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

阅读正文之后的免责条款部分行业专题行业专题碳化硅行业专题作者加速岩加速hiyan019020@2023.05.06庞钧 pangjunwen@为代表的宽禁带半导体材料。以碳化硅为衬底制马铭宏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、功率密度高等气设备《国内外共振，充电桩进入发展快车道》电气设备《国内外共振，充电桩进入发电气设备《国内外共振，充电桩进入发展快车道》电气设备《国内外共振，充电桩进入发展快车道》电气设备《主齿轮箱滑轴订单落地，替代发展提速》电气设备《度过供给侧瓶颈，一体化迎接量利齐升》电气设备《渗透率持续提升，国产微逆扬帆远航》10.90亿美元，2027年全球导电型碳化硅功率器件市场34%。DCDC控部件。尽管SiCMOSFET于SiIGBT价格仍然较高，但碳化硅功率器件在耐压等级、开关功率器件最主要的市场。件代半f目录 64.风险提示 191.碳化硅——第三代半导体的明日之星材料划分为三代。氮化镓(GaN)等材料，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。iC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参数GaAs6H-SiC4H-SiCGaN禁带宽度(eV)常数9击穿电场强度(kV/cm)热导率(W/(cm·K))饱和电子漂移速率(×107cm/s)1122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ofof20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%。料指标化硅制备器件的性能优势场强高可提高耐压容量、工作频率和电流密度并大大降低器件的导通损耗禁带宽度大限工作温度高率高对散热的设计要求更低，有助于实现设备的小型化饱和电子漂移速可以实现更高的工作频率和更高的功率密度数据来源：天岳先进招股说明书，国泰君安证券研究降至硅基功率器件的1/10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商业化应用，目前SiCMOSFET是最为成熟、应用最广的碳高耐压大电流，反向恢复产生损耗大SBD)开关速度快，导通损耗小，耐压较低结型势垒肖特基二极管(JBS)结合前两者优点，多用于低压领域混PiN/肖特基二极管(MPS)结合前两者优点，可用于中高压领域中高压领域结合MOSFET和BJT的优点，适用于大电流场合泰君安证券研究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厂商产品型号产品类型产品参数渠道含税报价(元/个)STMicroelectronicsSTGYA50H120DF2SiIGBT1200V100A79.0209WolfspeedC3M0021120KSiCMOSFET1200V100A292.1163ROHMRGTHTSGCSiIGBT650V70A34.3294ROHM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，CASA半e57%。2027年全球导电型碳化硅功率器件市场空间有望突破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SiC027年占比提升至79%。其他 (单位：百万美元)望达到500亿元应用市场2.碳化硅器件“上车”加快，800V高压平台蓄势待发功率半导体器件，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、高六年复合增速达39%。具体到IGBT模块换成了SiCMOSFET模块，自此主流新能源车厂商纷CASA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航里程透率情况500km以上SiC100%400km-500kmSiC体渗透率在40%左右400km以下SiC率半导体，整体渗透率小于10%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SiCMOSFETSiCMOSFET器效率明显提高表6：使用SiCMOSFET替换IGBT可以降低电费与电池成本器件里的电费10000km100kWh电池第四代SiCMOSFETIGBT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，其目硅/碳化硅混合碳化硅统成本率密度统效率/碳化硅基生命周期成本净节约/400V架构，在同等功率下可降低系统功率损耗，提高充电效率，湃科技数据，单个逆变器输出功率从50kW增加到180kW的过程中，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V功率器件也得到了重点关注。SiC在大功率场景性能更优图16：800V下SiC器件功率损耗更低多家汽车厂商布局800V电压平台数据来源：各公司官网及公告，国泰君安证券研究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GIONIQS0T?Tesla33.??起S0T?Tesla33.??起定价(万)BYD汉E^高性能四驱版唐E^(新款)海豹长续航\四驱版硬派越野n8性能超跑n?S8.32起(补贴后)S2.?8起(补贴后)\\\\El2El下Ce\C?30.??起lucidMotorsIO/I后2IO/I后e\\E^E^eCl吉利Smart精灵#1202218.16起(补贴后)/旗新能源E01//拉蒂新RZ/数据来源：各公司官网，汽车之家(注：部分车型价格为海外定价)，国泰君安证券研究因，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，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，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，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SiIGBT方案SiCMOSFET方案出额定功率全功率MPPT范围定电压范围因数电压定工作温度 (大于45℃额定功率降低)却系统密度SGHX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kg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.8%。图19：阳光电源SG250HX型号产品采用了碳化硅技术数据来源：阳光电源，国泰君安证券研究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迅速成长。CASA渗透率超CAGR。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，DCDC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 (powerelectronictransformer)即电力电子变压器，也称为固态变功能之外，还能实现故障切除、交流侧功率调控、分布式可再生能源接4.风险提示00of20本公司具有中国证监会核准的证券投资咨询业务资格分析师声明业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力，保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析职业理解，本报告清晰准确地反映了作者的研究观点，力求独立、客观和公正，结论不受任何第三方的授意或免责声明本报告仅供国泰君安证券股份有限公司(以下简称“本公司”)的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为本公司修市场有风险，投资需谨慎。投资者不应将本报告作为作出投资决策的唯一参考因素，亦不应认为本报告可以取代自己