編者按：由于具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場強高等特點，SiC半導(dǎo)體成為新能源產(chǎn)業(yè)革命中的核心關(guān)鍵部分，瑞鵬資產(chǎn)聯(lián)席首席投資官趙圣斌將從新能源汽車、直流充電樁、光伏、工業(yè)控制和射頻五個方面逐一為您分析SiC半導(dǎo)體應(yīng)用市場。

碳化硅半導(dǎo)體應(yīng)用市場分析

碳化硅（SiC）屬于第三代半導(dǎo)體材料，具備禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場強高、電子飽和漂移速率高等特點。SiC為第三代半導(dǎo)體材料典型代表，相較于硅材料等前兩代半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度更大，在擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵參數(shù)方面有顯著優(yōu)勢。下表是各代半導(dǎo)體的參數(shù)對比。

第三代半導(dǎo)體這個稱呼容易讓人產(chǎn)生一個錯誤的想法，即第三代半導(dǎo)體會逐步替代前兩代半導(dǎo)體，事實并非如此。每一代半導(dǎo)體都有其最適合的應(yīng)用場景，都是由相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)革命催生出來的。比如第一代硅基半導(dǎo)體，特別適合做CPU、內(nèi)存等集成電路芯片，其產(chǎn)業(yè)也隨著電腦、互聯(lián)網(wǎng)的普及而發(fā)展壯大。以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體，由于電子遷移率較高，非常適合高頻、高速領(lǐng)域，隨著3G、4G等無線通信技術(shù)發(fā)展而被廣泛應(yīng)用。

我們國家非常重視第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，就是因為新能源產(chǎn)業(yè)革命目前正在如火如荼的推進中，而SiC由于禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場強高等特點，剛好適合高溫、高壓、高頻、大功率等應(yīng)用場景，因此SiC半導(dǎo)體成為新能源產(chǎn)業(yè)革命中的核心關(guān)鍵部件。

SiC半導(dǎo)體主要應(yīng)用在新能源汽車、光伏、風(fēng)電、工控、射頻等領(lǐng)域。2020 年全球 SiC半導(dǎo)體市場規(guī)模達11.84 億美元，預(yù)計到 2025 年有望增長至 59.79億美元，對應(yīng) CAGR 為 38.2%。下面我們就針對這幾個主要應(yīng)用市場進行逐一分析。

1、新能源汽車

SiC半導(dǎo)體在新能源汽車相關(guān)應(yīng)用場景主要為逆變器、OBC、及DCDC等。我們認(rèn)為當(dāng)前SiC滲透仍處于早期，目前滲透率較低，但是隨著特斯拉、比亞迪等頭部新能源車廠帶來的“示范效應(yīng)”，更多車企將會逐步采用 SiC方案。

更為重要的是，隨著800V 架構(gòu)時代來臨，SiC在高壓下較IGBT 性能優(yōu)勢更為明顯，損耗降低幅度更大。我們認(rèn)為 SiC 在新能源車主逆變器及 OBC 中滲透率將快速提升。

OBC典型電路結(jié)構(gòu)由前級PFC電路和后級DC/DC 輸出電路兩部分組成。二極管和開關(guān)管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要應(yīng)用的半導(dǎo)體，采用 SiC 替代可實現(xiàn)更低損耗、更小體積及更低的系統(tǒng)成本。

2、直流充電樁

直流充電方式相較家用標(biāo)準(zhǔn)交流電充電方式速度大幅提高，一個 150kW 的直流充電器可以在大約15分鐘內(nèi)為電動汽車增加200公里續(xù)航，隨電動汽車滲透率進一步提高，直流電充電方案需求將同步提升。SiC器件和模塊具備耐高溫、耐高壓以及低損耗等優(yōu)勢，可實現(xiàn)更高效電動車直流充電方案。

SiC MOSFET可簡化直流充電樁ACDC及DCDC電路結(jié)構(gòu)，減少器件數(shù)量實現(xiàn)充電效率提升。根據(jù)英飛凌的材料顯示，在 DCDC 中使用4 顆1200V SiC MOSFET替代8顆650V硅基MOSFET，在同樣功率下，可將原來的兩相全橋LLC電路簡化為單相全橋 LLC電路，所用器件數(shù)量減少 50%，提升電路整體效率。同樣在 ACDC 中，使用 SiC MOSFET可將三相 Vienna整流器拓撲電路簡化為兩相結(jié)構(gòu)，器件數(shù)量減少 50%實現(xiàn)效率提升。

3、光伏

基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占光伏發(fā)電系統(tǒng) 10%，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。使用 SiC MOSFET 功率模塊的光伏逆變器，能量損耗降低8%，相同條件下輸出功率提升27%，推動發(fā)電系統(tǒng)在體積、壽命及成本上實現(xiàn)重要突破。

英飛凌最早于 2012年推出 CoolSiC 系列產(chǎn)品應(yīng)用于光伏逆變器，2020 年以來，西門子、安森美等眾多廠商陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品，SiC光伏逆變器應(yīng)用進一步推廣。據(jù)CASA 數(shù)據(jù)，2020 年光伏逆變器中碳化硅器件滲透率為 10%，預(yù)計 2025 年將增長至50%。高效、高功率密度、高可靠和低成本為光伏逆變器未來發(fā)展趨勢，SiC半導(dǎo)體有望迎來廣闊增量空間。

4、工業(yè)控制

SiC半導(dǎo)體在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用場景主要是軌道交通和智能電網(wǎng)。軌道交通方面，SiC半導(dǎo)體應(yīng)用于軌道交通牽引變流器能極大發(fā)揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率，符合軌道交通大容量、輕量化和節(jié)能型牽引變 流裝置的應(yīng)用需求，從而提升系統(tǒng)的整體效能。根據(jù)Digitimes，2014 年日本小田急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機 3300V、1500A 全碳化硅功率模塊逆變器，開關(guān)損耗降低 55%、體積和重量減少65%、電能損耗降低 20%至36%。

智能電網(wǎng)方面，相比其他電力電子裝置，電力系統(tǒng)要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性，SiC半導(dǎo)體突破了硅基功率半導(dǎo)體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導(dǎo)致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優(yōu)勢，在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)等應(yīng)用方面推動智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。此外碳化硅半導(dǎo)體在風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)電源、航空航天等領(lǐng)域也已實現(xiàn)成熟應(yīng)用。

5、射頻

5G 發(fā)展推動GaN-on-SiC器件需求增長，市場空間廣闊。微波射頻器件中功率放大器直 接決定移動終端和基站無線通訊距離、信號質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)，5G 通訊高頻、高速、高功率特點對其性能有更高要求。以SiC為襯底的GaN射頻器件同時具備碳化硅高導(dǎo)熱性能和GaN高頻段下大功率射頻輸出優(yōu)勢，在功率放大器上的應(yīng)用可滿足 5G 通訊對高頻性能、高功率處理能力要求。當(dāng)前 5G 新建基站仍使用 LDMOS 功率放大器，但隨5G 技術(shù)進一步 發(fā)展，MIMO基站建立需使用氮化鎵功率放大器，氮化鎵射頻器件在功率放大器中滲透率 將持續(xù)提升。據(jù) Yole預(yù)測，2024年GaN-on-SiC器件市場有望突破 20 億美元，2027 年進一步增長至 35 億美元。