碳化硅器件“上車”加快，800V高壓平臺(tái)蓄勢(shì)待發(fā)

?

第三代半導(dǎo)體材料是以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件，具有耐高壓、耐高溫、能量損耗低、功率密度高等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)功率模塊小型化、輕量化。主要應(yīng)用于新能源汽車/充電樁、光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域。 ? 憑借性能優(yōu)勢(shì)碳化硅功率器件有望迎來快速發(fā)展。2021年全球第三代功率半導(dǎo)體市場(chǎng)滲透率約為4.6%-7.3%，較2020年滲透率提升約2%。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約為10.90億美元，2027年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌?chǎng)空間有望突破至62.97億美元，六年年均復(fù)合增速約為34%。 ?

碳化硅器件“上車”加快，800V高壓平臺(tái)蓄勢(shì)待發(fā)。功率器件主要應(yīng)用于新能源車的主驅(qū)逆變器、車載充電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器和非車載充電樁等關(guān)鍵電驅(qū)電控部件。盡管SiC MOSFET價(jià)格相比于Si IGBT價(jià)格仍然較高，但碳化硅功率器件在耐壓等級(jí)、開關(guān)損耗和耐高溫性方面具備明顯優(yōu)勢(shì)。新能源汽車已成為碳化硅功率器件最主要的市場(chǎng)。在目前各大主流車廠積極布局800V電壓平臺(tái)的背景下，碳化硅的性價(jià)比突出，市場(chǎng)前景廣闊。配套的直流充電樁市場(chǎng)將進(jìn)一步加速碳化硅需求增長(zhǎng)。

? 碳化硅“追光”，拓展光伏儲(chǔ)能新應(yīng)用場(chǎng)景。碳化硅功率模塊可使逆變器轉(zhuǎn)換效率提升至99%以上，能量損耗降低30%以上，同時(shí)具備縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長(zhǎng)器件使用壽命、降低系統(tǒng)散熱要求等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)光伏領(lǐng)域第三代功率半導(dǎo)體的滲透率超過13%，市場(chǎng)規(guī)模約4.78億元，預(yù)計(jì)2026年光伏用第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)空間將接近20億元，五年CAGR超過30%。另外，隨著可再生能源發(fā)電占比提高以及智能電網(wǎng)的應(yīng)用，儲(chǔ)能系統(tǒng)與電力電子變壓器進(jìn)一步拓寬了碳化硅的市場(chǎng)。 ?

風(fēng)險(xiǎn)提示：國(guó)產(chǎn)替代不及預(yù)期；800V技術(shù)滲透不及預(yù)期；成本下降不及預(yù)期；行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇。 ? ?

1.??碳化硅——第三代半導(dǎo)體的明日之星

根據(jù)研究和規(guī)?；瘧?yīng)用的時(shí)間先后順序，業(yè)內(nèi)將半導(dǎo)體材料劃分為三代。常見的半導(dǎo)體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等材料。 第一代半導(dǎo)體材料以硅和鍺等元素半導(dǎo)體為代表。第一代半導(dǎo)體主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測(cè)器中，被廣泛應(yīng)用于集成電路。硅基半導(dǎo)體材料是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，市場(chǎng)占比達(dá)到90%以上。 ? 第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵為代表。相較硅材料它具有直接帶隙，電子遷移率是硅的6倍，因此具有高頻、高速的光電性能，被廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域。砷化鎵是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管和通信器件的關(guān)鍵襯底材料。 ? 第三代半導(dǎo)體材料是指以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。碳化硅有多種晶型，4H-SiC和6H-SiC已經(jīng)開始商用，其中4H-SiC廣泛應(yīng)用于制造功率半導(dǎo)體器件。采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件能夠在高溫下穩(wěn)定工作，適用于高壓、高頻場(chǎng)景。 ?

? 碳化硅材料性能優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)功率器件新變革。功率器件的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的處理、轉(zhuǎn)換和控制。以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件，具有耐高壓、耐高溫、能量損耗低、功率密度高等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)功率模塊小型化、輕量化。相同規(guī)格的碳化硅基?MOSFET?與硅基?MOSFET?相比，其尺寸可大幅減小至原來的?1/10，導(dǎo)通電阻可至少降低至原來的?1/100。相同規(guī)格的碳化硅基?MOSFET較硅基?IGBT?的總能量損耗可大大降低?70%。 ?

?

? 碳化硅襯底可分為半絕緣型和導(dǎo)電型。其中，在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層即可得到碳化硅外延片，進(jìn)一步可制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等各類功率器件，應(yīng)用于新能源汽車、充電樁、光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域。 ?

? 碳化硅功率器件主要包括功率二極管和晶體管。碳化硅二極管因工藝難度較低，起步時(shí)間較早，目前發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟。碳化硅晶體管包括MOSFET、IGBT等。SiC MOSFET由于較低的開關(guān)損耗，更適合應(yīng)用于高頻工作；SiC IGBT由于較低的導(dǎo)通損耗，在智能電網(wǎng)等高功率領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。2010年，日本ROHM公司和美國(guó)Cree公司率先實(shí)現(xiàn)了SiC MOSFET商業(yè)化應(yīng)用，目前SiC MOSFET是最為成熟、應(yīng)用最廣的碳化硅功率開關(guān)器件。 ?

碳化硅功率器件生產(chǎn)廠商以歐美日企業(yè)為主，2021年全球CR5達(dá)到96%。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌?chǎng)份額基本由意法半導(dǎo)體、英飛凌、Wolfspeed、羅姆、安森美、三菱電機(jī)等海外廠商壟斷。國(guó)內(nèi)碳化硅功率器件主要廠商包括比亞迪半導(dǎo)體、斯達(dá)半導(dǎo)、時(shí)代電氣等企業(yè)。 ?

碳化硅基MOSFET價(jià)格仍數(shù)倍于硅基IGBT價(jià)格。目前在上游襯底環(huán)節(jié)，最成熟的碳化硅PVT技術(shù)生晶速度約為0.2-0.4mm/h，遠(yuǎn)慢于硅基拉棒速度，且溫度較難控制，易生成雜質(zhì)晶型，導(dǎo)致碳化硅襯底良率低于硅基襯底。此外碳化硅襯底加工切片、薄化和拋光等技術(shù)也有待改進(jìn)。所以目前碳化硅功率器件價(jià)格相較于同規(guī)格硅基器件仍有數(shù)倍差距，一定程度上限制了碳化硅器件滲透率的提高。 ?

憑借性能優(yōu)勢(shì)碳化硅功率器件已逐步拓展應(yīng)用。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，硅基電力電子性能已接近其理論極限，難以滿足迅速增長(zhǎng)和變化的電能應(yīng)用需求。碳化硅功率器件憑借其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，逐漸得到更廣泛的應(yīng)用。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2021年全球第三代功率半導(dǎo)體市場(chǎng)滲透率約為4.6%-7.3%，較2020年滲透率提升約2%。 ?

? 全球碳化硅功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)空間有望快速擴(kuò)張。市場(chǎng)空間方面，根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約為10.90億美元，同比增長(zhǎng)57%。2027年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌?chǎng)空間有望突破至62.97億美元，六年年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為34%。市場(chǎng)結(jié)構(gòu)方面，新能源汽車應(yīng)用主導(dǎo)碳化硅功率器件市場(chǎng)，2021年車用碳化硅功率器件占整個(gè)SiC功率器件市場(chǎng)的63%，預(yù)計(jì)2027年占比提升至79%。其他下游應(yīng)用包括光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)及軌道交通等領(lǐng)域。 ?

中國(guó)2021年第三代半導(dǎo)體功率器件市場(chǎng)規(guī)模超過70億元。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2021年國(guó)內(nèi)SiC、GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約為71.1億元，同比增長(zhǎng)51.9%，第三代半導(dǎo)體在電力電子領(lǐng)域滲透率超過2.3%，較2020年提高了0.7%。2021年到2026年，第三代半導(dǎo)體電力電子市場(chǎng)有望保持約40%的年均增速，2026年市場(chǎng)空間有望達(dá)到500億元。新能源汽車/充電樁市場(chǎng)是增長(zhǎng)動(dòng)力的最重要來源。 ?

2.??碳化硅器件“上車”加快，800V高壓平臺(tái)蓄勢(shì)待發(fā)

碳化硅功率器件主要應(yīng)用于新能源車的電驅(qū)電控系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體器件，碳化硅功率器件在耐壓等級(jí)、開關(guān)損耗和耐高溫性方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)，有助于實(shí)現(xiàn)新能源車電力電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輕量化、高效化，廣泛應(yīng)用于新能源車的主驅(qū)逆變器、OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器和非車載充電樁等關(guān)鍵電驅(qū)電控部件。 ?

? 新能源車是碳化硅功率器件最大的下游終端市場(chǎng)。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021年全球新能源汽車碳化硅市場(chǎng)規(guī)模為6.85億美元，到2027年全球新能源車碳化硅市場(chǎng)空間將接近50億美元，六年復(fù)合增速達(dá)39%。具體到零部件來看，逆變器中碳化硅價(jià)值量占比高達(dá)90%，OBC和DC/DC轉(zhuǎn)換器中的碳化硅價(jià)值量較低。 ?

? 新能源車車載碳化硅器件滲透有望加速。2018年特斯拉率先在Model 3中將IGBT模塊換成了SiC MOSFET模塊，自此主流新能源車廠商紛紛布局碳化硅車型。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，當(dāng)前碳化硅應(yīng)用范圍逐步從高端車型下探。續(xù)航里程在500km以下的新能源車型有望逐步實(shí)現(xiàn)碳化硅功率器件的應(yīng)用。 ?

? 電車逆變器中應(yīng)用碳化硅功率半導(dǎo)體器件性價(jià)比較高。雖然目前SiC MOSFET價(jià)格相比于Si IGBT價(jià)格仍然較高，但使用碳化硅功率器件之后，整車端可以減小冷卻系統(tǒng)和功率模塊的體積，降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量損耗。據(jù)Wolfspeed測(cè)算，當(dāng)純電動(dòng)汽車逆變器的功率模塊全部采用SiC之后，可以顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積和重量，提升整車5%-10%的續(xù)航里程。根據(jù)ROHM的試驗(yàn)結(jié)果，采用SiC MOSFET替代IGBT，車輛行駛的綜合電費(fèi)成本可節(jié)約6%，其中在市區(qū)內(nèi)可節(jié)約10%。 ?

?

? OBC使用碳化硅功率器件，具備全生命周期降本優(yōu)勢(shì)。OBC主要負(fù)責(zé)將地面電網(wǎng)輸入的交流電轉(zhuǎn)化為直流電供給車載動(dòng)力電池進(jìn)行充電，其重量、尺寸和效率對(duì)于新能源車至關(guān)重要。根據(jù)Wolfspeed，全SiC單向OBC較Si/SiC混合單向OBC成本節(jié)約10%，功率密度提升約50%，效率提升約2%，全生命周期內(nèi)可帶來$435的成本節(jié)約。對(duì)于22kW雙向OBC，使用SiC還可降低功率半導(dǎo)體數(shù)量，節(jié)省約20%的系統(tǒng)成本。 ?

?

? 車載DC/DC轉(zhuǎn)換器有望廣泛應(yīng)用碳化硅功率器件。車載DC/DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)從車載動(dòng)力電池取電，為整車提供低壓供電，同時(shí)為車載12V或24V低壓電池充電，是電控的核心零部件之一。伴隨著新能源車輕量化，車載OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器和高壓配電盒等電控系統(tǒng)零部件集成的趨勢(shì)明顯。而SiC功率器件能夠降低電驅(qū)系統(tǒng)體積和重量，提高系統(tǒng)的效率和可靠性，有望得到廣泛應(yīng)用。 ?

? “800V”+碳化硅，新能源車當(dāng)前布局的熱點(diǎn)。新能源車800V架構(gòu)相較于400V架構(gòu)，在同等功率下可降低系統(tǒng)功率損耗，提高充電效率，縮短充電時(shí)間，緩解車主的“充電焦慮”。在800V高壓工況下，碳化硅功率器件，能顯著降低系統(tǒng)開關(guān)/導(dǎo)通損耗，縮小體積減輕重量。根據(jù)緯湃科技數(shù)據(jù)，單個(gè)逆變器輸出功率從50kW增加到180kW的過程中，傳統(tǒng)硅基逆變器總損耗功率從2kW左右增加到5kW左右，而碳化硅基逆變器在180kW輸出功率下總功率損耗仍不足2kW。據(jù)英飛凌介紹，搭配碳化硅功率器件的800V系統(tǒng)能使新能源汽車的續(xù)航里程提升7-10%。在如今眾多廠商紛紛布局800V高壓平臺(tái)的背景下，碳化硅功率器件也得到了重點(diǎn)關(guān)注。 ?

?

? 各大主流新能源車廠商積極布局碳化硅車型。2018年特斯拉率先在Model 3中將IGBT模塊換成了SiC模塊。2020年2月，比亞迪宣布將在新上市漢EV車型上搭載自主研發(fā)的碳化硅功率模塊。自此越來越多的汽車廠商開始在主驅(qū)逆變器、OBC上應(yīng)用碳化硅功率器件，比亞迪新款唐EV、吉利Smart精靈#1、蔚來ET7、小鵬G9、現(xiàn)代IONIQ5、保時(shí)捷Tayan等眾多車型已經(jīng)宣布采用碳化硅功率器件。2023年比亞迪仰望硬派越野U8和性能超跑U9、紅旗新能源轎車E001和SUV E202、起亞EV6 GT、現(xiàn)代IONIQ 6、瑪莎拉蒂GranTurismo Folgore等車型均宣布采納了碳化硅技術(shù)。 ?

?

? 應(yīng)用于直流快速充電樁的碳化硅市場(chǎng)空間未來有望大增。由于成本的原因，目前直流充電樁的碳化硅器件使用比例還相對(duì)較低。但通過配置碳化硅功率器件，直流快速充電樁能極大簡(jiǎn)化內(nèi)部電路，提高充電效率，減小散熱器的體積和成本，減小系統(tǒng)整體的尺寸、重量。隨著800V快充技術(shù)的應(yīng)用，直流充電樁碳化硅市場(chǎng)有望高速增長(zhǎng)。據(jù)CASA測(cè)算，2021年我國(guó)充電樁用第三代半導(dǎo)體電力電子市場(chǎng)空間約5400萬元，2026年有望達(dá)到24.9億元，五年年均復(fù)合增速達(dá)115%。 ?

? ? ?

3.?碳化硅“追光”，拓展光伏儲(chǔ)能新應(yīng)用場(chǎng)景

采用碳化硅功率器件，光伏逆變器能夠進(jìn)一步提高效率、降低損耗。光伏發(fā)電系統(tǒng)里，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。光伏逆變器采用碳化硅功率模塊之后，轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低30%以上，極大提升設(shè)備循環(huán)壽命，具備縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長(zhǎng)器件使用壽命、降低系統(tǒng)散熱要求等優(yōu)勢(shì)。

光伏逆變器龍頭廠商積極布局基于碳化硅的逆變器產(chǎn)品。2019年，陽光電源在國(guó)際光伏歐洲展上首次推出了SG250HX型號(hào)光伏組串式逆變器，該款逆變器采用了英飛凌公司碳化硅技術(shù)，支持1500V高壓直流輸入和800V交流電壓輸出，系統(tǒng)效率最高可達(dá)到99%，僅重95kg，尺寸為1051mm×660mm×363mm，功率密度達(dá)1000W/L。臺(tái)達(dá)M70A系列三相光伏組串逆變器產(chǎn)品也采用了安森美半導(dǎo)體的碳化硅技術(shù)，能量轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)98.8%。 ?

光伏第三代半導(dǎo)體功率器件市場(chǎng)前景廣闊。光伏電站直流端電壓等級(jí)逐漸從1000V提升至1500V，未來有望再提升至2000V。大電壓環(huán)境下碳化硅功率器件的性能優(yōu)勢(shì)凸顯。伴隨光伏逆變器出貨量的快速增長(zhǎng)以及碳化硅功率器件滲透率的提升，光伏碳化硅功率器件市場(chǎng)將迅速成長(zhǎng)。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)光伏領(lǐng)域第三代功率半導(dǎo)體的滲透率超過13%，市場(chǎng)規(guī)模約4.78億元，同比增長(zhǎng)56%，預(yù)計(jì)2026年光伏用第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)空間將接近20億元，五年CAGR超過30%。

? 儲(chǔ)能進(jìn)一步拓寬了碳化硅的市場(chǎng)。隨著可再生能源發(fā)電占比提高，儲(chǔ)能系統(tǒng)成為剛需，在中歐美等全球主要市場(chǎng)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)中，需使用DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，雙向逆變器等關(guān)鍵零部件，碳化硅功率器件進(jìn)一步打開了市場(chǎng)空間。 ?

? 碳化硅功率器件助力PET應(yīng)用落地，將受益于智能電網(wǎng)領(lǐng)域。PET（power electronic transformer）即電力電子變壓器，也稱為固態(tài)變壓器。相較于傳統(tǒng)工頻交流變壓器，PET除了具備電壓變換和電氣隔離功能之外，還能實(shí)現(xiàn)故障切除、交流側(cè)功率調(diào)控、分布式可再生能源接入、與其他智能設(shè)備互聯(lián)通訊等功能。PET具備高頻工作特性，相較傳統(tǒng)變壓器，其體積顯著減小、質(zhì)量顯著減輕。PET目前集中應(yīng)用于智能電網(wǎng)/能源互聯(lián)網(wǎng)、電力機(jī)車牽引用的車載變流器系統(tǒng)和分布式可再生能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)等中、高壓大功率的場(chǎng)合。碳化硅器件是簡(jiǎn)化電力電子變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重要方向，PET有望成為碳化硅又一增量市場(chǎng)。 ?

? ? ?

4.??風(fēng)險(xiǎn)提示

國(guó)產(chǎn)替代不及預(yù)期。碳化硅功率半導(dǎo)體行業(yè)屬于技術(shù)密集型行業(yè)，若國(guó)內(nèi)技術(shù)研發(fā)進(jìn)展不及預(yù)期，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程受阻。? ? 800V技術(shù)滲透不及預(yù)期。新能源汽車800V架構(gòu)和800V快充技術(shù)滲透不及預(yù)期，將影響碳化硅功率半導(dǎo)體發(fā)展。

成本下降不及預(yù)期。碳化硅功率半導(dǎo)體生產(chǎn)成本高，若成本下降不及預(yù)期，將導(dǎo)致下游應(yīng)用的滲透放緩。 ? 行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇。國(guó)內(nèi)外企業(yè)積極擴(kuò)產(chǎn)，若未來行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇導(dǎo)致產(chǎn)能過剩，企業(yè)盈利能力將會(huì)下降。 - END -

?