碳化硅行业深度分析：SiC车规级应用渗透率加速提升.docx

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1、碳化硅行业深度分析：SiC车规级应用渗透率加速提升1. 新能源汽车向 800V 高电压平台演变，对功率器件要求持续提高1.1. 电压平台演变历史：从量变到质变在燃油车时代，通过升高电压的方式实现电能的大功率传输，满足汽车供电需求。1918 年， 汽车引入蓄电池，其电压仅为 6V；随着汽车电器如车灯、照明、ISG 等用电器件的增加， 6V 低电压系统无法满足车用电器功率要求，加之电气化部件的大量集成，1950 年汽车电压 平台升级为 12V；二十世纪九十年代，出现 42V 汽车电压平台，但是由于零部件升级电压规 格成本高而未能实现；2010 年前后，在信息娱乐、混动的需求背景下，欧洲发起 48V

2、 电压 系统升级，Audi, BMW, Daimler, Porsche, Volkswagen 联合推出 48V 系统，与 12V 电压平 台共存；2020 年，各国节能法规的颁布推动 48V 低电压平台发展。随着车载电器数量的增多，以及自动驾驶、节油减耗等要求的提出，电动汽车的电压平台将 逐渐由 400V 升高至 800V，以分担蓄电池的工作压力。纯电动汽车中成百上千个电池串并联 形成超百伏的电池包，其高压系统主要包括动力电池、配电盒、OBC、DCDC、电驱、PTC、 空调、充电口等。目前，电动车根据带电量不同选择不同的电压等级。一般小型代步车的电压为 48V、60V 和 72V；乘用车的

3、电压范围大约为 250-450V；大巴车、公交车等由于带电量高，其基本电压为 450-700V。在未来，随着对续航里程、充电速度要求的提高，电动车电压有望升至800V-1000V。国内外车企纷纷布局 800V 高电压平台。2019 年 4 月保时捷 Taycan Turbo S 全球首发，业 内最先量产 800V 高电压平台的汽车，将最大充电功率提升到 350kW，可以在 22.5 分钟内 把 Taycan Turbo S 容量 93.4kWh 的动力电池从 5%充至 80%，提供 300 公里的续航能力。 2020 年 12 月，现代汽车集团推出全新电动汽车专用平台 “E-GMP” ，该平台

4、同样搭载可以 实现最大 800V 多功能充电系统。Rivian 和通用也已经计划将电压改为 800V。国内，吉利 极氪、小鹏汽车、广汽埃安、比亚迪 e 平台、理想汽车、北汽极狐、岚图等车企也已经布局 了 800V 快充技术。1.2. 电压高压化：里程焦虑、充电速度慢问题的最好解决方案续航能力是决定新能源汽车普及程度的重要因素。大部分新能源汽车的续航里程低于 600 公 里，低于燃油车的续航里程，难以满足城际间的长里程行驶需求。目前，市场上较畅销的新 能源车型包括特斯拉、比亚迪、蔚来、小鹏等，其中，比亚迪唐和比亚迪宋的续航里程为 505 公里；特斯拉的续航里程范围为 545-675km；小鹏 P

5、5 续航里程 600km。新能源车的续航里程 仍有较大的上升空间，不足以满足未来人们长里程驾驶需求。与燃油车相比，新能源车的补能效率较低。燃油车的加油时间仅为 5 分钟，而目前快充至少 需要 60 分钟。在高峰期充电排队等候的时间亦进一步拉长。目前，主要有以下三种充电方 法：在家中充电：家庭用户使用的三眼插座有 10A 和 16A 两种规格，约 8-10 小时可以充满。交流充电桩：将电动车直接在电流更大的交流电网上，用充电桩进行充电，充电时长约 4 小时。慢充电桩功率通常为 3.5kW 和 7kW，取决于车载充电机的额定输入功率。直流充电桩：将电动车连接到交流电网或直流电网时，使用了带控制导引

6、功能的直流供 电设备。由大功率非车载直流充电机直接输出直流给车辆电池充电。在充电时，充电桩需要 提供与电池相匹配的电压，国标规定直流输出电流最大不超过 250A，多数电动车能获得不高 于 102.5 kW 的峰值充电功率，充电时间大约需 0.5h。提高汽车电压平台可以大幅提升整车运行效率、缩短充电时长。电阻大小相同情况下，高电 压可使电损耗减少，效率提升。2021 年 9 月，比亚迪发布 e 平台 3.0，有 800V 闪充功能， 实现充电5分钟续航150公里，搭载该平台的车型有望在2022年量产；极氪 001 具备 400V和 800V 两种电压架构，10%-80% SOC 充电时间仅需 3

7、0 分钟，充电 5 分钟续航可增加 120 公里；北汽极狐发布极狐S Hi 版，具备 800V 充电架构，2.2C 闪充技术能实现 10 分 钟补充 196 公里续航的电量，30%-80%SOC 充电时间仅为 15 分钟。2021 年 10 月， 小鹏汽车公布首个量产的 800V 高压 SiC 平台，充电峰值电流超过 600A，采用高能量密 度、高充电倍率电池，充电 5 分钟最高可补充续航 200 公里。1.3. 相较于提高电流，高电压仍为未来发展趋势根据 P=UI，提升快冲效率的方向有二：提升电压，将新能源汽车的电压系统从 400V 升高至 800V 后电动车的功率提高一倍，大幅降低充电时间

8、；提升电流，特斯拉是采用提高电流方 法的代表。高电流模式推广程度低，对热管理要求高。根据特斯拉官网，特斯拉 V3 超充桩在 400V 电 压下可达到 250kW 的峰值充电功率。特斯拉电动车的充电时间需要 30 分钟左右，大电流超 充的推广难度较高，由焦耳定律 Q=I2RT，热量与电流的二次方成正比，大电流充电过程中 产生的热量大幅增加，对汽车的散热系统有更高的要求。以特斯拉为例，特斯拉 V3 超充桩 峰值工作电流超过 600A，故需要使用更粗的线束。此外，大电流模式的应用场景有限制， 目前大电流模式仅在 10%-20%SOC 进行最大功率充电，在其他区间充电功率也有明显下降。高电压模式是车厂

9、普遍采用的模式，除减少能耗、提高续航里程外，还有减少重量、节省空 间等优点。根据焦耳定律，高电压系统下，电流变小使得整个系统的功率损耗减小，提高效 率。若电流不变，汽车的电机驱动效率则会提升，从而增加续航里程、降低电池成本。高电 压模式的有点还包括降低高压线束重量，同功率情况下，电压等级的提高客减少高压线束上 的电流，使得线束变细，从而降低线束重量、节省安装空间。以保时捷为例，保时捷将电压 平台从 400V 提高至 800V 后，实现 300kW 充电功率，高压线束的截面积仅为 400V 架构下 的二分之一，线束减重 4kg。小鹏也推出 800V 平台下的 400kW 快冲，充电效率可达 5C

10、， 实现充电 10 分钟续航 400 公里的效果。1.4. 400V 电压平台下功率器件使用情况与燃油车相比，新能源车对电力控制的需求提高，功率器件在新能源车中的占比远高于燃油 车。在传统燃料汽车中，汽车电子主要分布于动力传动系统、车身、安全、娱乐等 子系统中；而在新能源汽车中，功率器件主要集中于“三电系统”，即电池、电机和电控系统，新 增 DC-DC 模块、电机控制系统、电池管理系统、高压电路等部件。新能源汽车系统架构中 涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、OBC、AC/DC 和 DC/DC。碳化硅光电特性优越，耐高温、高压、高频，是 800V 电压平台下功率器件的首要选择。碳 化

11、硅属于第三代半导体材料，与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度，保证 了其可击穿更高的电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件。主电机驱动：汽车的电机驱动系统包括传动机构、电机和逆变器。功率器件主要应用于逆变 器，400V 电压平台下，电机驱动系统中的逆变器主要采用硅基 IGBT，约占其成本的 50%。OBC（车载充电系统）：车载蓄电池充电机可将来自电池子系统的 DC 电源转换为主驱动电 机的 AC 电源，通常采用硅基 IGBT 方案，由于 SiC 器件可使得 OBC 减少能耗、改善散热 情况，全球范围内汽车厂商陆续采用 SiC 功率器件代替硅器件。AC/DC：车载 AC/DC 变换

12、器可将高压直流电逆变成交流电来驱动电动机、空调工作，通常 采用硅基 IGBT 方案。DC/DC：车载 DC/DC 变换器可将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电。从车载动力电池取电，给车载 12V 或 24V 低压电池充电，并为整车提供全部的低压供电，通常采用 硅基 IGBT 方案。1.5. 800V 电压平台下的电动车部件升级实现 800V 电压平台，需要面对元器件重新开发、电池模组安全性能提高以及半导体器件路 线改变等难题。就电池包而言，4C 以上充电倍率以及电压和电流的增大会极大的影响电池 的稳定性和使用寿命，需在 BMS 和电池材料电导率上进一步改善 。此外，更大的充电功率 对电池

13、系统的冷却提出较大挑战，需对发热较为集中的电芯正极区域进行针对性冷却和热管 理，保障电池在理想温度区间内工作。电压平台的升高要求电动车的三电系统以及空调压缩机、DC/DC、OBC 等部件在 800V 甚至 1000V 的电压下正常工作，即需要各部件耐高压、耐高温。电控：800V 平台要求电机控制器采用碳化硅 MOSFET 代替硅基 IGBT。硅基 IGBT 在 450V 平台下耐压为 650V，汽车电压平台升高至 800V 后，要求功率半导体耐压等级达到 1200V， 硅基 IGBT 的开关/导通损耗将大幅升高。而 800V 下的碳化硅器件在耐压、开关频率、损耗 等多个维度表现优异，高电压平台

14、将推动碳化硅 MOSFET 发展。电机：800V 逆变器导致电压变化频率高，轴电流增大，轴承防腐蚀要求增加，同时，由于 电压/开关频率增加，800V 电机内部的绝缘/EMC 防护等级要求提升OBC+DC/DC：OBC/DCDC 等功率器件集成化趋势明显。电压升高 800V 后，充电机 OBC 将不会使用目前的 650V 的硅基方案，变为使用碳化硅的方案；考虑高频特性，DC/DC 不会 使用 1700V 的 IGBT，效率比较低。据产业调研，电压平台从 400V 升高至 800V 后，充电 机 70%以上的功率器件将换为碳化硅方案。连接器+线束：平台架构从 400V 升级至 800V 要求连接器

15、重新选型，为增加大功率快充借 口，连接器数量可能增加；在同等功率条件下，电压提高，电流减小，线束材料用量更少， 但对耐压、绝缘要求更高。2. 碳化硅物理特性优良，适合制备高温、高压、高频器件2.1. 碳化硅：第三代半导体材料，具备耐高压、高温等优点碳化硅光电特性优越，耐高温、高压、高频，是 800V 电压平台下功率器件的首要选择。碳 化硅属于第三代半导体材料，与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度，保证 了其可击穿更高的电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件。SiC 适合制备高压器件。SiC 的绝缘击穿场强是 Si 的 10 倍，较大的绝缘击穿场强使碳化硅能够以更高的掺杂浓度并且膜

16、厚更薄的漂移层制作出 600V数千 V 的高压功率器件。高 压功率器件的电阻成分主要由该漂移层的电阻所组成，因此使用 SiC 材料可以实现单位面 积导通电阻非常低的高压器件。理论上当耐压相等时，SiC 在单位面积下的漂移层电阻可以 降低到 Si 的 1/300。使用碳化硅材料，可避免硅基 IGBT 开关损耗大、高频驱动发热等问 题。SiC 材料能够以具有快速器件结构特征的多数载流子器件（肖特基势垒二极管和 MOSFET）实现高压化。SiC 可以在高温场景下应用。SiC 的带隙宽度大约为 Si 的 3 倍，可以在较宽范围内实现必要 的 P 型、N 型控制，超越 Si 器件的物理极限。因此，SiC

17、 可以在高温条件下稳定工作。根 据罗姆官方SiC 功率器件-模块应用笔记显示，目前由于受到封装的耐热可靠性的制约， 只保证到 150175，但是随着封装技术的发展，将来也可能达到 200以上的保证温 度。2.2. 碳化硅二极管可替换快速恢复二极管，在高频高压情况下表现优异碳化硅肖特基势垒二极管具有恢复损耗小、开关电源高频、减小元件体积、降低噪音等优点。 SiC 能够以具有 Si 快速器件结构特征的肖特基势垒二极管（SBD）结构，制作出 1200V 以 上的高耐压二极管（Si SBD 的最高耐压为 200V 左右）。碳化硅方案能提升电驱系统性能，减小器件体积，提高 30%左右功率密度：碳化硅功率

18、器件 主要应用于新能源汽车电机驱动系统中的电机控制器。2020 年比亚迪汉 EV 车型电机控制器 使用其自主研发制造的 SiC MOSFET 控制模块，使得其可以在更高的电压平台下工作，从 而减少设备电阻损失。比亚迪汉在电力电子系统实现了更小的体积，同功率情况下，体积缩 小 30%，即功率密度也将提升 30%左右，功率达到了更高的 363kW；车辆的加速性能提升 明显，实现了 3.9s 内 0-100 公里的加速；延长汽车的续航里程至 600km 以上；这均得益于 碳化硅低开关、耐高压、耐高温、导热率高的优良特性。由于碳化硅肖特基二极管的恢复特性，SiC SBD 可大幅减少损耗，稳定实现器件的

19、正反切换。 硅快速恢复二极管在从正向导通状态切换到反向截止状态的瞬间，会产生极大的反向瞬态冲 击电流，器件从正压导通转向反压截止偏压状态。此过程时间长，电流大，会产生较大的损 耗，当器件正向电流越大及温度越高时，恢复时间和恢复电流就越大，损耗也就越大。而碳 化硅肖特基二极管是一种多数载流子导电器件（单极性器件），在工作过程中不会发生少数 载流子存储的现象，也不会产生过大的正反向切换瞬态冲击电流，只有结电容放电的小电流， 因此碳化硅肖特基二极管的开关损耗比硅快速恢复二极管更低。根据 ROHM 测试结果，无 论使用温度和正向电流如何改变，SiC 的反向恢复电流都得到了大幅减小。2.3. 碳化硅 M

20、OSFET 在性能上优于 IGBT硅基 IGBT 与 SiC MOSFET 在电气参数上存在较大差异。与硅基 IGBT 对比，SiC MOSFET 不仅耐压性更好，而且可有效减少开关损耗。虽然 IGBT 器件可应用于 600V 以上的电压场景，但是由于少数载流子的积聚，在关断时会产生拖尾电 流，产生较大的开关损耗。 而 SiC 器件的漂移层电阻比 Si 器件的要小，不必使用电导率 调制，就能够以具有快速器件结构特征的 MOSFET 同时实现高耐压和低导通电阻。采用 SiC MOSFET 可以达到开关损耗减小、散热器小型化的效果。并且，SiC MOSFET 可实现 IGBT 无法进行的高频驱动，

21、有助于实现被动器件的小型化。SiC MOSFET 可以在更宽的电流范围和温度范围内稳定工作。SiC MOSFET 不存在像 IGBT 那样的开启电压，因此从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现较低的导通损耗。 另外，Si MOSFET 在 150时的导通电阻会上升为室温时的 2 倍以上，但是 SiC MOSFET 的上升率相对较低，因此热设计更加容易、高温下也能够实现较低的导通电阻。SiC MOSFET 在温度升高时，其导通电阻上升率低于 Si MOSFET 和 IGBT，耐高温程度高。 这是因为在器件的导通电阻中，漂移层电阻的占比较小，其他电阻成分的占比较大。沟道电 阻 RCH 在高温时会

22、稍微下降，n+基板的电阻 RSUB 几乎没有温度依存性。650V 产品的漂 移层电阻成分较小，因此温度系数非常小；1200V 产品的漂移层会变厚，电阻成分较大， SiC MOSFET 的优势更加显著。3. 碳化硅在高压车型渗透率提升趋势明显3.1. 高压车型不断推出，碳化硅渗透趋势明显800V 方案中快充功率可以达到 400-500kW，如小鹏 G9 充电十分钟续航 400 公里。目前市 面新能源汽车主流电压平台介于 400V-500V 之间，理想 ONE 、小鹏汽车和蔚来汽车的换 电方案都在尝试解决里程焦虑和充电速度慢的问题，未来 800V 快充趋势明显。搭载高压架构的车型逐渐趋向经济型下沉

23、，推动碳化硅市场渗透率提升。碳化硅在高压方面 有先天性能优势，只要车企用的是高压、650V 以上的电池，电压越大，碳化硅的优势越明显；在车的续航能力方面，续航要求越高，碳化硅越有优势。就乘用车而言，300km 以上续 航，碳化硅具备优势，电池需求越大，碳化硅优势越明显。目前在高续航和快充的市场需求 下，新能源汽车由 400V 向 800V 架构升级趋势已成大局，未来随着电池、器件车成本的降 低，经济型电动车也有望搭载高压方案。随着碳化硅尺寸的增大、产业链的完善，碳化硅衬 底成本下降，碳化硅器件会逐渐扩展至中低端车市场，SiC 市场空间将被进一步打开。据 CASA 预测，到 2025 年新能源汽

24、车中 SiC 功率半导体市场预计将以 38的年复合增长率 增长。碳化硅方案能提升电驱系统性能，减小器件体积，提高 30%左右功率密度：碳化硅功率器件 主要应用于新能源汽车电机驱动系统中的电机控制器。2020 年比亚迪汉 EV 车型电机控制器 使用其自主研发制造的 SiC MOSFET 控制模块，使得其可以在更高的电压平台下工作，从 而减少设备电阻损失。比亚迪汉在电力电子系统实现了更小的体积，同功率情况下，体积缩 小 30%，即功率密度也将提升 30%左右，功率达到了更高的 363kW；车辆的加速性能提升 明显，实现了 3.9s 内 0-100 公里的加速；延长汽车的续航里程至 600km 以上

25、；这均得益于 碳化硅低开关、耐高压、耐高温、导热率高的优良特性。碳化硅器件可使 OBC 体积减少 60%，能量损耗减少 30%：根据 Wolfspeed 数据，OBC 采 用碳化硅器件与硅器件相比，其体积可减少 60%，并减少 30%的能量损耗，SiC 的峰值效率 可以达到 97%，比硅器件提升 2%，BOM 成本将降低 15%。据产业调研，目前 OBC 市场单 价在 300 元，即单件成本可降低 45 元左右。在 400V 系统相同充电速度下，采用 SiC 方案 充电量将实现翻倍。目前，全球已有超过 20 家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率 器件，电压升高至 800V 以后，OBC 将

26、采用 1200V 的碳化硅方案。据 Wolfspeed 2021 年 12月7日化合物半导体大会观点，现在用的650V的硅方案将逐渐淡出市场，在2022年11kW 将取代 6.6kW 成为主流的功率等级。据产业调研，每一个 11kW 的 SiC OBC 约用到 10 颗 碳化硅 MOS，单价 7 美金，合计 70 美金，假设 300 万辆新能源车采用，即对应 2.1 亿美金市场。碳化硅电源转换系统（车载 DC/DC）可简化设备结构，减小体积：电动车上的电池电压一 般比较高，400v 或者 800v，需要用 DC/DC 部件将其转换成 12v，采用碳化硅器件，设备温 度积累减少，加之材料本身高导

27、热率、耐高温的特点，散热设备可以简化，从而减小变压器 体积。碳化硅充电桩充电效率可由 95%提升至 97%，电路所占的面积减少 25%到 30%：SiC 的高 开关速度保证了快速充电器的充电速度。用 SiC MOSFET 设计的两级拓扑比硅 AC/DC 转换 器更简单、更小、更高效，同时可减少元件数量，基于 SiC 的设计中有 6 个有源元件，而基 于 Si MOSFET 的设计中有 12 个有源元件，两级 IGBT 设计中有 18 个有源元件。在尺寸方 面，基于 SiC 的电路所占的面积减少了 25%到 30%。据产业调研，采用碳化硅方案，在电池容量相同的情况下，其续航里程可提高 5-10%

28、；同理， 在续航里程相同的情况下，电池容量可以减少 5-10%。同等电池情况下，明显增加续航历程， 假设原车 600KM 里程，提升 7%，意味着提升有效里程到 642KM。整合在电机能量密度的提升，以及电路面积等的优化，如果为了提升里程，充分利用有效面积，可以进一步增加 电池容量。3.2. 使用碳化硅并未增加整车成本整车厂更加关注整车成本变化而非仅功率器件成本变化，使用碳化硅方案并未增加整车成本。据产业调研，在中高端车型单个电驱硅基 IGBT 价值量约 1000-1500 元，按中高端车型两个 电驱来计算，总价值量约 2000-3000 元；OBC 功率器件成本约 300 元，车载空调功率器

29、件 成本约 100 元，其它如助力转向等约 300 元，合计硅基功率器件用量约 2700-3700 元。目 前碳化硅方案成本是硅基IGBT 的3倍左右，使用碳化硅方案总成本增加5400-7400元左右。动力电池占纯电动汽车总成本的 40%-50%，假设某中高端电动车价格为 20 万元，电池成本 约 8-10 万元，假设碳化硅方案提升里程 5%计算，相同性能的产品条件下，仅电池系统就为 总成本节省 4000 元-5000 元。根据戴姆勒奔驰研究，800V高压平台下采用碳化硅模块较Si基 IGBT 模块整车能降低7.6% 的能耗，冷却系统将节约 1000 元左右。高压平台碳化硅方案下，线路电流减小

30、，器件更紧凑，对电缆的需求降低，综合计算最终使 用碳化硅并未增加整车成本。未来碳化硅规模化量产之后成本会更低，将为整车成本创造更 大空间。4. 新能源车用碳化硅市场预测4.1. 碳化硅成本下降趋势可期衬底制备是碳化硅器件核心难点，衬底工艺进步是成本下降主攻方向。新能源汽车中使用的 碳化硅器件衬底主要以导电型碳化硅衬底为主，目前，以 6 英寸占主流，8 英寸衬底开始研 发；半绝缘碳化硅衬底以 4 英寸为主，目前逐渐向 6 英寸衬底发展。6 英寸衬底面积为 4 英 寸衬底的 2.25 倍，相同的晶体制备时间内衬底面积的倍数提升带来衬底成本的大幅降低。 与此同时，单片衬底上制备的芯片数量随着衬底尺寸

31、增大而增多，单位芯片的成本也即随之 降低，因此碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展。成本下降方向：结合目前成本情况及技术发展方向，碳化硅衬底的成本可以通过做大尺寸、 提高材料使用效率和提高良率等方式下降。做大尺寸：衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片的成本。6 英 寸衬底面积为 4 英寸衬底的 2.25 倍，相同的晶体制备时间内衬底面积的倍数提升带来衬 底成本的大幅降低，与此同时，单片衬底上制备的芯片数量随着衬底尺寸增大而增多， 单位芯片的成本也即随之降低。提高材料使用效率：由于技术限制，长晶时间很难缩短，而单位时间内长晶越厚成本越 低，因此可以设法增加晶锭厚度；另一方面，目

32、前的切割工艺很容易造成浪费，可以通 过激光切割或其他技术手段减少切割损耗。提高良率：以山东天岳为例，碳化硅衬底产品良率逐年提升。招股书披露，天岳在衬底 制造核心生产环节的晶棒良品率由 2018 年的 41.00%上升至 2020 年的 50.73%，衬底良 率总体保持在 70%以上。随着工艺的逐步提升，碳化硅衬底生产成本将得到进一步下降。4.2. 800V 电压平台大力带动碳化硅市场新能源汽车碳化硅功率器件市场规模推算：根据中国汽车工业协会数据，我国新能源汽车销 量由 2015 年的 33.1 万辆增至 2019 年的 120.6 万辆，复合增长率达 38%，2021 年前 11 个月新能源车累计产量突破 300 万辆，销量接近 300 万辆。中汽协预计 2021 年全年中国 新能源汽车销量有望达到 340 万辆。IDC 预测中国新能源车销量至2025 年的年均复合增长 率（CAGR）将达到 36.1%。目前比亚迪、吉利极氪、小鹏汽车、广汽埃安、理想汽车、北 汽极狐、岚图等车企相继投资800V电压架构产品，合理假设2025年碳化硅器件渗透率30%， 年均价格降幅 10%，仅碳化硅功率器件在电动车市场空间达 220 亿元。