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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，可實現(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規(guī)模約為10.90億美元，2027年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌隹臻g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高壓平臺蓄勢待發(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、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價格相比于Si IGBT價格仍然較高，但碳化硅功率器件在耐壓等級、開關(guān)損耗和耐高溫性方面具備明顯優(yōu)勢。新能源汽車已成為碳化硅功率器件最主要的市場。在目前各大主流車廠積極布局800V電壓平臺的背景下，碳化硅的性價比突出，市場前景廣闊。配套的直流充電樁市場將進(jìn)一步加速碳化硅需求增長。

? 碳化硅“追光”，拓展光伏儲能新應(yīng)用場景。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，同時具備縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低系統(tǒng)散熱要求等優(yōu)勢。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2021年中國光伏領(lǐng)域第三代功率半導(dǎo)體的滲透率超過13%，市場規(guī)模約4.78億元，預(yù)計2026年光伏用第三代半導(dǎo)體市場空間將接近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。 ?

風(fēng)險提示：國產(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)競爭加劇。 ? ?

1.??碳化硅——第三代半導(dǎo)體的明日之星

根據(jù)研究和規(guī)模化應(yīng)用的時間先后順序，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、高頻場景。 ?

? 碳化硅材料性能優(yōu)勢引領(lǐng)功率器件新變革。功率器件的作用是實現(xiàn)對電能的處理、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，可實現(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%。 ?

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? 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，起步時間較早，目前發(fā)展已經(jīng)相對成熟。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。2010年，日本ROHM公司和美國Cree公司率先實現(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袌龇蓊~基本由意法半導(dǎo)體、英飛凌、Wolfspeed、羅姆、安森美、三菱電機等海外廠商壟斷。國內(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)、時代電氣等企業(yè)。 ?

碳化硅基MOSFET價格仍數(shù)倍于硅基IGBT價格。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)體器件市場空間有望快速擴張。市場空間方面，根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模約為10.90億美元，同比增長57%。2027年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌隹臻g有望突破至62.97億美元，六年年均復(fù)合增長率約為34%。市場結(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，2021年車用碳化硅功率器件占整個SiC功率器件市場的63%，預(yù)計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2021年第三代半導(dǎo)體功率器件市場規(guī)模超過70億元。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2021年國內(nèi)SiC、GaN功率半導(dǎo)體市場規(guī)模約為71.1億元，同比增長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)體電力電子市場有望保持約40%的年均增速，2026年市場空間有望達(dá)到500億元。新能源汽車/充電樁市場是增長動力的最重要來源。 ?

2.??碳化硅器件“上車”加快，800V高壓平臺蓄勢待發(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、開關(guān)損耗和耐高溫性方面具備明顯的優(yōu)勢，有助于實現(xiàn)新能源車電力電子驅(qū)動系統(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。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021年全球新能源汽車碳化硅市場規(guī)模為6.85億美元，到2027年全球新能源車碳化硅市場空間將接近50億美元，六年復(fù)合增速達(dá)39%。具體到零部件來看，逆變器中碳化硅價值量占比高達(dá)90%，OBC和DC/DC轉(zhuǎn)換器中的碳化硅價值量較低。 ?

? 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)體器件性價比較高。雖然目前SiC MOSFET價格相比于Si IGBT價格仍然較高，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)動系統(tǒng)的能量損耗。據(jù)Wolfspeed測算，當(dāng)純電動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的試驗結(jié)果，采用SiC MOSFET替代IGBT，車輛行駛的綜合電費成本可節(jié)約6%，其中在市區(qū)內(nèi)可節(jié)約10%。 ?

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? OBC使用碳化硅功率器件，具備全生命周期降本優(yōu)勢。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力電池進(jìn)行充電，其重量、尺寸和效率對于新能源車至關(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。 ?

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? 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)從車載動力電池取電，為整車提供低壓供電，同時為車載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。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高壓平臺的背景下，碳化硅功率器件也得到了重點關(guān)注。 ?

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? 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)。 ?

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? 應(yīng)用于直流快速充電樁的碳化硅市場空間未來有望大增。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有望高速增長。據(jù)CASA測算，2021年我國充電樁用第三代半導(dǎo)體電力電子市場空間約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%。 ?

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3.?碳化硅“追光”，拓展光伏儲能新應(yīng)用場景

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、延長器件使用壽命、降低系統(tǒng)散熱要求等優(yōu)勢。

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，陽光電源在國際光伏歐洲展上首次推出了SG250HX型號光伏組串式逆變器，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)體功率器件市場前景廣闊。光伏電站直流端電壓等級逐漸從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)勢凸顯。伴隨光伏逆變器出貨量的快速增長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將迅速成長。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)，2021年中國光伏領(lǐng)域第三代功率半導(dǎo)體的滲透率超過13%，市場規(guī)模約4.78億元，同比增長56%，預(yù)計2026年光伏用第三代半導(dǎo)體市場空間將接近20億元，五年CAGR超過30%。

? 儲能進(jìn)一步拓寬了碳化硅的市場。隨著可再生能源發(fā)電占比提高，儲能系統(tǒng)成為剛需，在中歐美等全球主要市場呈爆發(fā)式增長。儲能系統(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、高壓大功率的場合。碳化硅器件是簡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。 ?

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4.??風(fēng)險提示

國產(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)，若國內(nèi)技術(shù)研發(fā)進(jìn)展不及預(yù)期，國產(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)競爭加劇。國內(nèi)外企業(yè)積極擴產(chǎn)，若未來行業(yè)競爭加劇導(dǎo)致產(chǎn)能過剩，企業(yè)盈利能力將會下降。 - END -

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