中小盘主题：智能汽车系列六：800V高压超充时代来临，碳化硅步入黄金发展期

“双碳”背景驱动下，碳化硅产业蓬勃发展 功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，基于功率半导体的诸多电气技术将在双碳进程中起着不可替代的关键作用。SiC凭借耐高压、耐高温、更高频率的优势，有望在新能源汽车、光伏、工控、轨道交通等高压应用场景中加速对Si基功率器件的替代。根据Yole预测，2021-2027年全球碳化硅功率器件市场规模有望从10.90亿美元增长至62.97亿美元，CAGR为34%；其中，车规级市场是碳化硅最主要的应用场景，市场空间有望从6.85亿美元增长至49.86亿美元，CAGR为39.2%，超过了整个SiC功率器件市场增速。 国内新能车市场产销两旺，助力本土SiC供应链突围 根据乘联会数据，2022上半年我国新能源汽车累计零售销量224.7万辆，同比增长122.4%，渗透率24.3%。相较于2021年全年渗透率14.8%增长近10%，提前实现《2020-2035新能源汽车产业发展规划》中2025年新能源汽车渗透率达到20%的愿景。我国新能源乘用车需求已完成了由政策引导向市场驱动的转变，渗透率有望加速提升。新能源汽车行业方兴未艾，推动了SiC产业链的快速发展，当前碳化硅产业链主要由海外厂商主导，全球前五大SiC厂商分布在欧洲、美国和日本，均采用IDM模式。车规级功率半导体企业采用IDM模式，能够将设计与制造工艺、封装工艺与系统级应用更紧密的结合，形成技术闭环，提升产品性能及可靠性。国内多家主机厂为提高供应链安全，降低被“卡脖子”风险，纷纷通过产业投资进入SiC产业链相关环节。我们认为，在国内龙头企业加速追赶海外巨头的过程中，现阶段已拥有主机厂战略投资背书，或者获得了主机厂相关SiC产品定点函的IDM模式企业，具有先发优势，有望在竞争中脱颖而出。 高压超充需求加速SiC器件渗透，国内龙头企业有望充分受益 凭借耐高压、耐高温和高频等优越的物理特性，SiC MOSFET有望在新能源汽车800V高压超充时代替代Si IGBT，在主驱逆变器、充电桩、OBC等应用场景中加速渗透。主机厂通过应用更高功率密度的1200VSiC MOSFET，可以充分发挥800V高压平台和350KW直流超充的优势,大幅提高动力系统效率，加速大功率超充普及，解决“里程焦虑”和“充电焦虑”。随着各主机厂800V高压平台车型的陆续量产，SiC行业需求有望快速增长。受益于新能源汽车电动化进程加快和国内主机厂加强供应链自主可控的要求，车规级功率器件的进口替代趋势正在形成，国内多家SiC产业链企业已经在主驱、OBC、DC-DC等应用领域得到主机厂提供的产品验证机会，部分企业已顺利取得定点函进入量产阶段，成功导入了主机厂供应体系。我们认为，国内部分衬底制造企业和通过自建Foundry向IDM模式转型的模块封装企业，已经在产品研发和市场导入方面与海外龙头并跑，有望充分受益高压超充带来的历史性机遇。 受益标的：天岳先进、斯达半导、英博尔、威迈斯（拟上市） 风险提示：国内新能源汽车销量不及预期，碳化硅渗透率不及预期。 1、“双碳”背景驱动下，功率半导体产业蓬勃发展 2021年10月26日，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，明确提出大力推广新能源汽车，逐步降低传统燃油汽车在新车产销和汽车保有量中的占比，到2030年，当年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到40%左右。习总书记于2020年11月22日在G20峰会“守护地球”主题上向全球郑重承诺，中国力争在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和；并于2021年3月强调把碳达峰碳中和纳入生态文明建设整体布局。在这一长达40年的国家重大战略里，基于功率半导体的诸多电气技术将在碳中和进程中起着不可替代的关键作用。功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，本质上，是通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。无论是水电、核电、火电还是光伏、风能，甚至各种电池提供的化学电能，大部分均无法直接使用，需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。功率半导体将成为21世纪可再生能源和高效负载能源网络的关键驱动力。21世纪的能源网络，无论是太阳能、风能和储能等可再生能源，还是电动汽车和变频电机等高效负载，都需要功率半导体来实现。随着全球制定“碳达峰、碳中和”目标，将带来更多绿色能源发电、绿色汽车、充电桩、储能等需求，根据Yole预测，全球功率半导体器件市场有望从2020年175亿美元增长至2026年的262亿美元，年均复合增长率为6.9%。 图1：21世纪能源生产和应用网络，都需要功率半导体来实现 图2：全球功率器件市场规模有望从2020年175亿增长至2026年262亿美元，CAGR为6.9% 2、碳化硅:功率半导体皇冠上的明珠 2.1、碳化硅物理特性优异，替代硅基功率半导体趋势明确 碳化硅（SiC）是一种由硅（Si）和碳（C）构成的化合物半导体材料。在功率半导体应用领域被认为是一种超越Si的材料。SiC存在各种多型体（结晶多系），最适合于制造功率器件的是4H-SiC。SiC的带隙是Si的3倍，宽带隙减少了热激发载流子的数量，导致自由电子减少，漏电流降低。此外，与传统的Si器件相比，漏电流小，而且在更大的温度范围内稳定。SiC的击穿场强比Si高10倍。功率电子开关最重要的功能之一是保持高电压。由于击穿场强高，SiC器件具有更薄的漂移层或更高的掺杂浓度。因此，与相同击穿电压的硅器件相比，具有更低的电阻，并直接使产生的功率损耗更低。SiC的饱和电子漂移速度是硅的2倍，这使得开关速度更快。更快的开关具有更低的开关损耗，可以在更高的脉宽调制(PWM)频率下工作。 在一些电源转换拓扑结构中，更高的PWM频率允许使用更小、更轻和更便宜的无源元件，这些元件往往是系统中体积较大和较昂贵的部分。SiC的导热性比硅高近3倍，功率损耗产生的热量可以以较小的温度变化从SiC中传导出去，实现更好的散热，功率电子器件的散热是系统设计的重要一环。SiC器件的芯片面积更小，产生的栅极电荷和电容也更小，可以实现更高的开关速度，降低开关损耗。 表1：SiC和GaN与Si材料特性对比，SiC具有耐高压、耐高温、更高频率的优势 Si材料中越是高耐压器件，单位面积的导通电阻也越大，因此600V以上的电压中主要采用IGBT。IGBT通过电导率调制，向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，因此导通电阻比MOSFET还要小，但是同时由于少数载流子的积聚，在关断时会产生尾电流，从而造成极大的开关损耗。使用SiC MOSFET模块，可以大幅减小Si IGBT的拖尾电流和FRD的反向恢复电流所产生的开关损耗，而且MOSFET原理上不产生尾电流，所以用SiC MOSFET替代SiIGBT时，能够明显地减少开关损耗，改善电源效率并且简化散热系统，实现散热部件的小型化。另外，SiC MOSFET能够在IGBT不能工作的高频条件下驱动，通过工作频率的高频化从而也可以实现外围被动器件的小型化。 图3：SiC MOSFET比SiIGBT更耐高压、耐高温，且体积和重量更小，损耗更低 SiC适合高功率和高频率应用场景，如储能、风电、光伏、轨道交通、新能源汽车等行业。以新能源汽车应用场景为例，目前市售电动车所搭载的功率半导体多数为硅基器件，采用SiIGBT技术的功率模块仍在电动汽车应用中占主导地位。然而，经过数十年的发展，硅基功率器件正在接近材料极限，要进一步提高其功率密度非常困难。由于电动车电压平台正在从400V向800V以上的高电压发展，相较于Si IGBT，SiC MOSFET凭借“耐高压”、“耐高温”、和“高频”特点，在高压系统中有望快速替代Si IGBT，从而大幅提高汽车性能并优化整车架构，使新能源汽车具有更低的成本、更长的续航里程、更紧凑的空间设计以及更高的功率密度。 图4：宽禁带半导体对硅基功率器件在多个应用领域替代趋势明确 将碳化硅（SiC）器件应用于电力电子领域的提议最早诞生于60年代，然而，由于SiC衬底在制造方面存在一些困难，迟滞了SiC功率器件的发展。阻碍其大规模应用的主要挑战是成本问题，包括高品质材料的有限性、晶圆的制造成本、更大直径晶圆的制造问题、缺陷密度以及产量。但随着技术迭代和SiC衬底和晶圆良率提升，2018年Tesla率先在其革命性的纯电动汽车Model 3主驱中使用了由ST供应的SiC MOSFET芯片，每两颗芯片封装为1个T-PAK小模块，并将24个小模块并联以提升逆变器功率，由此拉开了SiC大规模量产使用的序幕。尽管单个碳化硅功率器件比硅器件更昂贵（约为硅器件2-3倍），但使用碳化硅器件能够节省系统成本，因为需要更少的组件、更小的无源组件尺寸、更小的冷却系统、相同里程范围内的更小的电池容量以及更少的设计开发工作量。 图5：TeslaModel3逆变器结构，采用24块STT-PAK 图6：ST T-PAK小模块，由2颗SiC MOSFET组成 2.2、需求侧：新能源汽车方兴未艾，驱动SiC需求快速增长 根据乘联会数据，2022年6月我国新能源乘用车零售销量53.1万辆，同比增长130.6%，当月渗透率27.3%；2022H1累计零售销量224.7万辆，同比增长122.4%,渗透率24.3%。相较于2021年全年渗透率14.8%，增长近10%，已经提前实现《2020-2035新能源汽车产业发展规划》中2025年新能源汽车渗透率达到20%的愿景。我国新能源乘用车需求已完成了由政策引导向市场驱动的转变，随着原油价格高企、动力电池材料成本下降和汽车“缺芯”问题缓解，新能源汽车渗透率有望进一步加速。根据波士顿咨询预测，在2030年之前全球纯电动汽车的销量将超过所有混合动力类型的汽车之和，全球电动车渗透率将达到44%，而中国电动车渗透率在2030年将达到57%。新能源汽车行业方兴未艾，推动了SiC产业链的快速发展。 图7：2030年全球新能源渗透率有望达到44% 图8：2030年中国新能源渗透率有望达到57% 受益于新能源汽车、光伏、轨道交通等下游景气应用驱动，全球碳化硅功率器件市场规模不断扩大，根据Yole预测，2021-2027年全球碳化硅功率器件市场规模有望从10.90亿美元增长到62.97亿美元，保持年均34%的复合增速。其中，车规级市场是碳化硅最主要的应用场景，市场空间有望从2021年6.85亿美元增长至2027年49.86亿美元，CAGR为39.2%，超过了整个SiC功率器件市场增速；车规级SiC器件占整个SiC器件市场的比例有望从2021年62.84%提升至2027年79.18%。车规级应用占据近80% SiC市场规模，是因为相对于工业级市场和消费级市场，车规级市场对于SiC器件成本更不敏感，通过使用SiC器件节省的系统成本（减少电池成本、被动元器件等）会超过使用SiC器件增加的成本。 图9：2021-2027年，全球SiC功率器件市场规模有望从10.90亿美元增长至62.97亿美元，其中车规级市场有望从6.85亿美元增长至49.86亿美元 2.3、供给侧：海外SiC龙头竞争优势明显，国内企业加速追赶 2.3.1、SiC产业链与竞争格局：国际IDM厂商主导，国内新势力成长迅速 SiC产业链具有典型的半导体特征，主要包括了上游材料（衬底+外延）、中游器件设计和晶圆制造、下游模块封装和应用等环节。根据产业调研测算，衬底、外延、晶圆制造和模块封装各环节的价值量依次为40%、15%、30%、15%。 图10：SiC产业链概览：从材料到模块，国际龙头企业布局产业链多个环节 上游衬底和外延材料环节：根据Wolfspeed数据，2021年仅Wolfspeed和II-VI两家美国厂商就占据全球70%以上的衬底份额，而包括ST、Rohm、Soitec在内的国际领先供应商均规划从6寸衬底向8寸衬底升级。根据天岳先进公告，其位于上海临港的SiC衬底项目现已封顶，达产后将新增6英寸导电型SiC衬底产能约30万片/年，预计2022Q3实现首批量产。 晶圆制造环