碳化硅行业专题：第三代半导体明日之星，“上车+追光”跑出发展加速度

pangjunwen@gtjas.com马铭宏 第三代半导体材料是以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件，具有耐高压、耐高温、能量损耗低、功率密度高等优势，可实现功率模块小型化、轻量化。主要应用于新能源汽车/充电桩、光伏发电、智能电网、轨道交通、航空航天等领域。 0755-23976068 maminghong027534@gtjas.com 相关报告 凭借性能优势碳化硅功率器件有望迎来快速发展。2021年全球第三代功率半导体市场渗透率约为4.6%-7.3%，较2020年渗透率提升约2%。根据Yole数据，2021年全球碳化硅功率器件市场规模约为10.90亿美元，2027年全球导电型碳化硅功率器件市场空间有望突破至62.97亿美元，六年年均复合增速约为34%。 电气设备《国内外共振，充电桩进入发展快车道》 2023.03.31 电气设备《国内外共振，充电桩进入发展快车道》 2023.03.11 碳化硅器件“上车”加快，800V高压平台蓄势待发。功率器件主要应用于新能源车的主驱逆变器、车载充电机、DC/DC转换器和非车载充电桩等关键电驱电控部件。尽管SiC MOSFET价格相比于Si IGBT价格仍然较高，但碳化硅功率器件在耐压等级、开关损耗和耐高温性方面具备明显优势。新能源汽车已成为碳化硅功率器件最主要的市场。 电气设备《主齿轮箱滑轴订单落地，替代发展提速》 2022.12.29 电气设备《度过供给侧瓶颈，一体化迎接量利齐升》 2022.12.27 在目前各大主流车厂积极布局800V电压平台的背景下，碳化硅的性价比突出，市场前景广阔。配套的直流充电桩市场将进一步加速碳化硅需求增长。 电气设备《渗透率持续提升，国产微逆扬帆远航》 2022.12.22 碳化硅“追光”，拓展光伏储能新应用场景。碳化硅功率模块可使逆变器转换效率提升至99%以上，能量损耗降低30%以上，同时具备缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低系统散热要求等优势。根据CASA数据，2021年中国光伏领域第三代功率半导体的渗透率超过13%，市场规模约4.78亿元，预计2026年光伏用第三代半导体市场空间将接近20亿元，五年CAGR超过30%。另外，随着可再生能源发电占比提高以及智能电网的应用，储能系统与电力电子变压器进一步拓宽了碳化硅的市场。 风险提示：国产替代不及预期；800V技术渗透不及预期；成本下降不及预期；行业竞争加剧。 1.碳化硅——第三代半导体的明日之星 根据研究和规模化应用的时间先后顺序，业内将半导体材料划分为三代。 常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等材料， 第一代半导体材料以硅和锗等元素半导体为代表。第一代半导体主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中，被广泛应用于集成电路。 硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料，市场占比达到90%以上。 第二代半导体材料以砷化镓为代表。相较硅材料它具有直接带隙，电子迁移率是硅的6倍，因此具有高频、高速的光电性能，被广泛应用于光电子和微电子领域。砷化镓是制作半导体发光二极管和通信器件的关键衬底材料。 第三代半导体材料是指以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料。 碳化硅有多种晶型，4H-SiC和6H-SiC已经开始商用，其中4H-SiC广泛应用于制造功率半导体器件。采用第三代半导体材料制备的半导体器件能够在高温下稳定工作，适用于高压、高频场景。 表1：第三代半导体材料禁带宽度大 碳化硅材料性能优势引领功率器件新变革。功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件，具有耐高压、耐高温、能量损耗低、功率密度高等优势，可实现功率模块小型化、轻量化。相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比，其尺寸可大幅减小至原来的1/10，导通电阻可至少降低至原来的1/100。相同规格的碳化硅基MOSFET较硅基IGBT的总能量损耗可大大降低70%。 表2：SiC制成的功率器件性能优势明显 图1：碳化硅基功率器件厚度可降至硅基功率器件的1/10 碳化硅衬底可分为半绝缘型和导电型。其中，在导电型衬底上生长碳化硅外延层即可得到碳化硅外延片， 进一步可制造肖特基二极管 、MOSFET、IGBT等各类功率器件，应用于新能源汽车、充电桩、光伏发电、智能电网、轨道交通、航空航天等领域。 图2：碳化硅衬底可分为半绝缘型和导电型，应用于不同领域 碳化硅功率器件主要包括功率二极管和晶体管。碳化硅二极管因工艺难度较低，起步时间较早，目前发展已经相对成熟。碳化硅晶体管包括MOSFET、IGBT等。SiCMOSFET由于较低的开关损耗，更适合应用于高频工作；SiC IGBT由于较低的导通损耗，在智能电网等高功率领域更具优势。2010年，日本ROHM公司和美国Cree公司率先实现了SiC MOSFET商业化应用，目前SiC MOSFET是最为成熟、应用最广的碳化硅功率开关器件。 表3：功率器件分为二极管和晶体管 碳化硅功率器件生产厂商以欧美日企业为主，2021年全球CR5达到96%。根据Yole数据，2021年全球导电型碳化硅功率器件市场份额基本由意法半导体、英飞凌、Wolfspeed、罗姆、安森美、三菱电机等海外厂商垄断。国内碳化硅功率器件主要厂商包括比亚迪半导体、斯达半导、时代电气等企业。 图3：2021年全球导电型碳化硅功率器件市场由海外厂商主导 碳化硅基MOSFET价格仍数倍于硅基IGBT价格。目前在上游衬底环节，最成熟的碳化硅PVT技术生晶速度约为0.2-0.4mm/h，远慢于硅基拉棒速度，且温度较难控制，易生成杂质晶型，导致碳化硅衬底良率低于硅基衬底。此外碳化硅衬底加工切片、薄化和抛光等技术也有待改进。所以目前碳化硅功率器件价格相较于同规格硅基器件仍有数倍差距，一定程度上限制了碳化硅器件渗透率的提高。 表4：目前SiC MOSFET价格仍较高 凭借性能优势碳化硅功率器件已逐步拓展应用。经过数十年发展，硅基电力电子性能已接近其理论极限，难以满足迅速增长和变化的电能应用需求。碳化硅功率器件凭借其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，逐渐得到更广泛的应用。根据CASA数据，2021年全球第三代功率半导体市场渗透率约为4.6%-7.3%，较2020年渗透率提升约2%。 图4：碳化硅功率器件应用领域广泛 全球碳化硅功率半导体器件市场空间有望快速扩张。市场空间方面，根据Yole数据，2021年全球碳化硅功率器件市场规模约为10.90亿美元，同比增长57%。2027年全球导电型碳化硅功率器件市场空间有望突破至62.97亿美元，六年年均复合增长率约为34%。市场结构方面，新能源汽车应用主导碳化硅功率器件市场，2021年车用碳化硅功率器件占整个SiC功率器件市场的63%，预计2027年占比提升至79%。其他下游应用包括光伏发电、智能电网及轨道交通等领域。 图5：2021-2027年全球导电型碳化硅功率器件市场空间CAGR约34%（单位：百万美元） 中国2021年第三代半导体功率器件市场规模超过70亿元。根据CASA数据，2021年国内SiC、GaN功率半导体市场规模约为71.1亿元，同比增长51.9%，第三代半导体在电力电子领域渗透率超过2.3%，较2020年提高了0.7%。2021年到2026年，第三代半导体电力电子市场有望保持约40%的年均增速，2026年市场空间有望达到500亿元。新能源汽车/充电桩市场是增长动力的最重要来源。 图6：2026年我国第三代半导体电力电子市场空间有图7：新能源汽车是我国第三代半导体电力电子最主望达到500亿元要的应用市场 2.碳化硅器件“上车”加快，800V高压平台蓄势待发 碳化硅功率器件主要应用于新能源车的电驱电控系统。相较于传统硅基功率半导体器件，碳化硅功率器件在耐压等级、开关损耗和耐高温性方面具备明显的优势，有助于实现新能源车电力电子驱动系统轻量化、高效化，广泛应用于新能源车的主驱逆变器、OBC、DC/DC转换器和非车载充电桩等关键电驱电控部件。 图8：碳化硅在新能源车的电驱系统中广泛应用 新能源车是碳化硅功率器件最大的下游终端市场。根据Yole数据，2021年全球新能源汽车碳化硅市场规模为6.85亿美元，到2027年全球新能源车碳化硅市场空间将接近50亿美元，六年复合增速达39%。具体到零部件来看，逆变器中碳化硅价值量占比高达90%，OBC和DC/DC转换器中的碳化硅价值量较低。 图9：2027年全球车载碳化硅市场空间约50亿美元图5：逆变器是需求碳化硅最主要的零部件 新能源车车载碳化硅器件渗透有望加速。2018年特斯拉率先在Model 3中将IGBT模块换成了SiC MOSFET模块，自此主流新能源车厂商纷纷布局碳化硅车型。根据CASA数据，当前碳化硅应用范围逐步从高端车型下探。续航里程在500km以下的新能源车型有望逐步实现碳化硅功率器件的应用。 表5：碳化硅在新能源车中的渗透率持续提升 电车逆变器中应用碳化硅功率半导体器件性价比较高。虽然目前SiC MOSFET价格相比于SiIGBT价格仍然较高，但使用碳化硅功率器件之后，整车端可以减小冷却系统和功率模块的体积，降低驱动系统的能量损耗。据Wolfspeed测算，当纯电动汽车逆变器的功率模块全部采用SiC之后，可以显著降低电力电子系统的体积和重量，提升整车5%-10%的续航里程。根据ROHM的试验结果，采用SiC MOSFET替代IGBT，车辆行驶的综合电费成本可节约6%，其中在市区内可节约10%。 图11：应用SiC MOSFET车辆行驶电耗较低 图6：应用SiC MOSFET的逆变器效率明显提高 表6：使用SiC MOSFET替换IGBT可以降低电费与电池成本 OBC使用碳化硅功率器件，具备全生命周期降本优势。OBC主要负责将地面电网输入的交流电转化为直流电供给车载动力电池进行充电，其重量、尺寸和效率对于新能源车至关重要。根据Wolfspeed，全SiC单向OBC较Si/SiC混合单向OBC成本节约10%，功率密度提升约50%，效率提升约2%，全生命周期内可带来$435的成本节约。对于22kW双向OBC，使用SiC还可降低功率半导体数量，节省约20%的系统成本。 图7：OBC是电驱电控系统关键零部件之一 表7：应用SiC的单向OBC全生命周期成本优势显著 车载DC/DC转换器有望广泛应用碳化硅功率器件。车载DC/DC转换器负责从车载动力电池取电，为整车提供低压供电，同时为车载12V或24V低压电池充电，是电控的核心零部件之一。伴随着新能源车轻量化，车载OBC、DC/DC转换器和高压配电盒等电控系统零部件集成的趋势明显。而SiC功率器件能够降低电驱系统体积和重量，提高系统的效率和可靠性，有望得到广泛应用。 图14：车载DC/DC转换器连接动力电池与各用电系统 “800V”+碳化硅，新能源车当前布局的热点。新能源车800V架构相较于400V架构，在同等功率下可降低系统功率损耗，提高充电效率，缩短充电时间，缓解车主的“充电焦虑”。在800V高压工况下，碳化硅功率器件，能显著降低系统开关/导通损耗，缩小体积减轻重量。根据纬湃科技数据，单个逆变器输出功率从50kW增加到180kW的过程中，传统硅基逆变器总损耗功率从2kW左右增加到5kW左右，而碳化硅基逆变器在180kW输出功率下总功率损耗仍不足2kW。据英飞凌介绍，搭配碳化硅功率器件的800V系统能使新能源汽车的续航里程提升7-10%。在如今众多厂商纷纷布局800V高压平台的背景下，碳化硅功率器件也得到了重点关注。 图15：SiC功率器件在大功率场景性能更优 图16：800V下SiC器件功率损耗更低 图17：多家汽车厂商布局800V电压平台 各大主流新能源车厂商积极布局碳化硅车型。201