首页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。
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%。
(资料图)
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。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。SiC MOSFET 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。
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。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。
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%。
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。
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。
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。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。
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。
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 Si IGBT 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%。
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。
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。
“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。
各大主流新能源车厂商积极布局碳化硅车型。2018 年特斯拉率先在 Model 3 中将 IGBT 模块换成了 SiC 模块。2020 年 2 月，比亚迪宣布 将在新上市汉 EV 车型上搭载自主研发的碳化硅功率模块。自此越来越 多的汽车厂商开始在主驱逆变器、OBC 上应用碳化硅功率器件，比亚迪 新款唐 EV、吉利 Smart 精灵#1、蔚来 ET7、小鹏 G9、现代 IONIQ5、 保时捷 Tayan 等众多车型已经宣布采用碳化硅功率器件。2023 年比亚 迪仰望硬派越野U8和性能超跑 U9、红旗新能源轿车E001和SUV E202、起亚 EV6 GT、现代 IONIQ 6、玛莎拉蒂 GranTurismo Folgore 等车型 均宣布采纳了碳化硅技术。
应用于直流快速充电桩的碳化硅市场空间未来有望大增。由于成本的原 因，目前直流充电桩的碳化硅器件使用比例还相对较低。但通过配置碳 化硅功率器件，直流快速充电桩能极大简化内部电路，提高充电效率， 减小散热器的体积和成本，减小系统整体的尺寸、重量。随着 800V 快 充技术的应用，直流充电桩碳化硅市场有望高速增长。据 CASA 测算， 2021 年我国充电桩用第三代半导体电力电子市场空间约 5400 万元， 2026 年有望达到 24.9 亿元，五年年均复合增速达 115%。
3.碳化硅“追光”，拓展光伏储能新应用场景
采用碳化硅功率器件，光伏逆变器能够进一步提高效率、降低损耗。光 伏发电系统里，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右，却 是系统能量损耗的主要来源之一。光伏逆变器采用碳化硅功率模块之后， 转换效率可从 96%提升至 99%以上，能量损耗降低 30%以上，极大提 升设备循环寿命，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。
光伏逆变器龙头厂商积极布局基于碳化硅的逆变器产品。2019 年，阳 光电源在国际光伏欧洲展上首次推出了 SG250HX 型号光伏组串式逆变 器，该款逆变器采用了英飞凌公司碳化硅技术，支持 1500V 高压直流 输入和 800V 交流电压输出，系统效率最高可达到 99%，仅重 95kg， 尺寸为 1051mm×660mm×363mm，功率密度达 1000W/L。台达 M70A 系列三相光伏组串逆变器产品也采用了安森美半导体的碳化硅 技术，能量转换效率最高可达 98.8%。
光伏第三代半导体功率器件市场前景广阔。光伏电站直流端电压等级逐 渐从 1000V 提升至 1500V，未来有望再提升至 2000V。大电压环境下 碳化硅功率器件的性能优势凸显。伴随光伏逆变器出货量的快速增长以 及碳化硅功率器件渗透率的提升，光伏碳化硅功率器件市场将迅速成长。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，同比增长 56%，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%。
储能进一步拓宽了碳化硅的市场。随着可再生能源发电占比提高，储能 系统成为刚需，在中欧美等全球主要市场呈爆发式增长。储能系统中， 需使用 DC/DC 升压转换器，双向逆变器等关键零部件，碳化硅功率器 件进一步打开了市场空间。
碳化硅功率器件助力 PET 应用落地，将受益于智能电网领域。PET （power electronic transformer）即电力电子变压器，也称为固态变 压器。相较于传统工频交流变压器，PET 除了具备电压变换和电气隔离 功能之外，还能实现故障切除、交流侧功率调控、分布式可再生能源接入、与其他智能设备互联通讯等功能。PET 具备高频工作特性，相较传 统变压器，其体积显著减小、质量显著减轻。PET 目前集中应用于智能 电网/能源互联网、电力机车牵引用的车载变流器系统和分布式可再生能 源发电并网系统等中、高压大功率的场合。碳化硅器件是简化电力电子 变流器拓扑结构的重要方向，PET 有望成为碳化硅又一增量市场。
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