10月12日，国家铁路局印发《铁路科技创新“十五五”规划》，在主要目标及重点任务中明确提出要攻克高压SiC芯片工艺等自主可控技术。这意味着，SiC技术将成为未来国家轨道交通体系建设的关键一环。
据调研了解，SiC技术在轨道交通已不是新鲜事物，而是处于一个循序渐进的渗透过程。目前，中国、日本、欧美等地的列车均已批量搭载碳化硅技术。据测算，仅中国高铁与城轨存量替换，用量就可能突破百万片碳化硅晶圆。
本文将重点解答两大核心问题：全球及中国SiC在轨交的应用进展如何？单趟列车的碳化硅用量与市场空间有多大？
据广州城建交通院资料，轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统。常见的轨道交通有铁路（如高铁、火车等）、城市轨道交通（如地铁、轻轨等）和APM（旅客自动运输系统）等形式。
目前，轨道交通既是国家及城市公共交通的骨干，也是能耗大户。据中国城市轨道交通协会数据，2025年全国城轨交通总电能耗290.08亿千瓦时，同比增长7.35%。其中，牵引能耗占总电能耗的比例为52.22%，达到151.47亿千瓦时，同比增长7.05%。
牵引变流器（包括逆变器、控制单元等）是轨道交通牵引传动系统的核心部件，负责将直流接触网获取的电能转换为适合牵引电机运行的变频交流电，从而驱动列车前行。过去，轨道交通牵引系统应用的功率器件普遍为硅基 IGBT 器件，主要有1.7kV、3.3kV、4.5到6.5kV四个电压等级。
轨道交通不同变流装置采用SiC 来源：行家说三代半、中国中车
随着高效节能要求的不断提高，轨道交通正逐渐从传统的硅基IGBT技术跨越到碳化硅MOSFET技术。中车首席技术专家刘国友曾经表示，得益于碳化硅器件本身的高频、高温特性，其具有更低的损耗，整个牵引变流器可以在体积、重量设计方面进行优化，整个牵引系统效率也可以提高三个百分点。
因此，各国近年来都在轨道交通体系中加速导入SiC技术。中国部分企业在2015年就启动了轨道交通SiC技术的研发。而在2021年8月，中国交通运输部就已开展试点工作，在预期成果中提到，通过3～5年时间，在动车和城轨牵引系统中完成SiC MOSFET装车应用。
据不完全统计，截至目前，国内已经有近20条轨道交通线路采用了SiC牵引变流器/辅助变流器，主要包括广州、深圳、上海等城市的地铁线路。2026年，SiC技术的渗透进程持续加快，广州地铁11号线、上海地铁22号线（崇明线）、苏州地铁3号线相继采用SiC技术，覆盖牵引系统、辅助供电系统等场景。
另一方面，日本及欧美地区也在积极采用SiC。据了解，日本是全球在轨道交通领域较早并且广泛采用SiC的国家之一。日本轨道交通网络由多种类型的公司共同运营，主要可以划分为JR集团（原日本国有铁道）、地铁、私铁三大类。
截至目前，日本已经有超40条轨道交通线路采用了SiC技术，包括JR东日本、JR西日本、JR北海道、东京地铁、大阪地铁等主要线路，且逐渐从混合SiC技术向全SiC技术靠拢，供应商包括三菱电机、东芝电子、日立、富士电机等。
今年10月，东京地铁还与三菱电机联合宣布，将为东西线05系列车引入新的电机系统，其中集成了SiC逆变器。据其透露，每列10节车厢的列车将安装16台电机，配备新系统的列车计划于12月开始商业运营，并计划在2030财年之前将其应用于9列列车。
欧洲方面，2014年欧盟、欧洲铁路局就启动了4.5亿欧元（约35亿人民币）的Shift2Rail项目，重点开发基于SiC半导体的铁路牵引转换器。西门子、CAF、庞巴迪和阿尔斯通等公司则通过参加PINTA等项目引入了SiC器件技术，目前英国、德国、波兰等国家已经成功在地铁等线路上落地SiC技术。
而在今年3月，美国纽约大都会运输署（MTA）也表示，纽约市历史上规模最大的地铁车辆升级工程正在进行中。据透露，该工程基本订单为1140辆地铁列车，并可能增购1250辆列车，下一批 R262 型新车将配备碳化硅逆变器等先进技术。
由此可见，凭借在效率、体积及全生命周期成本上的显著潜力，SiC技术已确认为下一代轨道交通技术演进的核心方向，其规模化应用的时代正在全面到来。
目前，地铁、列车及机车中的牵引逆变器典型直流母线电压通常为1500V或3000V，其标称功率覆盖150kW至1.4MW范围。
从系统架构与器件用量来看，不同电压等级下的技术路线具有差异化。瑞士西北应用科学与艺术大学电力系统研究所于2026年发表的论文中提到，在1.5kV直流母线系统中，行业标准选择是采用3.3kV功率开关的三相两电平（2L）逆变器拓扑。在这一结构下，Si基IGBT与SiC MOSFET均使用3个半桥模块（每相1个）。
图：ANPC 拓扑结构示意图，蓝色方框内标示了半桥功率模块的位置
而在3kV直流母线系统中，Si基IGBT可采用6.5kV耐压器件，维持两电平（2L）拓扑。但受限于目前商用SiC器件的耐压水平（多为3.3kV），SiC方案则需改用三电平（3L）有源中点钳位（ANPC）拓扑，以降低单管电压应力。
该研究团队得出了两个关键结论。首先，通过对4种不同的功率模块方案进行测试，发现Si IGBT拓扑结构的效率值最低，而SiC拓扑结构在效率优化方面具有显著优势。
其次，目前商用SiC器件的成本相对于成熟的硅基IGBT器件而言，仍有较大的优化空间。无论是1.5kV还是3kV系统，SiC方案的初始投入成本均构成了极高的准入门槛。
然而，评估一项牵引技术的经济性，不能仅看初始采购成本，全生命周期的投资回报（ROI）才是决定性因素。该研究团队发现，SiC MOSFET逆变器替代Si IGBT的效益前景，与终端电价、运行工况（开关频率）及系统电压等级高度相关。
在低电价场景（如13美分/kWh）下，1.5kV SiC系统的回本周期长达25至30年，基本逼近逆变器约25年的设计寿命末期，投资效益较为有限；相比之下，3kV系统在同等低电价下约11年即可回本。当电价攀升至47美分/kWh时，SiC方案的效益前景迎来显著跃升：1.5kV系统的回本周期大幅缩短至7.5年，而3kV系统仅需3年即可收回初始溢价。
从长达30年的运营周期来看，这种长期效益尤为可观。在高电价场景下，1.5kV系统可累计节省约30欧元/kW的运行成本；而3kV系统结合3.3kV SiC模块后，展现出了极为卓越的经济性，30年累计节省高达130欧元/kW。
这充分表明，随着电价上行与运营周期的拉长，采用碳化硅方案（尤其是3kV高压系统）将释放出巨大的长期降本增效潜力。
然而，从目前的成本来看，碳化硅方案仍处于劣势。据调研了解，在早期导入阶段，高铁主驱用的碳化硅模块单价高达20万元/个；随着技术迭代与部分产能释放，目前单价已降至6万至7万元/个。
按此测算，一列高铁需要144只左右的碳化硅模块，整车价值量高达864万元至1008万元。但相比之下，传统的硅基IGBT模块凭借极其成熟的产业链和规模效应，单价仅需1万元左右，整车价值量仅为144万元左右。动辄数倍的整车成本差额，构成了当前SiC方案在轨交领域商业化的主要阻力。
但值得注意的是，这种高昂价格的背后，正是因为生产制造仍存在极高的壁垒。有业内人士透露，目前规格为3300V、650A的6英寸碳化硅晶圆，单片仅够制造一个轨交碳化硅模块（约20颗芯片），且受限于严苛的一致性要求，剔除不良品后，厂商目前几乎处于“亏钱做”的拓荒阶段。因此，该领域的主供厂商主要集中于中车、三菱等少数早期布局的头部企业。
尽管初期成本高昂且制造艰难，但面对如此庞大的单列车需求量，随着高压SiC技术的不断成熟、晶圆良率的提升以及产能的规模化释放，碳化硅在轨道交通领域的市场空间极具想象力，其广阔的市场应用前景正在持续拓宽。
据中国城市轨道交通协会等数据，2025年中国内地已运营的城轨交通线路数将达到382条，车辆保有量接近8万辆（约合1.33万列列车）。若全部采用碳化硅主驱方案（16-40只/车），仅城轨领域就需要约21.3万至53.3万只碳化硅模块，按前面提到的良率计算，需要约21.3万至53.3万片6英寸碳化硅晶圆。
在铁路干线领域，需求规模更为庞大。目前中国铁路共配属动车组4140列，若全部采用碳化硅牵引变流方案，总计需要约59.6万只碳化硅模块。对应到上游制造端，按前面提到的良率计算，同样意味着需要约59.6万片6英寸碳化硅晶圆。
综合我国现存城轨与铁路干线测算，若全部采用碳化硅方案，SiC模块合计需求约80.9万至112.9万只，对应6英寸SiC晶圆约80.9万至112.9万片。但随着良率提升，晶圆使用率将逐步提高，从而缓解产能压力、摊薄器件成本，叠加规模化释放，碳化硅在轨道交通领域的渗透率和市场空间有望持续拓宽。
从全球视角来看，SiC无疑具备更大的市场空间。据国际调研机构Mobility Foresights预测，随着地铁、通勤铁路、高速铁路和轻轨运营商的需求持续增加，全球铁路SiC VVVF逆变器市场预计到2032年将达到9.8亿美元，2026年至2032年预测期内的复合年增长率（CAGR）为11.1%。
尽管当前3.3kV以上碳化硅方案在初始采购成本与晶圆制造良率上仍面临挑战，但技术演进的步伐正加速跨越这一鸿沟。面向未来，随着高压SiC技术以及SiC IGBT器件的不断成熟，器件的耐压等级与电流能力将实现进一步突破。
可以预见，随着高压SiC技术的全面突围与产能释放，其替代传统硅基IGBT已是不可逆转的必然趋势。碳化硅将成为下一代轨道交通绿色、高效发展的核心引擎。
本文发自【行家说三代半】，专注第三代半导体（碳化硅和氮化镓）行业观察。
