半导体行业研究：新能源车快速发展碳化硅迎来发展良机.pdf

- 1 - 敬请参阅最后一页特别声明 市场数据 (人民币） 市场优化平均市盈率 18.90 国金半导体指数 5856 沪深 300 指数 5114 上证指数 3414 深证成指 14202 中小板综指 12514 相关报告 1.新技术催化景气上行，国产替代空间广 阔 -半导体硅片行业深度， 2020.12.26 2. 2021 年年度策略报告 -2021 2022 年投 资展望，六个 .， 2020.11.26 3.半导体行业 2020 年三季报综述 -三季度 半导体高度景气，盈利指 .， 2020.11.5 4.集成电路扶持政策点评 -全产业链加大扶 持力度，分级优惠鼓励做强， 2020.8.5 5.半导体行业深度报告 -服务器芯片逆疫情 求生， 2020.4.20 樊志远 分析师 SAC 执业编号： S1130518070003 (8621)61038318 fanzhiyuan 邓小路 分析师 SAC 执业编号： S1130520080003 dengxiaolu 刘妍雪 分析师 SAC 执业编号： S1130520090004 liuyanxue 新能源车快速发展， 碳化硅迎来发展良机 投资建议 性能优异，第三代半导体应运而生 。 第三代半导体材料具有宽的禁带宽度， 高击穿电场、高热导率 及 高电子饱和速率，因而更适合于制作高温、高频及 大功率器件 。 2019 年中国 SiC、 GaN 电力电子器件应用市场中，消费电源是 第一大应用，占比 28%，工业及商业电源次之，占比 26%，新能源汽车排第 三，占比 11%，未来随着 SiC、 GaN 产品的成本下降，性价比优势开始凸 显，将会有更多的应用场景 。 预测 2027 年 SiC 器件的市场规模将从 2020 的 6 亿美元增长至 100 亿美元，呈现高速增长态势。 行业观点 新能源汽车快速发展， SiC 迎来发展良机 。 SiC 应用于新能源车，可以降低 损耗、减小模块体积重量、提升续航能力。 Model 3 率先采用 SiC，开启了电 动汽车使用 SiC 先河， 2020 年比亚迪汉也采用了 SiC 模块，有效提升了加速 性能、功率及续航能力，丰田燃料电池车 Mirai 车型搭载了 SiC，功率模块 体积降低了 30%，损耗降低了 70%。 新能源汽车迎来高速增长期， 2020 年 11 月，新能源汽车产销分别完成 19.8 万辆和 20 万辆，同比分别增长 75.1% 和 104.9%。 预测 2025 年全球新能源汽车有望达到 1100 万辆，中国占 50%。 新能源汽车需要新增大量的功率半导体 ， 48V 轻混需要增加 90 美元 以上 ， 电动或者混动需要增加 330 美元 以上，如果采用 SiC 器件，则单车价值量增 加更多。 目前有众多电动汽车品牌正在研发 SiC 方案，我们认为，随着成本 下降和技术的逐步成熟， SiC 在新能源车中具有较大的应用空间。其他领域 也有望快速渗透，预测 2025 年光伏逆变器 SiC 渗透率将由 2020 年的 10%提 升到 50%； 2030 年轨交 SiC 渗透率将由 2018 年的 2%提升到 30%。 碳化硅 6 英寸将成为主流，成本有望大幅下降 。 SiC 晶片向大尺寸发展，以 不断提高 芯片 利用率和生产效率。伴随 CREE 、 II VI 等企业 6 英寸 SiC 晶 片制造技术的成熟， 6 英寸产品质量和稳定性逐渐提高，国外下游器件制造 厂商对 SiC 晶片的采购需求逐渐由 4 英寸向 6 英寸转化 ， 国内也正在积极向 6 寸方向发展。 2018-2020 年， SiC 产品价格 保持 平稳，预计 2021 年 在电动 汽车需求拉动下， 价格 继续 保持稳定； 伴随大量扩产及 产能 不断释放，将会 出现较大幅度 成本下降 ，预测 2025 年 SiC 产品价格仅有目前的 1/51/4。 美、欧、日系企业优势明显 ， 中国 SiC 产业链逐渐完善 。 欧美日企业 领先 ， 其中美国优势最为明显 ， 2019 年全 球 SiC 产量的 70%80%来自美国公司， 其中 Cree 一家独大， 2020 年上半年 SiC 晶片 Cree 占比 45%。 国内 SiC 产业 链逐渐完善，企业快速发展， 市占率提升较快 ， 天科合达 的 SiC 晶片全球市 占率从 2018 年的 1.7%提升到了 2020 年上半年的 5.3%， 天科合达 的 SiC 晶 片全球市占率从 2018 年的 0.5%提升到了 2020 年上半年的 2.6%。预测 2025 年中国碳化硅晶片占全球比将从 2020 年的 8.6%提升至 16%。 推 荐 组 合 ： 科 锐 （ Cree ） 、 意 法 半 导 体 （ STMicro ）、英飞凌 （ Infineon）、 斯达半导 、 三安光电 风险提示 SiC 成本居高不下，各领域应用不达预期，新能源车发展低于预期 。 2020年 12月 31 日 创新技术与企业服务研究中心 半导体 行业研究 买入 （ 维持评级 ） ) 行业 深度研究 证券研究报告 行业 深度研究 - 2 - 敬请参阅最后一页特别声明 内容目录 一 、 第三代半导体优势渐显，应用多点开花 . 4 1.1 性能优异，第三代半导体应运而生 . 4 1.2 碳化硅可降低能耗，缩小器件体积 . 5 1.3 碳化硅 6 英寸将成为主流，成本有望大幅下降 . 8 二 、 多领域需求驱动，碳化硅高速成长 . 8 2.1 碳化硅市场成长动力主要来自新能源汽车、光伏等 . 8 2.2 预测 2027 年碳化硅 功率器件的市场规模将 超过 100 亿 美元 . 9 2.3 预测 2025 年光伏发电逆变器 SiC 渗透率 50% . 10 2.4 预测 2030 年轨道交通 SiC 渗透率 30% . 10 三、 碳化硅在电动汽车领域有望大显身手 . 11 3.1 Model 3 率先采用 SiC MOSFET，开启了电动汽车使用 SiC 先河 . 12 3.2 电动汽车快速发展，碳化 硅迎来发展良机 . 14 四、 碳化硅市场被国际巨头占领，国内企业大力布局，奋起直追 . 16 4.1 美国 CREE 一家独大，欧、美、日系企业优势明显 . 16 4.2 中国大力布局碳化硅，产业链逐步完善 . 18 五 、 看好行业细分龙头 . 19 5.1 投资建议 . 20 5.2 风险提示 . 20 图表目录 图 表 1 ： SiC 和 GaN 适用范围 . 4 图表 2 ： SiC MOSFET 应用范围 . 5 图表 3 ： SiC MOSFET 与 Si IGBT 对比 . 5 图 表 4 ： 碳化硅功率器件主要应用领域 . 5 图表 5 ： SiC 和 IGBT 导通损耗优势对比 . 6 图表 6 ： IGBT 模块的 FRD 具有较大的反向恢复电流 . 6 图 表 7 ： HPDrive 封装 a)750V IGBT 模块 b)1200VCoolSiCTM . 6 图 表 8 ： 1200VCoolSiC 的节能效果 . 7 图表 9 ： SiC 器件在电动汽车中的应用 . 7 图表 10 ： SiC 在电动汽车应用中的优势 . 7 图 表 11 ： 全球碳化硅晶片企业各尺寸发展情况 . 8 图 表 12 ： 2017-2025 年 SiC 晶片价格趋势（ 4 英寸，元 /片） . 8 图 表 13 ： 2019 年中国 SiC、 GaN 电力电子器件应用市场结构 . 9 图 表 14 ： 全球 SIC 和 GaN各应用领域预测 . 10 图 表 15 ： 光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测 . 10 图 表 16 ： 轨道交通中碳化硅功率器件占比预测 . 11 图 表 17 ： SiC 在电动汽车中的应用 . 12 图表 18 ： Model 3 逆变器 PCB 板 . 12 图表 19 ： Model 3 逆变器 SiC MOSFET . 12 图 表 20 ： 比亚迪汉采用 SiC MOSFET 模块 . 13 图 表 21 ： 电装应用于燃料 电池） Mira 车型的 SiC 逆变器模块 . 14 图表 22 ： 搭载 SiC 功率 模块的全新 MIRAI 与原 MIRAI 性能对比 . 14 图表 23 ： 2020 年各种电动汽车半导体价 值量 . 15 图表 24 ： 2017-2020 年中国新能源汽车销量及同比变化情况 . 15 图表 25 ： 2025 年全球新能源汽车预测（万辆） . 16 图表 26 ： 2025 年中国新能源汽车预测（万辆） . 16 图 表 27 ： 全球碳化硅产业链主要公司 . 16 行业 深度研究 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 图 表 28 ： 近三年 Mouser 在售的 SiC、 GaN 器件及模块 产品数量（款） . 17 图 表 29 ： 英飞凌 SiC 业务增长趋势 . 17 图 表 30 ： 英飞凌沟槽式 SiC 竞争优势 . 18 图表 31 ： 2018 年导电型碳化硅厂商竞争格局 . 18 图表 32 ： 2019-2020H1 全球半导体 SiC 晶片市场份额 . 18 图 表 33 ： 2019 年国内部分重点第三代半导体领域投资项目 . 19 图 表 34 ： 2025 年碳化硅晶片出货量预测（万片） . 19 行业 深度研究 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 一 、 第三代半导体优势渐显，应用多点开花 1.1 性能优异，第三代半导体应运而生 半导体经过近百年的发展后，目前已经形成了三代半导体材料。第一代半 导体材料主要是指硅、锗元素等单质半导体材料；第二代半导体材料主要 是指化合物半导体材料，如砷化镓 (GaAs)、锑化铟（ InSb）； 01 三元化合 物半导体，如 GaAsAl、 GaAsP； 第三代半导体材料主要以碳化硅 (SiC) 、 氮化镓 (GaN)、氧化锌 (ZnO)、金刚石、氮化铝（ AlN）为代表的宽禁带半 导体材料，其中最为重要的就是 SiC 和 GaN。 SiC 和 GaN 基 MOSFETs 突破性能极限 ，技术升级势在必行： 和第一代、 第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有宽的禁带宽度，高的击穿 电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合 于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。为了追求更小的器件体积以及 更好的性能，功率器件厂商逐渐推进下一代技术方案的 SiC 和 GaN 基 MOSFETs。举例来讲， 1） SiC 基 MOSFETs 相较于硅基 MOSFETs 拥有高 度稳定的晶体结构，工作温度可达 600 ； 2） SiC 的击穿场强是 硅的十倍 多，因此 SiC 基 MOSFETs 阻断电压更高 ； 3） SiC 的导通损耗比硅器件小 很多 ， 而且随温度变化很小 ； 4） SiC 的热导系数几乎是 Si材料的 2.5 倍， 饱和电子漂移率是 Si的 2 倍，所以 SiC 器件能在更高的频率下工作。 图 表 1： SiC 和 GaN 适用范围 来源： 宽禁带半导体技术创新联盟、 国金证券研究所 SiC MOSFET 在 600V 以上具有较强的优势， 最高 可应用于 6500V 高压。 相对于传统的 Si 基 IGBT， SiC MOSFET 在电流密度、工作频率、可靠 性、漏电流等性能指标方面优势明显。 行业 深度研究 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 2： SiC MOSFET 应用范围 图表 3： SiC MOSFET 与 Si IGBT 对比 来源： Infineon、 国金证券研究所 来源： 旺材电动车 、 国金证券研究所 SiC 主要应用于白色家电、新能源（电动汽车、风电、光伏）、工业应用 等。 图 表 4： 碳化硅功率器件主要应用领域 来源： 旺材电动车、 国金证券研究所 1.2 碳化硅可降低能耗，缩小器件体积 碳化硅导通损耗和开关损耗优势明显。 就电动汽车逆变器而言，功率器件 是核心能量转换单元，其损耗包含两部分，导通损耗 Econ 和开关损耗 Esw。碳化硅在电流比较小也就是轻载的工况下导通损耗优势是比较明显 的，再结合轻载工况开关损耗占比更大（碳化硅开关损耗也低），这也印 证了为什么碳化硅更适合城市工况。因此逆变器应用碳化硅 MOS 体现在效 率 Map 上就是高效区面积比较大。另外，碳化硅 MOS 打开时双向导通， 又规避了 IGBT 模块在续流时， FRD 的导通压降比 IGBT 大的问题，进一 步降低导通损耗。 IGBT 模块的 FRD 在开关过程中存在反向恢复电流，反向恢复电流一方面 会给系统带来安全工作区、电磁兼容等负面影响，另外也额外增加了反向 恢复损耗；而碳化硅 MOS 则从材料及结构本身的特性上决定其非常小的反 向恢复电流；功率器件开关损耗很大程度上是由于其开关速度决定的， IGBT 本身由于开通时 FRD 的反向恢复过程，以及关断时存在拖尾电流， 导致其开关速度受到限制，开关损耗相对较高；而碳化硅 MOS 更像是一个 刚性开关，极快的开关速度带来更低的开关损耗。 行业 深度研究 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 5： SiC 和 IGBT 导通损耗优势对比 图表 6： IGBT 模块的 FRD 具有较大的反向恢复电流 来源： NE 时代 、 国金证券研究所 来源： NE 时代 、 国金证券研究所 碳化硅可降低整车能耗。 根据海外机构试验数据， 按照 WLTC 工况（更接 近实际城市工况）续航能力的提升，基于 750V IGBT 模块及 1200V 碳化硅 模块仿真显示， 400V 母线电压下，由 750V IGBT 模块替换为 1200V 碳化 硅模块，整车能耗降低 6.9%；如果电压提升至 800V，整车能耗将进一步 降低 7.6%。 图 表 7： HPDrive 封装 a)750V IGBT 模块 b)1200VCoolSiCTM 来源： NE 时代、 国金证券研究所 碳化硅除了有效率优势外，还具有以下优势： 相同电压、电流等级情况下，碳化硅 MOS 芯片面积比 IGBT 芯片要 小，设计出的功率模块功率密度更大，更小巧； 碳化硅芯片耐更高的温度，理论上远超 175； 高频电源设计能够缩小系统储能器件的体积，例如大电感及大容量电 容等。 行业 深度研究 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 图 表 8： 1200VCoolSiC 的节能效果 来源： 旺材电动车、 国金证券研究所 SiC 电力电子器件经历了与 Si 器件类似的发展历程，目前以 SBD 与 MOSFET 技术最为成熟。 特斯拉 Model3 及比亚迪汉已采用 SiC 模块， SiC 模块优势明显，随着成本 的进一步下降，未来将越来越多的电动汽车采用 SiC 模块，车用将是 SiC 模块最大的增长动力。 在车用方面， SiC MOSFET 在性能方面明显占优，可以降低损耗，减小模 块体积重量， IGBT 在可靠性鲁棒性方面占优。碳化硅器件应用于车载充电 系统和电源转换系统，能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度 、 提升 系统效率。目前全球已有超过 20 家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅 功率器件；碳化硅器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积， 提高充电速度。 图表 9： SiC 器件在电动汽车中的应用 图表 10： SiC 在电动汽车应用中的优势 来源： 旺材电动车 、 国金证券研究所 来源： 旺材电动车 、 国金证券研究所 SiC 虽好，但良率低、成本较高是制约发展因素。 虽然 SiC 是长期趋势， 但是 SiCMOSFET 短期内难以取代 IGBT。 SiC 在磊晶制作上有材料应力的 不一致性，造成晶圆尺寸在放大时磊晶层接合面应力会超出拉伸极限，导 致晶格损坏，降低了产品良率，故目前 SiC 芯片成品率低，晶圆尺寸主流 行业 深度研究 - 8 - 敬请参阅最后一页特别声明 仍维持 4 寸或 6 寸，无法取得大尺寸晶圆成本优势，生产成本过高。 当前 制约 SiC 器件发展的主要因素在于其高昂的价格，而成本的主要决定因素 是衬底和晶圆尺寸。随着未来 SiC 向大尺寸方向发展，良率有望进一步提 升，成本有望进一步下降，应用空间有望进一步打开。 1.3 碳化硅 6 英寸将成为主流，成本有望大幅下降 碳化硅晶片尺寸向大尺寸方向发展， 6 英寸晶片将成为主流。 与硅片类 似，第三代半导体碳化硅晶片向大尺寸方向发展，以不断提高下游对碳化 硅晶片的利用率和生产效率。伴随 CREE 、 II VI 等企业 6 英寸碳化硅晶片 制造技术的成熟完善， 6 英寸产品质量和稳定性逐渐提高，国外下游器件 制造厂商对碳化硅 晶片的采购需求逐渐由 4 英寸向 6 英寸转化。国内也正 在积极向 6 寸方向发展，在 8 英寸碳化硅晶片尚未实现产业化的情况下， 6 英寸碳化硅晶片将成为市场主 流产品。 图 表 11： 全球碳化硅晶片企业各尺寸发展情况 项目 CREE II-VI SiCrystal 山东天岳 天科合达 4 英寸晶片 成功研制并 规模化生产 成功研制并 规模化生产 成功研制并 规模化生产 成功研制并 规模化生产 成功研制并 规模化生产 6 英寸晶片 2012 年全 球首次成功 研制并规模 化生产 成功研制并 规模化生产 成功研制并 规模化生产 成功研制， 2019 年宣 布产线建设 计划 2014 年国 内首次成功 研制，已规 模化生产 8 英寸晶片 成功研制， 2019 年宣 布产线建设 计划 2015 年全 球首次成功 研制， 2019 年宣布产线 建设计划 2020 年启 动研发 来源： 天科合达、 国金证券研究所 预测 SiC 晶片大幅下降。 2018-2020 年期间， SiC 产品价格一直平稳，预计 2021 年价格依然会保持稳定；随着产能不断释放，半导体时代产业数据中 心预计，将会出现较大幅度价格下跌，预测 2025 年 SiC 产品价格仅有目前 的 1/51/4。 图 表 12： 2017-2025 年 SiC 晶片价格趋势（ 4英寸，元 /片） 来源： 半导体时代产业数据中心、 国金证券研究所 二 、 多领域需求驱动，碳化硅高速成长 2.1 碳化硅市场成长动力主要来自新能源汽车、光伏等 行业 深度研究 - 9 - 敬请参阅最后一页特别声明 我国作为全球最大的新能源汽车市场，随着特斯拉等品牌开始大量推进 SiC 解决方案，国内的厂商也快速跟进，以比亚迪为代表的整车厂商开始 全方位布局，推动第三代半导体器件的在汽车领域加速。第三代半导体器 件在充电桩领域的渗透快于整车市场，主要应用是直流充电。 2019 年，新 能源汽车细分市场的 SiC 器件应用规模（含整车和充电设施）约为 4.2 亿 元，较上年增长了 70%，未来五年预计将保持超过 30%的年均增长。 2019 年，第三代半导体电力电子器件在工业及商业电源的市场规模接近 9 亿 元，增速超过 30%。受 5G 浪潮、汽车电气化、物联网、智慧城市、军用 雷达等宏观要素推动，终端的消费电子、汽车电子带来更新换代需求；而 云端数据中心催化了服务器市场的高速增长；同时 5G 基站新浪潮带来了 通讯电源市场的爆发。一方面受通讯电源、服务器电源的市场高速增长影 响，另一方面在工商业电源中成本敏感度稍低，随着 SiC、 GaN 产品的成 本下降，大量解决方案的出台，第三代半导体产品的性价比开始凸显，因 此工商业领域，特别是毛利较高的高端市场，新技术的渗透较预期的快。 图 表 13： 2019 年中国 SiC、 GaN 电力电子器件应用市场结构 来源： CASA Research、 国金证券研究所 2.2 预测 2027 年碳化硅 功率器件的市场规模将 超过 100 亿 美元 2018 年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元，受新能源汽车庞大需求的 驱 动 以及电力设备等领域的 带动 ， IHS 预测到 2027 年碳化硅 功率器件的 市场规模将 超过 100 亿 美元。 2021 年起，受益电动汽车拉动， SiC MOSFET 将保持较快的速度增长，成为最畅销的分立 SiC 功率器件。 行业 深度研究 - 10 - 敬请参阅最后一页特别声明 图 表 14： 全球 SIC 和 GaN各应用领域预测 来源： Omdia、 国金证券研究所 2.3 预测 2025 年光伏发电逆变器 SiC 渗透率 50% 在 光伏发电应用中，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。使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与 碳化硅 SBD 结合 的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从 96%提升至 99% 以上，能量损耗 降低 50% 以上，设备循环寿命提升 50 倍，从而能够缩小系统体积 、增加功率密度、延长器件使用寿命 、降低生 产成本 。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋 势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器 件。 图 表 15： 光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测 来源： CASA、 国金证券研究所 2.4 预测 2030 年轨道交通 SiC 渗透率 30% 城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。轨道交通车辆 中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流 器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中牵引 变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，将 碳化硅器件应用于轨道 交通牵引变流器能极大发挥 碳化硅 器件高温、高频和低损耗特性， 提高 牵引变流器装置效率，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装 置的应用需求提升系统的体效能 。 2012 年 包含 碳化硅 SBD 的混合碳化硅 功率模块在东京地铁银座线 37 列车辆中商 业化应用，实现了列车牵引系统 节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅下降和冷却 单元 的小型 行业 深度研究 - 11 - 敬请参阅最后一页特别声明 化 ， 2014 年日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机 3300V/1500A 全碳化硅功率模块逆变器，开关损耗降低 55%、体积和重量减少 65 %，电 能损耗降低 20%36%。 2018 年碳化硅器件在轨道交通总占比约为 2%， CASA预测， 2030 年轨道交通碳化硅器件占比将达到 30%。 图 表 16： 轨道交通中碳化硅功率器件占比预测 来源： CASA、 国金证券研究所 三、 碳化硅在电动汽车领域有望大显身手 新能源车功率半导体价值量大幅增加： 新增功率器件价值量主要来自于汽 车的“三电”系统，包括电力控制，电力驱动和电池系统。在动力控制单 元中， IGBT 或者 SiC 模块将高压直流电转换为驱动三相电机的交流电；在 车载充电器 AC/DC 和 DC/DC 直流转换器中，都会用到 IGBT 或者 SiC、 MOS、 SBD 单管；在电动助力转向、水泵、油泵、 PTC、空调压缩机等高 压辅助控制器中都会用到 IGBT 单管或者模块；在 ISG 启停系统、电动车 窗雨刮等低压控制器中都会用到 MOS 单管。 行业 深度研究 - 12 - 敬请参阅最后一页特别声明 图 表 17： SiC 在电动汽车中的应用 来源： 电力电子网、 国金证券研究所 3.1 Model 3 率先采用 SiC MOSFET，开启了电动汽车使用 SiC 先河 特斯拉 逆变器模组上率先采用了 24 颗碳化硅 SiC MOSFET，该产品由意法 半导体提供，随后英飞凌也成为了特斯拉的 SiC 功率半导体供应商。整个 功率模块单元由单管模块组成，采用标准 6-switches 逆变器拓扑，每个 switch 由 4 颗单管模块组成，共 24 颗单管模块，器件耐压为 650V。 Model 3 的 SiC 单管模块设计与 Model S/X 采用 Infineon IGBT 单管思路一致，好 处是实现不同功率等级的可扩展，同时还能提升模块封装良率，降低半导 体器件成本。 图表 18： Model 3 逆变器 PCB 板 图表 19： Model 3 逆变器 SiC MOSFET 来源： 旺材电动车 、 国金证券研究所 来源： 旺材电动车 、 国金证券研究所 比亚迪汉采用 SiC MOSFET 提升加速性能、功率及续航能力。 2020 年，比亚迪汉 EV 车型电机控制器首次使用了比亚迪自主研发并制造 的 SiC MOSFET 控制模块，大大提高了电机性能。 碳化硅加速性能好。 宽禁带最直接的好处，有更高的击穿场强，也就是耐 高压，即是可以控制更高的系统电压。比亚迪汉能够使用 650V 电压平 行业 深度研究 - 13 - 敬请参阅最后一页特别声明 台，也有碳化硅的功劳。高电压意味着低电流，能减少设备电阻的损耗。 对电机设计来说，也更容易在小体积下实现更高功率，也因此，比亚迪汉 可以轻松实现 3.9S 的 0 100 加速性能。 碳化硅可实现大概率及高续航。 除了宽禁带带来的优势外，碳化硅还有两 大优势，一个是饱和电子速度更高，一个是导热率更高、耐温性能更高。 饱和电子速度快，也就是可以通过更大的电流。碳化硅材料的电子饱和速 度是硅材料的两倍，因此在设备设计时，匹配的电流强度更容易远离设备 的饱和电流，也就能实现在导通状态下更低的电阻。这能减少电能的损 耗，也有助于降低设备发热，简化散热设计。特别是在瞬时大电流情况 下，设备温度积累减少，再加上耐温性增加与材料本身更强的导热率，也 让设备散热更容易。车辆也就能爆发出更大的功率。这 是比亚迪汉能实现 363Kw 功率的原因。使用磷酸铁锂的情况下能达到 605 公里的续航里程， 显然也有碳化硅的功劳。 图 表 20： 比亚迪汉采用 SiC MOSFET 模块 来源： Omdia、 国金证券研究所 丰田燃料电池车 Mirai 车型采用碳化硅模块 电装 已经 开始批量生产搭载了 SiC（碳化硅）功率半导体的新一代升压功 率模块 ， 该模块 将应用于丰田 燃料电池车 Mirai 车型 。电装与丰田的 SiC 功率模块的应用历经 HEV、燃料电池巴士和燃料电池乘用车。新 Mirai 的 新一代固态燃料电池核心组件 Toyota FC Stack 搭配了使用多个 SiC 功率 半导体的 FC 升压变换器。升压变换器作用是输出高于输入电压的电压。 行业 深度研究 - 14 - 敬请参阅最后一页特别声明 图 表 21： 电装应用于燃料电池） Mira 车型的 SiC 逆变器模块 来源： NE 时代、 国金证券研究所 功率模块体积缩小了 30%，损耗降低了 70%。 根 据电装的测算，与采用 Si 基功率半导体的产品相比，搭载了 SiC 功率半导体（含二极管和晶体管） 的新型升压功率模块体积缩小了约 30%，损耗降低了约 70%，在实现功率 模块小型化的同时提升了车辆的燃油效率。 图表 22： 搭载 SiC 功率 模块的全新 MIRAI与原 MIRAI性能对比 来源： NE 时代 、国金证券研究所 搭载 SiC 模块的新 Mirai 续航里程提升 30%。 丰田表示，通过在 FC 升压 变压器中使用 SiC 半导体，采用锂离子低压蓄电池等方式，降低系统能耗 损失。同时，在提升 FC 电堆性能的基础上，通过采用触媒活性再生控制 技术，提升发电效率。从而丰田实现了新 Mirai WLTC 工况最高续航里程约 850km，较上一代车型提升约 30%。 3.2 电动汽车快速发展，碳化硅迎来发展良机 根据 Infineon 数据， 2020 年， 48V 轻混汽车需要增加 90 美元功率半导 体，电动汽车或者混动需要增加 330 美元功率半导体。 如果要采用碳化硅 器件，单车价值量则更高。 行业 深度研究 - 15 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 23： 2020 年各种电动汽车半导体价值量 来源： Infineon、国金证券研究所 2019 年，全球电动汽车达到 221 万辆，同比增长 10%，中国新能源汽车销 售 120.6 万辆，同比下降了 4.0%。 2020 年 11 月，新能源汽车产销分别完成 19.8 万辆和 20 万辆，同比分别增 长 75.1%和 104.9%。 2020 年 1-11 月，新能源汽车产销分别完成 111.9 万辆 和 110.9 万辆，其中产量同比下降 0.1%，销量同比增长 3.9%。 图表 24： 2017-2020 年中国新能源汽车销量及同比变化情况 来源：工信部、国金证券研究所 彭博新能源财经（ BloombergNEF）预测， 2025 年全球新能源汽车有望达到 1100 万辆，中国占 50%， 2030 年有望达到 2800 万辆， 2040 年将达到 5600 万辆。届时，电动汽车销量将占到全部新车销量的 57。 行业 深度研究 - 16 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 25： 2025 年全球新能源汽车预测（万辆） 图表 26： 2025 年中国新能源汽车预测（万辆） 来源： BloombergNEF、 国金证券研究所 来源： BloombergNEF、国金证券研究所 四、 碳化硅市场被国际巨头占领，国内企业大力布局，奋起直追 4.1 美国 CREE一家独大，欧、美、日系企业优势明显 美国公司占全球 SiC 产量的 70%80%。 在 SiC 领域，欧美日企业领先， 其中美国优势最为明显。 全球 SiC 产量的 70%80%来自美国公司， 海外 SiC 单晶衬底企业主要有 Cree、 DowCorning、 SiCrystal、 II-VI、新日铁住 金、 Norstel 等；外延片企业主要有 DowCorning、 II-VI、 Norstel、 Cree、罗 姆、三菱电机、 Infineon 等；器件方面相关主要企业包括 Infineon、 Cree、 罗姆、意法半导体等。 图 表 27： 全球碳化硅产业链主要公司 来源： 电子发烧友、 国金证券研究所 国际大厂纷纷布局 SiC。 2019 年 9 月，科锐与德尔福科技宣布开展汽车碳 化硅器件合作； 2020 年 12 月，科锐成为大众汽车集团 FAST（未来汽车供 应链）项目 SiC 独家合作伙伴。 博世也正在研发碳化硅产品。 其他国际大 厂如 ROHM、英飞凌、 ST、安森美等均已积极推广 SiC 新器件，聚焦在高 工艺、定制化、稳供应上。国内厂商也在积极布局，奋起直追。 Cree（科锐） 10 亿美元加码碳化硅业务。 2019 年， 碳化硅大厂 Cree（科 锐）宣布将投资 10 亿美元扩大碳化硅产能，在美国总部北卡罗莱纳州达勒 姆市建造一座采用最先进技术的自动化 200mm SiC 碳化硅生产 工厂和一座 行业 深度研究 - 17 - 敬请参阅最后一页特别声明 材料超级工厂。这是 Cree 有史以来最大的生产投资，将为 Wolfspeed 碳化 硅和碳化硅基氮化镓（ GaN-on-SiC）业务提供动能。 全球功率半导体领域排名第二的安森美半导体，在 SiC MOSFET布局上也 成绩斐然。 2020 年第一季度安森美发布了 900V SiC MOSFET 技术，并将 于下半年发布 650V SiC MOSFET 技术。其中，安森美与客户合作的碳化硅 应用范围已经从常见的汽车牵引逆变器、电动汽车 (EV)车载充电、电动汽 车充电桩 (EVC)、光伏和云计算等，逐步推向专业音频、专业照明、医疗、 电动工具、电器、辅助电机等应用领域。 ROHM 早于 2010 年开始量产 SiC MOSFET， 2012 年开始供应符合 AEC- Q101 标准的车载级产品，与国内外汽车企业深度合作， 2020 年 ROHM 推 出的“ 1200V 第四代 SiC MOSFET”通过大幅减少寄生电容来降低约 50 的开关损耗，兼具了低导通电阻和高速开关性能，适用于包括主机逆变器 在内的汽车动力总成系统和工业设备的电源。 多款 SiC器件新品推出，器件供应迅速上量。 Mouser 数据显示， 2019 年各 厂家在售的各类 SiC、 GaN 产品（含功率电子和微波射频，不含 LED）已 经接近 1300 款，较 2017 年增加了 6 成，仅 2019 年就新增了 321 款新品。 图 表 28： 近三年 Mouser 在售的 SiC、 GaN 器件及模块产品数量（款） 来源： CASA Research、 Mouser、 国金证券研究所 英飞凌预计 2021 财年 SiC 销售额达到 1.5 亿欧元。 英飞凌的目标是将 SiC 的销售额从 2020 财年的 8000 万欧元增长至 2021 财年的 1.5 亿欧元，其中 一半将来自汽车业。 图 表 29： 英飞凌 SiC 业务增长趋势 行业 深度研究 - 18 - 敬请参阅最后一页特别声明 来源： Infineon、 国金证券研究所 英飞凌看好沟槽式 SiC 发展。 有关平面与沟槽的争论，英飞凌看好 沟槽式 SiC 的市场前景， 虽然一些客户仍然对特定应用更喜欢平面，但不断增长 的成本优势和沟槽技术的出色表现意味着行业势头最终将转向沟槽。英飞 凌的第一代沟槽解决方案不仅在目前主要使用平面技术的竞争对手中损失 最少，而且还是唯一在 Rohm 以外使用沟槽解决方案的公司。英飞凌已经 在其第二代解决方案的高级开发中（功率能力提高了 25-30），进一步巩 固了其前进的优势。 图 表 30： 英飞凌沟槽式 SiC 竞争优势 来源： Infineon、 国金证券研究所 2020 年上半年 SiC 晶片 Cree 占比 45%。 根据半导体时代产业数据中心数 据显示： 2020 上半年全球半导体 SiC 晶片市场份额，美国 CREE 出货量占 据全球 45%，日本罗姆子公司 SiCrystal 占据 20%， II-VI 占 13%；中国企 业天科合达的市场占有率由 2019 年 3%上升至 2020 年上半年的 5.3%，山 东天岳占比为 2.6%。目前国内出货量比较大或者比较知名的晶圆衬底企业 有天科合达、山东天岳、河北同光、东莞天域、河北普兴、中科钢研、中 电科二所和南砂晶圆等。 国内供应商市占率提升较快。 根据 Yole 数据， 2018 年导电型 SiC 晶片，美 国占有全球碳化硅晶片产量的 70%以上，仅 CREE 公司就占据一半以上市 场份额，剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。从以上数 据对比可知，国内以天科合达和山东天岳为主的 SiC 晶片厂商发展速度较 快，市占率提升明显。 图表 31： 2018 年导电型碳化硅厂商竞争格局 图表 32： 2019-2020H1 全球半导体 SiC 晶片市场份额 来源： Yole、 国金证券研究所 来源： 半导体时代产业数据中心 、 国金证券研究所 4.2 中国大力布局碳化硅，产业链逐步完善 CREE, 62.0% Norstel, 0.50% 其他 , 1.3% II-VI, 16.0% 天科合达 , 1.7% SiCrystal, 12.0% 山东天岳 , 0.5% DOW, 4.0% Showa Denko, 2.0% 行业 深度研究 - 19 - 敬请参阅最后一页特别声明 中国 SiC 产业链正在逐渐完善。 中国企业在单晶衬底方面以 4 英寸为主， 目前已经开发出了 6 英寸导电性 SiC 衬底和高纯半绝缘 SiC 衬底。山东天 岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成 6 英寸衬底的研发，中电科 装备研制出 6 英寸半绝缘衬底。外延片方面，中国瀚天天成、东莞天域半 导体、国民天成均可供应 4-6 英寸外延片。模块方面有斯达半导体、比亚 迪电子、中车时代电气等公司。三安光电在 SiC 方面也在深度布 局。 图 表 33： 2019 年国内部分重点第三代半导体领域投资项目 时间 企业 主要产品及方向 投资 金额 2019.02 中科钢研节能有限公司 碳化硅晶体衬底片、碳化硅