2022年碳化硅行業(yè)市場空間及發(fā)展趨勢分析

1、2022年碳化硅行業(yè)市場空間及發(fā)展趨勢分析碳化硅材料具有明顯的性能優(yōu)勢，在電動汽車、軌交、電網等領域都具有可觀的應 用前景。碳化硅是第三代半導體材料，與第一、二代半導體材料相比，具有更寬的禁帶 寬度、更高的熱導率、更高的擊穿電場、更高的電子遷移率等性能優(yōu)勢，使得器件有耐 高壓、耐高溫和高頻的性能。體現(xiàn)在產品上，導通損耗低，從而提高效率；簡化散熱， 從而減小體積；簡化外圍組件，從而降低其他成本。隨著下游行業(yè)對半導體功率器件輕 量化、高轉換效率、低發(fā)熱特性需求的持續(xù)增加，碳化硅材料、器件已實現(xiàn)從研發(fā)到規(guī) ?；慨a的跨越，進入產業(yè)化快速發(fā)展階段。碳化硅產業(yè)鏈主要由襯底、外延、器件、應用等環(huán)節(jié)組成。碳

2、化硅晶片作為半導體 襯底材料，根據電阻率不同可分為導電型、半絕緣型。導電型襯底可用于生長碳化硅外 延片，制成耐高溫、耐高壓的碳化硅二極管、碳化硅 MOSFET 等功率器件，應用于新能 源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域；半絕緣型襯底可用于生長 氮化鎵外延片，制成耐高溫、耐高頻的 HEMT 等微波射頻器件，主要應用于 5G 通訊、 衛(wèi)星、雷達等領域。圖：碳化硅產業(yè)鏈下游需求增長曲線陡峭，全球碳化硅市場規(guī)模持續(xù)擴大。據 Yole 數(shù)據，到 2025 年， 全球電力電子領域碳化硅市場規(guī)模將超過 30 億美元，較 2020 年的 7 億美元 CAGR 超 過 37%。具體到細分領域，

3、隨著成本持續(xù)下降，碳化硅器件與硅基器件價差逐步縮小， 加速進入新能源汽車供應鏈；碳化硅材料性能優(yōu)越，能夠高效管理熱量累積、提升太陽 能轉換效率，有望加速滲透光伏市場；碳化硅器件具有大功率、高效率的性能優(yōu)勢，應 用于鐵路和電機驅動器，有望打開軌交市場；受 5G 基礎設施建設推動，射頻功放器件 市場呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，碳化硅襯底市場前景廣闊。1. 電動車新能源汽車銷量及滲透率快速提升，是碳化硅市場的重要驅動力。能源安全、“雙 碳”、工業(yè)自主三大訴求疊加，新能源汽車迎來市場驅動拐點，進入非線性增長新階段。據中汽協(xié)和乘聯(lián)會數(shù)據，2021 全年新能源汽車累計銷售 352.1 萬輛，同比增長 158%， 滲

4、透率達 14.8%，較 2020 年提升 9 pct。展望 2022 年，據中科院院士歐陽明高預測，新 能源汽車全年銷量有望達到 500 萬輛，市場滲透率超過 20%。新能源汽車作為碳化硅的 重要應用終端，拉動市場規(guī)?？焖僭鲩L。碳化硅優(yōu)越特性加持，伴隨價格進一步下降，有望加速滲透新能源車產業(yè)鏈。碳化 硅材料耐高頻、易散熱、高電流密度、低功率損耗，能夠解決新能源汽車輕量化、續(xù)航 里程、高電平要求等需求痛點，目前主要用于主逆變器，搭載碳化硅功率模塊，部分用 于 OBC 和 DC/DC，搭載單管器件。此前影響碳化硅器件放量的主要約束為成本經濟性 問題，現(xiàn)今隨著晶圓生產制造成本下行、與硅基器件價差持續(xù)

5、縮小，同時若考慮散熱系 統(tǒng)成本節(jié)約、空間節(jié)約、電驅系統(tǒng)性能提升和整車價值躍升等附加價值，碳化硅器件已 具有一定競爭優(yōu)勢。自特斯拉 Model 3 首次使用碳化硅以來，碳化硅越來越受到新能源汽車市場青睞。 特斯拉在 2018 年發(fā)布的 Model 3 首次采用了意法半導體供應的碳化硅 MOSFET 器件， 被視為碳化硅上車的風向標事件。隨后，比亞迪、吉利、現(xiàn)代、廣汽、小鵬等車企都發(fā) 布了搭載 800V 高電壓平臺的車型，部分車企已經將量產時點定在 2022 年。國內 2020 年發(fā)布的比亞迪漢純電動高性能四驅版成為國內首款采用自研碳化硅模塊的車型，功率 密度提升了一倍。通用、豐田、一汽等亦提出了

6、采用碳化硅產品的規(guī)劃。隨著碳化硅器 件持續(xù)降本，更多車型有望使用碳化硅。碳化硅市場規(guī)模測算：隨著新能源車銷量增長，以及碳化硅在各品牌車中的滲透率 提升，碳化硅市場呈現(xiàn)快速增長。僅考慮中國新能源車市場，預計從 2020 的 14.6 億元 增長到 2024 年的 164.7 億元，年均復合增長率達 83.2%。2. 光伏全球光伏新增裝機容量持續(xù)上升，碳化硅應用市場空間廣闊。隨著光伏投資成本的 下降及發(fā)電效率的提升，近年來光伏發(fā)電呈高速發(fā)展態(tài)勢，2011 至 2020 年裝機容量復 合增長率達到 28.9%。根據國際能源署（IEA）數(shù)據顯示，2020 年全球光伏累計裝機容 量達到 760.4GW，

7、占全球新增發(fā)電裝機的三分之一。據 IEA 預估，2021 年全球光伏裝 機容量新增 156.1GW，為達到 2050 年凈零排放，2020 年-2030 年的全球太陽能光伏年 均增量須達到 422GW。碳化硅主要應用于光伏逆變器，可提升轉換效率、降低系統(tǒng)成本，有望高速滲透光 伏市場。基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本雖較低（僅占系統(tǒng) 10%左右），卻是系統(tǒng)能量 損耗的主要來源之一。而碳化硅材料的擊穿電壓是傳統(tǒng)硅的十倍以上，同時具有更高的 熱導率、更低的導通電阻、柵極電荷，能夠承受更高的電壓和電流，同時保留了低壓硅 器件的開關頻率優(yōu)勢，確保高轉換效率，實現(xiàn)雙贏。數(shù)據顯示，在光伏逆變器中使用碳 化硅功率

8、器件可使轉換效率從 96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，大幅提高 設備循環(huán)壽命，降低生產成本。據 CASA 預測，到 2048 年，光伏逆變器中碳化硅功率 器件占比可達 85%。經我們測算，碳化硅在光伏領域應用潛在成長空間較大。碳化硅在光伏領域中主要 應用于組串式光伏逆變器和集中式光伏逆變器。我們參考 CIIA 光伏逆變器中的組串式 和集中式的占比、CASA 預測的碳化硅在光伏逆變器的滲透率，測算全球光伏領域碳化 硅市場規(guī)模，2025 年有望達到 75.4 億人民幣。3. 軌交牽引變流器是機車大功率交流傳動系統(tǒng)的核心裝備，碳化硅器件由于具有高溫、高 頻和低損耗特性，能夠降低牽引

9、變流器綜合能耗，提升系統(tǒng)的整體效能，符合軌道交通 大容量、輕量化和節(jié)能的應用需求。據西門子為期一年的碳化硅技術測試成果，碳化硅 電車在操作過程中噪音水平較低，且能源消耗減少約 10%；經裝車試驗測試，中車株洲 所與深圳地鐵集團聯(lián)合研發(fā)的地鐵列車全碳化硅牽引逆變器在節(jié)能化方面表現(xiàn)優(yōu)異，同 比硅基 IGBT 牽引逆變器的綜合能耗降低 10%以上，中低速段噪聲下降 5 分貝以上，溫 升降低 40以上。碳化硅在軌道交通已有大量應用案例。截至 2021 年 12 月，國內已有至少 8 條列車 線路采用了碳化硅技術，日本、歐洲的軌交牽引系統(tǒng)也大面積采用了碳化硅，僅 2021 年 下半年，日本推出了搭載碳化

10、硅車載設備、主電路設備的 E131 Series 500 系列列車；搭 載碳化硅牽引變流器的德國慕尼黑 Avenio 有軌電車已通過測試，正式投入使用；歐洲 PINTA 項目將重點在雙系統(tǒng)有軌電車中使用碳化硅，有望在整個歐洲推廣。此外，碳化 硅逐步進入高鐵領域，如日本 N700S 新干線、西門子 Velaro 列車已引入碳化硅；2019 年底，Cree 與 ABB 宣布達成合作，助力 Wolfspeed 進入高鐵等市場。節(jié)能、高效助推碳化硅滲透，政策環(huán)境積極助力。根據中國城市軌道交通協(xié)會的數(shù) 據，如果全國城軌全面采用碳化硅，僅 2019 年就可節(jié)省 15.26 億度電，節(jié)省的電量足夠 整個北京

11、的軌道交通使用。碳化硅滲透軌道交通得到政策支持，2021 年 8 月，交通運輸 部提出和發(fā)布的預期成果包括：形成碳化硅器件應用技術路線及電力電子變壓器應用技 術路線；通過 3-5 年時間，在動車和城軌牽引系統(tǒng)中完成碳化硅 MOSFET 裝車應用。據我們測算，僅在軌交牽引變流器領域，2025 年全球碳化硅器件市場規(guī)模將達到 33.8 億元，5 年 CAGR 為 29.2%；到 2025 年，中國軌交牽引系統(tǒng)碳化硅器件市場規(guī)模 將達到 11.3 億元，5 年 CAGR 為 29.5%。4. 充電樁我國充電基礎設施產業(yè)持續(xù)高速增長，碳化硅應用前景廣闊。中國充電樁市場規(guī)模 在 2015 年至 2020

12、 年總體呈增長趨勢，由 2015 年的 12.5 億元增長到 2020 年的 65.3 億 元，CAGR 達到 39.2%。根據中國充電聯(lián)盟統(tǒng)計數(shù)據，截至 2021 年 12 月，全國充電基 礎設施保有量達 261.7 萬臺，聯(lián)盟內成員單位總計上報公共類充電樁 114.7 萬臺，同比 增長 56.4%，其中直流充電樁 47.0 萬臺，同比增長 52.1%。碳化硅主要應用于直流充電 樁中，其高功率能夠提升充電效率、縮短充電時間，有望實現(xiàn)加速滲透。2016 年至 2020 年中國新能源車樁比逐步改善，碳化硅在充電樁的市場規(guī)模預計隨 新能源車增長快速放量。根據中國充電聯(lián)盟和公安部統(tǒng)計數(shù)據，初步計算我

13、國車樁比從 2016 年的 4.27 下降到了 2021 年的 3.00。根據國務院發(fā)布的2030 年前碳達峰行動方 案指引和工信部的規(guī)劃，預計到 2025 年我國車樁比應在 2:1 到 3:1 之間，到 2030 年 接近 1:1 的合理值。新能源汽車作為運輸工具低碳轉型的重要推動力，即將進入快速發(fā) 展期，與之相匹配的公共基礎配套設施充電樁也將隨之迎來廣闊的市場前景，帶動碳化 硅市場空間持續(xù)擴容。圖：中國充電樁市場規(guī)模及增速碳化硅在大功率充電領域具備較強的競爭優(yōu)勢，滲透率有望進一步提升。充電樁行 業(yè)發(fā)展主要圍繞著大功率直流快充進行，充電模塊是構建高功率充電基礎設施的核心部 分。相較于硅基功率

14、器件，使用碳化硅功率器件可以實現(xiàn)高功率密度、超小體積，同時 能夠支持快速充電，因此可以實現(xiàn)充電模塊的高效化和高功率化，進而實現(xiàn)充電速度的 提升和充電成本的降低。參考泰科天潤提供的一款基于碳化硅的直流快速充電樁，輸出 功率為 60kw，其體積比同樣輸出功率的硅基充電樁小 30-35%左右，因而能夠通過散熱 性能和所占空間節(jié)省成本。根據 CASA 的測算，2019 年碳化硅在直流充電樁的充電模 塊滲透率約 10%，預期未來隨著成本的降低，滲透率將進一步提升。根據我們測算，2025 年我國應用于直流充電樁的碳化硅功率器件市場規(guī)模將達到 27.1 億元，2020-2025 年 CAGR 為 72.7%

15、。5. 射頻全球氮化鎵射頻器件市場快速擴張，碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）是主流產品和 技術解決方案。據 Yole 預測，到 2024 年，全球氮化鎵射頻器件市場將達到 20 億美元，2018-2024 年 CAGR 約 21%。氮化鎵是極穩(wěn)定的化合物，具有高熱導率、高電離度和化 學穩(wěn)定性，相較硅和砷化鎵，抗輻照能力更強；同時氮化鎵又是高熔點材料，熱傳導率 高，通常采用熱傳導率更優(yōu)的碳化硅襯底，因此氮化鎵功率器件具有較高的結溫，能夠 在高溫環(huán)境下工作。據 Yole 預測，到 2023 年，氮化鎵射頻器件的市場規(guī)模將占 3W 以 上射頻功率市場的 45%，未來 10 年內，氮化鎵將成為射頻應用的主流技術。5G 基站端氮化鎵射頻器件應用前景廣闊，帶動碳化硅襯底市場空間突破。相比于 4G，5G 的通信頻段往高頻波段遷移，而氮化鎵射頻器件更能有效滿足高功率、高通信 頻段和高效率等要求，在宏基站和回傳領域將占據主導位置。伴隨