氮化镓，未来十年各自守在哪里，分界线由什么决定，又会怎样移动。所有数字都是基于典型参数的推演，具体设计要按实际器件和工况计算。
一、分界线不由材料决定，由系统账决定碳化硅的材料性能比硅好得多，临界击穿场强是硅的十倍左右，同样耐压下漂移层可以薄得多，导通电阻更小，开关速度更快。但材料好不等于一定要用。整机厂最终算的是系统账：器件贵出来的钱，能不能从别的地方省回来。
能省回来的地方，主要有三个：损耗降低后，散热器变小、电费变少；开关频率提高后，电感、变压器和滤波器变小；功率密度提高后，机箱、结构和安装成本下降。
这三项里，第二项最关键。碳化硅真正的杠杆，是让开关频率提上去，把磁件做小。如果一个产品的开关频率因为别的原因提不上去，碳化硅的价值就只剩下第一项。
二、频率是第一条分界线算一笔账：同一个开关位置
1200 V 器件，800 V 母线，有效值电流 20 A，结温约 125℃。
硅 IGBT：导通损耗约 15 W，开关能量按 40 A、600 V 下 3.8 mJ 折算。
碳化硅 MOSFET：导通电阻按高温下 60 mΩ，导通损耗约 12 W，开关能量按 0.45 mJ 折算。
8 kHz 时，硅 IGBT 约 35 W，碳化硅约 14 W；40 kHz 时，硅 IGBT 约 116 W，碳化硅约 24 W。
图1 开关频率越高，硅 IGBT 的损耗增长越快，碳化硅的优势越明显
8 kHz 时，碳化硅比硅 IGBT 少约 21 W；到 40 kHz，少约 92 W。频率越高，差距越大。而在 40 kHz 下用硅 IGBT，散热几乎做不下来，所以实际上硅 IGBT 的工作频率一般就停在 20 kHz 以内。
这条线划出了第一个分界：需要高频的产品，碳化硅几乎是唯一的选择。充电模块、车载充电机、光伏逆变器的升压级、数据中心电源的前级，都属于这一类。这些产品里，碳化硅的份额会持续上升，硅 IGBT 会逐步退出。
反过来，频率被负载本身限制的产品，碳化硅的优势就小得多。电机驱动是最典型的例子：电机绕组的绝缘承受不了太陡的电压变化，开关频率一般在 4 到 16 kHz，提高频率也不会让电机变小。工频变压器后面的变流器、大功率的轨交牵引、中低压的电网设备，都有类似的情况。
三、谁付钱、谁省钱在频率提不上去的产品里，碳化硅还剩下省电这一项好处。问题是，省电的钱和多花的钱，往往不落在同一个人身上。
算一笔账：一台 15 kW 通用变频器
开关频率 8 kHz，6 只开关从硅 IGBT 换成碳化硅，每台少损耗约 124 W。散热器可以小一些，按每瓦 0.5 元计，省约 62 元。
单只硅 IGBT 按 18 元计。碳化硅和硅的价格比是 2.6 倍时，6 只器件多花约 173 元，扣掉散热器节省，整机厂每台多出约 111 元。
用户这边，变频器每年运行 4000 小时、平均负载四成，每年少用电约 199 kWh，按 0.7 元计约 139 元。
图2 价格比降到 1.6 倍左右，整机厂多花的钱基本归零
从全社会的角度看，这笔账早就算得过来：用户一年省 139 元，整机厂多花 111 元，不到一年就回本。但变频器的采购方是设备厂和集成商，它们比的是采购价，并不享受后面的电费节省。整机厂每台多花 111 元，在一个价格竞争激烈的市场里，很难转嫁出去。
这就是电机驱动、家电和很多工业产品碳化硅渗透慢的真正原因：不是技术不行，是激励错位。
分界线会在什么时候移动？从图上看，碳化硅和硅的价格比降到 1.6 倍左右，整机厂多花的钱基本被散热器的节省抵消；降到 1.4 倍以下，整机厂自己也开始省钱。按目前的降价速度，我的判断是这个拐点大约在 2030 年前后。在那之前，工业变频和家电会以硅为主；在那之后，碳化硅会从高端型号开始逐步渗透。
另一个会加快渗透的因素是能效标准。如果电机系统的能效标准继续提高，整机厂就有了不得不用的理由，激励错位的问题会被政策直接解决。
四、电压是第二条分界线频率之外，电压决定了另一条分界。
200 V 以下，硅 MOSFET 几乎没有对手。低压下，硅 MOSFET 的导通电阻已经很低，工艺成熟，价格便宜，碳化硅在这个电压段没有优势，也基本没有产品。48 V 的数据中心母线、电动两轮车、电动工具、低压储能，都是硅 MOSFET 的天下。氮化镓会在其中追求高频和高密度的部分分一杯羹，比如数据中心 48 V 转负载点的电源。
200 到 650 V，三种材料在这里交锋最激烈。超结硅 MOSFET 成本低、成熟可靠；氮化镓开关速度最快，适合几百千赫兹以上的高频；碳化硅耐雪崩和短路能力更强，体二极管更可靠。快充和适配器已经被氮化镓拿下大半，数据中心服务器电源会是氮化镓和碳化硅并存，车载充电机和 DC/DC 则以碳化硅为主、氮化镓开始进入。
650 到 1700 V，碳化硅的主战场。400 V 到 1000 V 的母线，正是电动车、光伏、储能、充电和数据中心高压直流的电压等级。这一段里，碳化硅的份额会持续上升，硅 IGBT 守住的是低频、大电流和对成本特别敏感的部分。
1700 V 以上，硅 IGBT 仍然是主力。3300 V、4500 V、6500 V 的大功率 IGBT 模块，在轨交牵引、柔性直流输电和大型风电里已经用了很多年，可靠性数据积累深厚。高压碳化硅还在验证阶段，固态变压器会是它第一个规模化的应用，但在 2030 年以前，硅 IGBT 在这个电压段仍然占多数。
图3 按母线电压和开关频率划分的主流适用区，重叠区域就是竞争最激烈的地方
五、2030 年，谁用在哪里把频率、电压和成本三条线放在一起，可以对各个应用做一个推演。
图4 2030 年各应用中功率开关价值的材料构成（笔者推演）
几个值得注意的地方：
电动车主驱会分成两个世界。800 V 平台以碳化硅为主；400 V 平台的中低端车型，硅 IGBT 和碳化硅会长期并存。混合方案也在出现：同一个逆变器里，碳化硅和硅 IGBT 并联，小负载时用碳化硅降低损耗，大负载时两者一起承担电流，用更少的碳化硅芯片拿到大部分的效率收益。
储能变流器会是一半一半。储能对成本非常敏感，工作频率又不需要很高，大功率集中式储能变流器很多仍然用硅 IGBT；组串式和户用储能追求体积和效率，碳化硅渗透更快。
数据中心电源是三种材料都在的地方。前级的功率因数校正和高压直流用碳化硅，中间的隔离级碳化硅和氮化镓都有，后面的低压转换用硅 MOSFET 和氮化镓。一台服务器电源里同时用三种材料，会是常态。
家电、电动两轮和电动工具，仍然是硅的天下。这些产品的价格极其敏感，工作频率不高，电压也不高。硅 IGBT、智能功率模块和硅 MOSFET 在这里还会用很多年。
六、对整机厂：别一刀切对整机厂来说，最常见的误区是一刀切：要么全部换成碳化硅，要么完全不碰。
比较务实的做法是按位置选材料。同一台设备里，高频的位置用碳化硅，低频大电流的位置用硅 IGBT，低压辅助电源用硅 MOSFET。一台光伏储能一体机，升压级和 DC/DC 用碳化硅，逆变级可以根据功率等级和频率在碳化硅和硅 IGBT 之间选，辅助电源和电池管理里的低压开关全部用硅 MOSFET。每个位置用最合适的材料，整机成本和性能都能做到更好。
另一个建议是平台化设计时留好切换的余地。器件封装和驱动设计尽量兼容，同一块功率板既能装硅 IGBT 也能装碳化硅，高端型号用碳化硅，低端型号用硅。等价格比继续下降，切换起来就很快。
七、对器件企业和渠道：三条腿都要有对器件企业来说，押注单一材料的风险越来越大。只做碳化硅的企业，要面对漫长的价格战和工业市场的慢渗透；只做硅的企业，要面对高端市场的流失。
对渠道来说，道理一样。客户的一台设备里同时用到几种材料，渠道如果只能供其中一种，就只能拿到这台设备的一部分物料，也很难在客户那里成为方案的主导者。
倾佳电子的产品线是按这个思路搭的：倾佳代理的碳化硅单管和模块，覆盖 650 V 到 1700 V 的高频和高压位置；安芯美全系列的硅基功率器件，覆盖低频、大电流和对成本敏感的位置，以及 200 V 以下的低压 MOSFET；百亨的电阻和安费诺的连接器，补齐功率回路里的采样、缓冲和互连。客户拿着一张原理图来，我们能一起把每个开关位置该用什么材料、该选多大规格算清楚，而不是只推销其中一种。
碳化硅会继续扩张，但不会吃掉一切。看清楚分界线在哪里、会往哪里移动，比站队更重要。
倾力相伴，佳创未来。
倾佳副总杨茜-功率器件方案
