碳化硅行業專題：第三代半導體明日之星“上車+追光”跑出發展加速度-230506（20頁）.pdf

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1、請務必閱讀正文之后的免責條款部分 摘要：第三代半導體材料是以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料。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、功率密度高等優勢，可實現功率模塊小型化、輕量化。主要應用于新能源汽車/充電樁、光伏發電、智能電網、軌道交通、航空航天等領域。憑借性能優勢碳化硅功率器件有望迎來快速發展。2021 年全球第三代功率半導體市場滲透率約為 4.6%-7.3%，較 2020 年滲透率提升約 2%。根據 Yole 數據，2021 年全球碳化硅功率器件市場規模約為 10.90 億美元，2027 年全球導電型碳化硅功率器件市場空間有望突破至 62.9

2、7 億美元，六年年均復合增速約為 34%。碳化硅器件“上車”加快，800V 高壓平臺蓄勢待發。功率器件主要應用于新能源車的主驅逆變器、車載充電機、DC/DC 轉換器和非車載充電樁等關鍵電驅電控部件。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、開關損耗和耐高溫性方面具備明顯優勢。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一步加速碳化硅需求增長。碳化硅“追光”，拓展光伏儲能新應用場景。碳化硅功率模塊可使逆變器轉換效率提升至99%以上

3、，能量損耗降低 30%以上，同時具備縮小系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低系統散熱要求等優勢。根據 CASA 數據，2021 年中國光伏領域第三代功率半導體的滲透率超過 13%，市場規模約 4.78 億元，預計 2026 年光伏用第三代半導體市場空間將接近 20 億元，五年 CAGR 超過 30%。另外，隨著可再生能源發電占比提高以及智能電網的應用，儲能系統與電力電子變壓器進一步拓寬了碳化硅的市場。風險提示：國產替代不及預期；800V 技術滲透不及預期；成本下降不及預期；行業競爭加劇。作者 石巖 0755-23976068 龐鈞文 021-38674703 馬銘宏 0755-239

4、76068 相關報告 電氣設備國內外共振，充電樁進入發展快車道 2023.03.31 電氣設備國內外共振，充電樁進入發展快車道 2023.03.11 電氣設備主齒輪箱滑軸訂單落地，替代發展提速 2022.12.29 電氣設備度過供給側瓶頸，一體化迎接量利齊升 2022.12.27 電氣設備滲透率持續提升，國產微逆揚帆遠航 2022.12.22 碳化硅行業專題 第三代半導體明日之星，“上車+追光”跑出發展加速度 相關行業：電氣設備 2023.05.06 行業專題 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 2 of 20 目 錄 1.碳化硅第三代半導體的明日之星.3 2.碳化硅器件“上車”加快，800V

5、高壓平臺蓄勢待發.9 3.碳化硅“追光”，拓展光伏儲能新應用場景.16 4.風險提示.19 FZgVYZiYeXFZlYYZmU8Z7NbP7NnPnNpNpMkPqQmRjMrRpR7NqRrRNZtRvNxNmPyQ 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 3 of 20 1.碳化硅第三代半導體的明日之星 根據研究和規?；瘧玫臅r間先后順序，業內將半導體材料劃分為三代。常見的半導體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等材料，第一代半導體材料以硅和鍺等元素半導體為代表。第一代半導體主要應用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中，被廣泛應用于集成電路

6、。硅基半導體材料是目前產量最大、應用最廣的半導體材料，市場占比達到 90%以上。第二代半導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，被廣泛應用于光電子和微電子領域。砷化鎵是制作半導體發光二極管和通信器件的關鍵襯底材料。第三代半導體材料是指以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料。碳化硅有多種晶型，4H-SiC 和 6H-SiC 已經開始商用，其中 4H-SiC 廣泛應用于制造功率半導體器件。采用第三代半導體材料制備的半導體器件能夠在高溫下穩定工作，適用于高壓、高頻場景。表 1：第三代半導體材料禁帶寬度大 指標參數 Si GaAs 6

7、H-SiC 4H-SiC GaN 禁帶寬度(eV)1.12 1.43 3.03 3.26 3.45 介電常數 11.9 13.1 9.66 10.1 9 擊穿電場強度(kV/cm)300 400 2500 2200 2000 熱導率(W/(cmK)1.5 0.46 4.9 4.9 1.3 飽和電子漂移速率(107cm/s)1 1 2 2 2.2 數據來源：寬禁帶半導體 ZnO、GaN 及其相關材料的微結構調控與性能研究，國泰君安證券研究 碳化硅材料性能優勢引領功率器件新變革。功率器件的作用是實現對電能的處理、轉換和控制。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

8、低、功率密度高等優勢，可實現功率模塊小型化、輕量化。相同規格的碳化硅基 MOSFET 與硅基 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 4 of 20 MOSFET 相比，其尺寸可大幅減小至原來的 1/10，導通電阻可至少降低至原來的 1/100。相同規格的碳化硅基 MOSFET 較硅基 IGBT 的總能量損耗可大大降低 70%。表 2：SiC 制成的功率器件性能優勢明顯 材料指標 用碳化硅制備器件的性能優勢 擊穿場強高 可提高耐壓容量、工作頻率和電流密度 并大大降低器件的導通損耗 禁帶寬度大 極限工作溫度高 熱導率高 對散熱的設計要求更低，有助于實現設備的小型化 飽和電子漂移速率快 可以實現更高的工

9、作頻率和更高的功率密度 數據來源：天岳先進招股說明書，國泰君安證券研究 圖 1：碳化硅基功率器件厚度可降至硅基功率器件的 1/10 數據來源：ROHM 碳化硅襯底可分為半絕緣型和導電型。其中，在導電型襯底上生長碳化硅外延層即可得到碳化硅外延片，進一步可制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT 等各類功率器件，應用于新能源汽車、充電樁、光伏發電、智能電網、軌道交通、航空航天等領域。請務必閱讀正文之后的免責條款部分 5 of 20 圖 2：碳化硅襯底可分為半絕緣型和導電型，應用于不同領域 數據來源：天科合達招股說明書，國泰君安證券研究 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

10、度較低，起步時間較早，目前發展已經相對成熟。碳化硅晶體管包括MOSFET、IGBT 等。SiC MOSFET 由于較低的開關損耗，更適合應用于高頻工作；SiC IGBT 由于較低的導通損耗，在智能電網等高功率領域更具優勢。2010 年，日本 ROHM 公司和美國 Cree 公司率先實現了 SiC MOSFET 商業化應用，目前 SiC MOSFET 是最為成熟、應用最廣的碳化硅功率開關器件。表 3：功率器件分為二極管和晶體管 種類 特點 PiN 二極管 高耐壓大電流，反向恢復產生損耗大 肖特基勢壘二極管(SBD)開關速度快，導通損耗小，耐壓較低 結型勢壘肖特基二極管(JBS)結合前兩者優點，多

11、用于低壓領域 混 PiN/肖特基二極管(MPS)結合前兩者優點，可用于中高壓領域 MOSFET 具有高耐壓、高耐溫、高頻工作特性，適用于中高壓領域 IGBT 結合 MOSFET 和 BJT 的優點，適用于 高壓大電流場合 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 6 of 20 數據來源：碳化硅電力電子器件及其在電力電子變壓器中的應用，國泰君安證券研究 碳化硅功率器件生產廠商以歐美日企業為主，2021 年全球 CR5 達到96%。根據 Yole 數據，2021 年全球導電型碳化硅功率器件市場份額基本由意法半導體、英飛凌、Wolfspeed、羅姆、安森美、三菱電機等海外廠商壟斷。國內碳化硅功率器件主要廠

12、商包括比亞迪半導體、斯達半導、時代電氣等企業。圖 3：2021 年全球導電型碳化硅功率器件市場由海外廠商主導 數據來源：Yole，國泰君安證券研究 碳化硅基 MOSFET 價格仍數倍于硅基 IGBT 價格。目前在上游襯底環節，最成熟的碳化硅 PVT 技術生晶速度約為 0.2-0.4mm/h，遠慢于硅基拉棒速度，且溫度較難控制，易生成雜質晶型，導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、薄化和拋光等技術也有待改進。所以目前碳化硅功率器件價格相較于同規格硅基器件仍有數倍差距，一定程度上限制了碳化硅器件滲透率的提高。表 4：目前 SiC MOSFET 價格仍較高 廠商 產品型號 產品類型

13、 產品參數 渠道含稅報價（元/個）STMicroelectronics STGYA50H120DF2 Si IGBT 1200V 100A 79.0209 Wolfspeed C3M0021120K SiC MOSFET 1200V 100A 292.1163 ROHM RGTH80TS65GC11 Si IGBT 650V 70A 34.3294 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 7 of 20 ROHM SCT3030AW7TL SiC MOSFET 650V 70A 313.1569 數據來源：Mouser，國泰君安證券研究 憑借性能優勢碳化硅功率器件已逐步拓展應用。經過數十年發展，硅基

14、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用需求。碳化硅功率器件憑借其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，逐漸得到更廣泛的應用。根據 CASA 數據，2021 年全球第三代功率半導體市場滲透率約為 4.6%-7.3%，較 2020 年滲透率提升約 2%。圖 4：碳化硅功率器件應用領域廣泛 數據來源：Semishare 官網、Yole 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 8 of 20 全球碳化硅功率半導體器件市場空間有望快速擴張。市場空間方面，根據 Yole 數據，2021 年全球碳化硅功率器件市場規模約為10.90 億美元，同比增長 57%。2027 年全球導電型碳化硅功率器

15、件市場空間有望突破至 62.97 億美元，六年年均復合增長率約為 34%。市場結構方面，新能源汽車應用主導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%，預計 2027 年占比提升至 79%。其他下游應用包括光伏發電、智能電網及軌道交通等領域。圖 5：2021-2027 年全球導電型碳化硅功率器件市場空間CAGR 約 34%（單位：百萬美元）數據來源：Yole，國泰君安證券研究 中國 2021 年第三代半導體功率器件市場規模超過70 億元。根據 CASA數據，2021 年國內 SiC、GaN 功率半導體市場規模約為 71.1 億元，同比增長51.9%，

16、第三代半導體在電力電子領域滲透率超過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。請務必閱讀正文之后的免責條款部分 9 of 20 圖 6：2026 年我國第三代半導體電力電子市場空間有望達到 500 億元 圖 7：新能源汽車是我國第三代半導體電力電子最主要的應用市場 數據來源：CASA、國泰君安證券研究 數據來源：CASA、國泰君安證券研究 2.碳化硅器件“上車”加快，800V 高壓平臺蓄勢待發 碳化硅功率器件主要應用于新能源

17、車的電驅電控系統。相較于傳統硅基功率半導體器件，碳化硅功率器件在耐壓等級、開關損耗和耐高溫性方面具備明顯的優勢，有助于實現新能源車電力電子驅動系統輕量化、高效化，廣泛應用于新能源車的主驅逆變器、OBC、DC/DC 轉換器和非車載充電樁等關鍵電驅電控部件。圖 8：碳化硅在新能源車的電驅系統中廣泛應用 數據來源：ROHM 新能源車是碳化硅功率器件最大的下游終端市場。根據 Yole 數據，2021年全球新能源汽車碳化硅市場規模為 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，六年復合增速達 39%。具體到零部件來看，逆變器中碳化硅價值量占比高達 90%，OBC 和

18、 DC/DC轉換器中的碳化硅價值量較低。請務必閱讀正文之后的免責條款部分 10 of 20 圖 9：2027 年全球車載碳化硅市場空間約 50 億美元 圖 5：逆變器是需求碳化硅最主要的零部件 數據來源：Yole、國泰君安證券研究 數據來源：Yole、國泰君安證券研究 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 CASA 數據，當前碳化硅應用范圍逐步從高端車型下探。續航里程在 500km 以下的新能源車型有望逐步實現碳化硅功率器件的應用。表 5：碳化硅在新能源

19、車中的滲透率持續提升 車型續航里程 滲透率情況 500km 以上 到 2023 年，電機控制器 SiC 滲透率有望達到 100%400km-500km 在 2023 年左右，電機控制器將開始使用 SiC 功率半導體，整體滲透率在 40%左右 400km 以下 將在 2025 年以后使用 SiC 功率半導體，整體滲透率小于 10%數據來源：CASA，國泰君安證券研究 電車逆變器中應用碳化硅功率半導體器件性價比較高。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和功率模塊的體積，降低驅動系統的能量損耗。據 Wolfspee

20、d 測算，當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的體積和重量，提升整車 5%-10%的續航里程。根據 ROHM 的試驗結果，采用 SiC MOSFET 替代 IGBT，車輛行駛的綜合電費成本可節約 6%，其中在市區內可節約 10%。請務必閱讀正文之后的免責條款部分 11 of 20 圖 11：應用 SiC MOSFET 車輛行駛電耗較低 圖 6：應用 SiC MOSFET 的逆變器效率明顯提高 數據來源：ROHM 數據來源：ROHM 表 6：使用 SiC MOSFET 替換 IGBT 可以降低電費與電池成本 使用器件 電費 每公里的電費 10000km 100

21、kWh 電池 第四代 SiC MOSFET 7.11km/kWh 3.52 日元/km 35200 日元 94.5 萬日元 IGBT 6.72km/kWh 3.72 日元/km 37200 日元 100 萬日元 數據來源：ROHM（假設電費為 25 日元/kWh，電池為 100 萬日元/100kwh），國泰君安證券研究 OBC 使用碳化硅功率器件，具備全生命周期降本優勢。OBC 主要負責將地面電網輸入的交流電轉化為直流電供給車載動力電池進行充電，其重量、尺寸和效率對于新能源車至關重要。根據 Wolfspeed，全 SiC 單向OBC較Si/SiC混合單向 OBC成本節約10%，功率密度提升約5

22、0%，效率提升約 2%，全生命周期內可帶來$435 的成本節約。對于 22kW 雙向 OBC，使用 SiC 還可降低功率半導體數量，節省約 20%的系統成本。圖 7：OBC 是電驅電控系統關鍵零部件之一 數據來源：Wolfspeed 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 12 of 20 表 7：應用 SiC 的單向 OBC 全生命周期成本優勢顯著 項目 硅/碳化硅混合 純碳化硅 系統成本 100%90%，0.99 0.99 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 17 of 20 輸出電壓 480Vac 480Vac 額定工作溫度-30-60（大于45額定功率降低）-30-60 冷卻系統 強制風冷 強

23、制風冷 重量 173kg 33kg 功率密度 0.3kW/kg 1.5kW/kg 體積 0.41m3 0.09m3 數據來源：Wolfspeed，國泰君安證券研究 光伏逆變器龍頭廠商積極布局基于碳化硅的逆變器產品。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，支持 1500V 高壓直流輸入和 800V 交流電壓輸出，系統效率最高可達到 99%，僅重 95kg，尺寸為 1051mm660mm363mm，功率密度達 1000W/L。臺達M70A 系列三相光伏組串逆變器產品也采用了安森美半導體的碳化硅技術，能量轉換效率最

24、高可達 98.8%。圖 19：陽光電源 SG250HX 型號產品采用了碳化硅技術 數據來源：陽光電源，國泰君安證券研究 光伏第三代半導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。大電壓環境下碳化硅功率器件的性能優勢凸顯。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。請務必閱讀正文之后的免責條款部分 18 of 20 根據 CASA 數據，2021 年中國光伏領域第三代功率半導體的滲透率超過 13%，市場規模約 4.78 億元，同比增長 56%，預計 2026 年光伏用第三代

25、半導體市場空間將接近 20 億元，五年 CAGR 超過 30%。圖 8：全球光伏逆變器出貨量快速增長 圖 9：光伏逆變器中碳化硅功率器件占比將快速提升 數據來源：中商情報網，國泰君安證券研究 數據來源：天科合達招股說明書，國泰君安證券研究 儲能進一步拓寬了碳化硅的市場。隨著可再生能源發電占比提高，儲能系統成為剛需，在中歐美等全球主要市場呈爆發式增長。儲能系統中，需使用 DC/DC 升壓轉換器，雙向逆變器等關鍵零部件，碳化硅功率器件進一步打開了市場空間。圖 10：儲能系統中需使用升壓轉換器和雙向逆變器 數據來源：Wolfspeed 碳化硅功率器件助力 PET 應用落地，將受益于智能電網領域。PE

26、T（power electronic transformer）即電力電子變壓器，也稱為固態變壓器。相較于傳統工頻交流變壓器，PET 除了具備電壓變換和電氣隔離功能之外，還能實現故障切除、交流側功率調控、分布式可再生能源接 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 19 of 20 入、與其他智能設備互聯通訊等功能。PET 具備高頻工作特性，相較傳統變壓器，其體積顯著減小、質量顯著減輕。PET 目前集中應用于智能電網/能源互聯網、電力機車牽引用的車載變流器系統和分布式可再生能源發電并網系統等中、高壓大功率的場合。碳化硅器件是簡化電力電子變流器拓撲結構的重要方向，PET 有望成為碳化硅又一增量市場。圖 2

27、3：第三代半導體可用于電力電子變壓器 數據來源：碳化硅電力電子器件及其在電力電子變壓器中的應用 4.風險提示 國產替代不及預期。碳化硅功率半導體行業屬于技術密集型行業，若國內技術研發進展不及預期，國產替代進程受阻。800V 技術滲透不及預期。新能源汽車 800V 架構和 800V 快充技術滲透不及預期，將影響碳化硅功率半導體發展。成本下降不及預期。碳化硅功率半導體生產成本高，若成本下降不及預期，將導致下游應用的滲透放緩。行業競爭加劇。國內外企業積極擴產，若未來行業競爭加劇導致產能過剩，企業盈利能力將會下降。請務必閱讀正文之后的免責條款部分 20 of 20 本公司具有中國證監會核準的證券投資咨

28、詢業務資格本公司具有中國證監會核準的證券投資咨詢業務資格 分析師聲明分析師聲明 作者具有中國證券業協會授予的證券投資咨詢執業資格或相當的專業勝任能力，保證報告所采用的數據均來自合規渠道，分析邏輯基于作者的職業理解，本報告清晰準確地反映了作者的研究觀點，力求獨立、客觀和公正，結論不受任何第三方的授意或影響，特此聲明。免責聲明免責聲明 本報告僅供國泰君安證券股份有限公司（以下簡稱“本公司”）的客戶使用。本公司不會因接收人收到本報告而視其為本公司的當然客戶。本報告僅在相關法律許可的情況下發放，并僅為提供信息而發放，概不構成任何廣告。本報告的信息來源于已公開的資料，本公司對該等信息的準確性、完整性或可

29、靠性不作任何保證。本報告所載的資料、意見及推測僅反映本公司于發布本報告當日的判斷，本報告所指的證券或投資標的的價格、價值及投資收入可升可跌。過往表現不應作為日后的表現依據。在不同時期，本公司可發出與本報告所載資料、意見及推測不一致的報告。本公司不保證本報告所含信息保持在最新狀態。同時，本公司對本報告所含信息可在不發出通知的情形下做出修改，投資者應當自行關注相應的更新或修改。本報告中所指的投資及服務可能不適合個別客戶，不構成客戶私人咨詢建議。在任何情況下，本報告中的信息或所表述的意見均不構成對任何人的投資建議。在任何情況下，本公司、本公司員工或者關聯機構不承諾投資者一定獲利，不與投資者分享投資收

30、益，也不對任何人因使用本報告中的任何內容所引致的任何損失負任何責任。投資者務必注意，其據此做出的任何投資決策與本公司、本公司員工或者關聯機構無關。本公司利用信息隔離墻控制內部一個或多個領域、部門或關聯機構之間的信息流動。因此，投資者應注意，在法律許可的情況下，本公司及其所屬關聯機構可能會持有報告中提到的公司所發行的證券或期權并進行證券或期權交易，也可能為這些公司提供或者爭取提供投資銀行、財務顧問或者金融產品等相關服務。在法律許可的情況下，本公司的員工可能擔任本報告所提到的公司的董事。市場有風險，投資需謹慎。投資者不應將本報告作為作出投資決策的唯一參考因素，亦不應認為本報告可以取代自己的判斷。在

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