【產業研究】高壓快充趨勢及產業鏈降本，加速碳化硅產業進展——新能源車行業深度報告

本文來自：華寶證券2024年1月11日發佈的證券研究報告《高壓快充趨勢及產業鏈降本，加速碳化硅產業進展——新能源車行業深度報告（一）》

分析師：胡鴻宇（分析師編碼：S0890521090003）

投資要點

碳化硅物理性能優勢明顯，適應高温、高壓、高頻的應用場景。碳化硅作為第三代半導體，禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優勢，因此採用第三代半導體材料製備的半導體器件不僅能在更高的温度下穩定運行，適用於高電壓、高頻率場景，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。以碳化硅材料為襯底的產業鏈主要包括碳化硅襯底材料的製備、外延層的生長、器件製造以及下游應用市場。襯底根據電學性能不同分為半絕緣型和半導電型，分別應用到不同的應用場景上。

下游新能源發展對高頻、大功率射頻及電力電子需求的快速增長，極大推動了碳化硅的產業化進程。新能源汽車是未來碳化硅應用的主要驅動力，預計未來佔據碳化硅需求的主要市場。碳化硅器件在新能源汽車產業中主要應用在電機控制器（電驅）、車載充電機OBC、DC/DC變換器以及充電樁，碳化硅器件相比硅基器件有更優越的物理性能，體積小，性能優越，節能性強，還順帶緩解了續航問題，更適應新能源汽車增加續航里程、縮短充電時長、提高電池容量、降低車身自重的需求。我們預測2023-2026年全球新能源汽車市場碳化硅晶圓需求量為18、36、73、112萬片；2023-2026年全球新能源汽車市場碳化硅襯底需求量為32、62、121、172萬片。

2024年，我們認為碳化硅產業化進展會隨着高壓快充趨勢及碳化硅產業鏈降本而加速。高壓快充是電車的大勢所趨，未來會逐漸下沉到更低區間的價格帶，高壓快充背景下，電車對碳化硅需求的迫切性對應進一步提高。另一方面，隨着產能的逐步釋放、8英寸量產的不斷成熟、碳化硅長晶及加工工藝的不斷改進、進而碳化硅行業良率的提升，尤其是在國產廠商紛紛入局后，會進一步加速碳化硅的降本。我們認為2024年碳化硅產業化進展會隨着高壓快充趨勢及碳化硅產業鏈降本而加速，關注碳化硅產業鏈降本進展、800V新車放量進展、國內上游材料襯底/外延廠商出貨情況、國內下游器件/模塊廠商上車驗證進展。

風險提示：高壓快充滲透率不及預期；碳化硅在車端、樁端滲透不及預期；國產化進度不及預期；擴產進程不及預期；價格戰風險；此外文中提及的上市公司旨在説明行業發展情況，不構成推薦覆蓋。

正文內容

1. 碳化硅：第三代半導體，物理性能優勢明顯

縱觀半導體材料發展歷史，碳化硅並不是新鮮概念。碳化硅作為材料已有百年曆史，商業化也已超過30多年。1824年，瑞典科學家（Berzelius）在人工合成金剛石的實驗中意外發現了碳化硅這一物質，其硬度比鑽石小但光彩更亮；1893年，科學家亨利·莫桑在隕石中發現了天然的碳化硅，這種礦物被命名為莫桑石，並因此獲得了1904年的諾貝爾化學獎；1955年，LELY提出生長高品質碳化硅的方法，從此將碳化硅作為重要的電子材料；1987年，科鋭第一個實現了碳化硅的商用，製造了出世界上第一塊商用碳化硅襯底，並把它應用在LED領域；2001年，英飛凌和科鋭分別推出首款小型碳化硅肖特基二極管；2011年，科鋭推出首款商用碳化硅功率MOSFET。而碳化硅被正式引爆獲得廣泛關注的是2018年，馬斯克首次宣佈在特斯拉Model 3的主驅逆變器里使用碳化硅MOSFET以替代傳統的硅基IGBT，奠定了碳化硅「上車」的里程碑。此后，比亞迪、小鵬、吉利紛紛效仿，開始佈局碳化硅器件。

碳化硅被譽為第三代半導體，具有耐高温、耐高壓、體積小、擁有更高熱導率的性能優勢。第一代半導體材料以硅和鍺為元素半導體為代表，具有低壓、低頻、低功率的光電性能，可以用來生產傳統的CPU、GPU、MCU等等，90%以上的半導體產品都是用硅基材料製作的；第二代半導體材料一般是磷化銦、砷化鎵，砷化鎵材料的電子遷移率約是硅的6倍，具有直接帶隙，因此更具有高頻、高速的光電性能，主要用來生產射頻器件、光模塊、LED、激光器、探測器、傳感器等微電子和光電子器件，是製作半導體發光二極管和通信器件的關鍵襯底材料。第三代半導體是指以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料，與前兩代半導體材料相比，第三代半導體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優勢，因此採用第三代半導體材料製備的半導體器件不僅能在更高的温度下穩定運行，適用於高電壓、高頻率場景，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。其優勢具體體現在：

1） 高電子遷移率，實現高頻開關。電子飽和漂移速率指電子在半導體材料中的最大定向移動速度，決定器件的開關頻率。碳化硅材料的電子飽和漂移速率是硅基的 2 倍，有助於提升器件的工作頻率；

2） 高臨界擊穿電場，耐高壓。擊穿電場強度大，是硅的10 倍，用碳化硅製備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度，並大大降低器件的導通損耗高臨界擊穿電場的特性使其能夠將 MOSFET 帶入高壓領域，克服 IGBT 在開關過程中的拖尾電流問題，降低開關損耗和整車能耗，減少無源器件如電容、電感等的使用，從而減少系統體積和重量；

3） 更大禁帶寬度，耐高温。更大的禁帶寬度可以保證材料在高温下，電子不易發生躍遷，本徵激發弱，從而耐受更高的工作温度。碳化硅的禁帶寬度約為硅的 3 倍，硅器件的極限工作温度一般不能超過 300℃，而碳化硅器件的極限工作温度可以達到 600℃以上，高熱導率也將帶來功率密度的提升和熱量的更易釋放，冷卻部件可小型化，有利於系統的小型化和輕量化；

4） 更小的面積，更小的能量損耗，實現高功率。碳化硅器件具備更小的能量損耗，能夠提供較高的電流密度。在相同功率等級下，碳化硅功率模塊的體積顯著小於硅基模塊，有助於提升系統的功率密度。

2. 碳化硅產業鏈包括上游襯底和外延、中游器件、下游應用

以碳化硅材料為襯底的產業鏈主要包括碳化硅襯底材料的製備、外延層的生長、器件製造以及下游應用市場。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被製作成晶錠，然后經過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底上生長單晶外延材料。外延片經過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟製造成碳化硅功率器件和碳化硅射頻器件。將晶圓切割成die，經過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

碳化硅產業鏈附加值向上遊集中，襯底和外延的成本佔比最高。根據CASA整理的數據，產業鏈中，碳化硅襯底和外延的成本分別佔整個器件成本的 47%和 23%，為產業鏈中價值量最大的兩個環節，相比硅基器件、價值量顯著倒掛。

碳化硅從生產到應用的全流程歷時較長。以碳化硅功率器件為例，從單晶生長到形成襯底需要耗時1個月，從外延生長到晶圓前后段加工完成需要耗時6-12個月，從器件製造再到上車驗證更是需要1-2年時間，對於碳化硅功率器件IDM廠商而言，從工業設計、應用等環節轉化為收入增長的周期非常漫長，汽車行業一般需要4-5年之久。

2.1. 碳化硅晶片分為半絕緣型和半導電型，分別應用到不同的應用場景

襯底根據電學性能不同分為半絕緣型和半導電型，分別應用到不同的應用場景。由於碳化硅功率器件突破了硅基功率器件的導通電阻與結電容等性能極限，大幅度減少導通損耗和開關損耗問題，適用於高壓、高功率、高頻、高温等苛刻環境，碳化硅功率器件被廣泛應用於新能源汽車、光伏、工業電源、軌道交通及 5G 通訊等下游領域。根據Yole，2021年碳化硅市場達到10.92億美元，其中新能源汽車領域佔比63%，其次是能源和工業，分別佔比14%和12%。根據工信部發布的《重點新材料首批次應用示範指導目錄（2019 年版）》，

1）一類是具有高電阻率（電阻率≥10^5Ω·cm）的半絕緣型，通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，製得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步製成 HEMT等微波射頻器件，應用於信息通訊、無線電探測等領域；

2）另一類是低電阻率（電阻率區間為 15~30mΩ·cm）的導電型碳化硅襯底，通過在導電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層，製得碳化硅同質外延片，可進一步製成肖特基二極管SBD、MOSFET、IGBT 等功率器件，應用在新能源汽車，軌道交通以及大功率輸電變電等領域。

半絕緣型碳化硅主要用在射頻器件上，主要為面向4G/5G通信基站和新一代有源相控陣雷達應用的功率放大器。射頻器件是無線通訊設備的基礎性零部件，扮演信號轉換的角色，目前主流的射頻器件有砷化鎵、硅基LDMOS、碳化硅基氮化鎵等不同類型，半絕緣型碳化硅襯底製備的氮化鎵射頻器件是迄今為止最為理想的微波射頻器件，主要為面向通信基站以及雷達應用的功率放大器，根據Yole預測，到2025 年，功率在 3W 以上的射頻器件市場中，砷化鎵器件市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LDMOS份額，佔據50%的射頻器件市場份額。

半導電型碳化硅主要用在功率器件上，主要面向電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網等高壓高温高頻場景。功率器件又被稱為電力電子器件，是構成電力電子變換裝置的核心器件，功率器件主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT 等。碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高温、高頻率、低損耗等獨特優勢，將極大地提高現有使用硅基功率器件的能源轉換效率，對高效能源轉換領域產生重大而深遠的影響，主要應用領域有電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網等。相同規格的碳化硅基MOSFET與硅基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%。

2.2. 碳化硅外延是碳化硅器件必不可少的環節，對器件性能影響極大

外延是碳化硅器件必不可少的環節，外延質量對器件性能影響極大。碳化硅外延晶片是指在碳化硅襯底的基礎上，經過外延工藝生長出晶格一致、高純度、低缺陷的特定單晶薄膜。由於採用昇華法制備的單晶襯底無法實現對載流子濃度的精密控制，且無法有效降低晶體缺陷，因此需要在襯底上生長高質量的外延層方可用於器件製造，即外延生長技術是碳化硅器件必不可少的環節，外延質量對器件性能影響極大。

按照晶格堆垛結構的不同，常見的碳化硅單晶材料（襯底和外延）主要包括以下三種晶型：3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC。由於原子堆垛結構的差異，導致 4H-SiC 在垂直型方向擁有更高的臨界電場強度、電子遷移率和更低的導電各向異性，因此 4H-SiC 更適合商業化的垂直型功率器件（SBD 和 MOSFET），對應 SBD 和 MOSFET 器件特性也優於 3C-SiC 和 6H-SiC 單極型器件的理論極限。

根據摻雜元素不同，碳化硅外延晶片分為N型、P型和PN多層材料。N 型碳化硅外延晶片是在生長外延層的過程中使用氮（N）元素進行摻雜形成，氮與硅結合后多出一個自由電子，為其導電性的主要來源；P 型碳化硅外延晶片是在生長外延層的過程中使用鋁（Al）元素進行摻雜形成，鋁和碳結合后，會缺失一個電子，形成空穴，而空穴吸引束縛電子移動使得 P 型碳化硅外延晶片具有導電性；PN 多層碳化硅外延晶片是指在襯底上生長兩層或數層外延，每層外延生長分別用氮元素或鋁元素進行摻雜，形成 N 型、P 型外延層疊加的結構。N 型碳化硅半導電型外延晶片是碳化硅功率器件廠商主要使用的型號，應用於新能源車、光伏、工業電源領域所需碳化硅功率器件（如 SBD 與 MOSFET）的工業化生產；P 型和 PN 多層碳化硅半導電型外延晶片，由於物理特性（例如 P 型垂直方向載流子遷移速率較低）和行業應用領域（例如智能電網應用的雙極型超高耐壓器件）仍需開發，行業內出貨量較少。

2.3. 碳化硅器件的主流形態包括二極管及晶體管兩大類

與硅基器件類似，碳化硅器件主要分為二極管類器件、晶體管類器件兩大類。其中二極管及晶體管類的 MOSFET 器件應用較為廣泛。

二極管方面：碳化硅二極管主要包括肖特基勢壘二極管（SBD），結勢壘肖特基二極管（JBS），PiN 二極管（PND 型）等。器件結構來看碳化硅相比硅基器件並無創新，但材料的優異特性為碳化硅製造的產品帶來了競爭優勢。SiC SBD 耐壓高且幾乎無反向恢復時間，可大幅度降低開關損耗，提高開關頻率，在高頻、中等電壓功率開關的應用上有替代硅基 PiN 二極管（相對耐壓強但速度慢）的趨勢，大大優化了200V-1700V 電壓段二極管的性能，並使 PiN 的應用甜區移動至 3300V 以上；2）更高端的 JBS 器件方面，SiC JBS 具有大電流密度，高工作結温的優勢，相比硅基器件有進一步性能提升。

晶體管方面：SiC MOSFET 結構與硅基 MOSFET 產品類似，主要分為平面型和溝槽型兩類，並擁有高耐壓、開關損耗低、導通損耗低、體二極管續流特性好、温度穩定性高等特點，其高電壓下依然能保持高速度、高效率的特點使其向原有耐壓較高，但頻率特性較差的 Si-IGBT 產品發起競爭，並在未來有望對 SiIGBT 形成全面替代。目前，市場中相對成熟的仍然是在硅基領域較為落后的平面型（DMOS）結構，其主要原因是平面型器件工藝簡單、單元一致性較好，而溝槽結構單元一致性差，且垂直型 SiC MOSFET 內部電場強度較大，容易發生局部擊穿，可靠性不足的問題抑制了其短期內的大規模應用。但是，我們看到溝槽型 SiC MOSFET 在導通電阻、以及開關損耗上的優勢明顯（根據羅姆數據，其第三代溝槽型產品比第二代平面型產品導通電阻降低 50%，開關損耗降低 30%），英飛凌、羅姆等企業都在積極推進改進結構的溝槽型 SiC MOSFET 研發。我們認為 SiC 的材料優勢有望在溝槽型結構大規模應用后得到進一步釋放。

目前上游獲得近乎完美的高質量 SiC 襯底難度依然較大，且由於缺陷在晶圓中一般會均勻分佈，因此面積越大的 SiC 器件的良率也就越低，即便是其單位面積導通電阻大幅低於Si 基器件，目前單顆 SiC MOSFET 的電流輸出能力依然有限。我們看到，為使更加系統穩定、可靠地達到更大的輸出電流，多個 SiC MOSFET 器件並聯后封裝成模塊（模組）的出貨形式也非常普遍。Wolfspeed，Rohm，STMicro，On Semi，Infineon 及 Semikron 等海外知名廠商均推出了不同種類的 SiC MOSFET 模塊產品，從半橋模塊到三相全橋模塊均有涉及，以靈活滿足不同應用的需求。

3. 下游新能源發展加速了碳化硅的產業化進程

由於碳化硅襯底分為半絕緣型和半導電型，對應制作碳化硅基氮化鎵射頻器件和碳化硅功率器件分別應用到不同的應用場景，因此我們分別對兩種器件的市場空間進行討論。根據Yole數據顯示，2022年碳化硅器件市場規模為19.7億美元，其中半導電型碳化硅功率器件市場規模為17.9億美元，半絕緣型碳化硅射頻器件市場規模為1.8億美元；預計到2028年，半導電型碳化硅功率器件市場規模有望達到86.9億美元，年化增速達到30.12%，半絕緣型碳化硅射頻器件市場規模有望達到22.9億美元，年化增速達到52.79%。

3.1. 半絕緣型碳化硅主要用在射頻器件，面向通信基站及雷達應用

射頻器件在無線通訊中扮演信號轉換的角色，是無線通信設備的基礎性零部件。射頻器件主要包括功率放大器、濾波器、開關、低噪聲放大器、雙工器等。目前主流的射頻器件有硅基LDMOS、砷化鎵、碳化硅基氮化鎵等不同類型。根據Analog Dialogue，硅基LDMOS 器件也已在通訊領域應用多年，但其主要應用於小於 4 GHz 的低頻率領域；砷化鎵器件已在功率放大器上得到廣泛應用；碳化硅基氮化鎵射頻器件具有良好的導熱性能、高頻率、高功率等優勢，有望開啟其廣泛應用。

半絕緣型碳化硅襯底製備的氮化鎵射頻器件主要為面向通信基站以及雷達應用（4G/5G 移動通訊系統、新一代有源相控陣雷達）的功率放大器。隨着信息技術產業對數據流量、更高工作頻率和帶寬等需求的不斷增長，氮化鎵器件在基站中應用越來越廣泛。無線通信基礎設施方面，5G 具有大容量、低時延、低功耗、高可靠性等特點，要求射頻器件擁有更高的線性和更高的效率，相比砷化鎵和硅基LDMOS 射頻器件，以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具有碳化硅良好的導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優勢，能夠提供下一代高頻電信網絡所需要的功率和效能，成為 5G 基站功率放大器的主流選擇；在國防軍工領域，碳化硅基氮化鎵射頻器件已經代替了大部分砷化鎵和部分硅基 LDMOS 器件，佔據了大部分市場，對於需要高頻高輸出的衞星通信應用，氮化鎵器件也有望逐步取代砷化鎵的解決方案。

根據 Yole 預測，隨着通信基礎建設和軍事應用的需求發展，全球氮化鎵射頻器件市場規模將持續增長，預計從2022年的1.8億美元增長至 2028年的 22.9億美元，期間年均複合增長率達到52.79%。半絕緣型碳化硅襯底的需求量有望因此獲益而持續增長。至 2025 年，功率在 3W 以上的射頻器件市場中，砷化鎵器件市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基 LDMOS 份額，佔據射頻器件市場約 50%的份額。

3.2. 半導電型碳化硅主要用在功率器件，新能源是主要市場

下游新能源發展對高頻、大功率射頻及電力電子需求的快速增長，極大推動了碳化硅的產業化進程。近年來，隨着能源結構升級，發電端的光伏、風電，輸電端的高壓柔直，用電端的新能源車、充電樁、白電、工控，對電壓和能源轉換效率的要求不斷提升，在成本和安全的約束下更關注系統的穩定性和經濟性，因此更耐高温、更耐高壓、更高熱導率、更小體積、更輕體重、更高可靠性、性能更優越的碳化硅器件越來越受到下游的關注。尤其是在中壓範圍的光伏、風電、新能源車、充電樁、服務器 UPS 電源、工控電源、白電，近年來已陸續開始嘗試使用碳化硅器件替代或部分替代原有的硅基IGBT。以新能源車為例，2018年，特斯拉開始在Model 3的主驅逆變器里，使用基於碳化硅材料的碳化硅MOSFET，以替代傳統的硅基IGBT，而后車企紛紛效仿。正是下游終端的熱潮加速了碳化硅的產業化進程。

新能源汽車是未來碳化硅應用的主要驅動力，預計未來佔據碳化硅需求的主要市場。根據 Yole 的數據，2022 年碳化硅功率器件市場規模為 18 億美元，2028 年有望達到 89 億美元，22-28 年 CAGR 高達 31%。碳化硅功率器件可應用於汽車、能源、交通、工業等多個領域，其中汽車佔據主導地位，市場規模佔比超過七成，2022 年市場規模為 13 億美元，2028年有望達到 66 億美元，22-28 年 CAGR 高達 32%。

3.2.1. 新能源汽車是未來碳化硅應用的主要驅動力，尤其是高壓快充趨勢

新能源汽車是未來碳化硅應用的主要驅動力，預計未來佔據碳化硅需求的主要市場。碳化硅器件在新能源汽車產業中主要應用在電機控制器（電驅）、車載充電機OBC、DC/DC變換器以及充電樁，碳化硅器件相比硅基器件有更優越的物理性能，體積小，性能優越，節能性強，還順帶緩解了續航問題，更適應新能源汽車增加續航里程、縮短充電時長、提高電池容量、降低車身自重的需求。

碳化硅在主驅、OBC、DC/DC系統、充電樁中均已開啟對硅基IGBT或超級結器件的替代。不同子系統的輸出功率、工作頻率需求有一定差別，主驅逆變器為大功率低頻場景（功率100KW以上，工頻50KHz以下）；車載充電機OBC和DC/DC系統為小功率高頻場景（車載充電機OBC：功率3.3KW-22KW，工頻100KHz-300KHz）、DC/DC：功率3KW，工頻100KHz以上）；充電樁為中低功率中高頻場景（功率22KW-100KW，工頻50KHz-100KHz）。

1）主驅：SiC MOSFET有望替代Si-IGBT。在同樣的電壓下，SiC MOSFET與Si-IGBT相比有望助力逆變器輸出更大的功率，根據安森美的數據，以 A 級車用電控為例，以1.7mohm/2.2mohm 內阻的 SiC 模塊直接替換 820A 規格的 Si-IGBT 模塊，全逆變損耗有望降低45.3%/25.3%，開關平均損耗有望降低 34.5%/16.3%，在不改變 450V 直流母線電壓的情況下，系統效率提升 5%；根據英飛凌的測試，若將電壓提高到800V后，使用SiC MOSFET替代Si-IGBT有望將系統效率提升7.6%。SiC MOSFET與Si-IGBT相比具有降低電機損耗、降低開關損耗，提高系統能量轉化效率，帶來更小的體積和更長電池續航時間，可以使電驅系統在高温高壓環境下保持高速穩定運行。特斯拉Model 3是市場上最早在主驅逆變器里，使用基於碳化硅材料的碳化硅MOSFET，以替代傳統的硅基IGBT的車型，而后現代、起亞、通用等國際知名車企和國內的比亞迪、蔚小理、吉利等相關企業也相繼推出相關車型。根據羅姆的預測，2023年開始，電機控制器中的SiC比率將會迅速上升，滲透率將會從2022年的9%增長到25%。預計到2025年，SiC在電機控制器中的滲透率將高達40%。

2）車載充電機OBC：SiC MOSFET有望替代Si MOSFET或二極管。車載充電機（OBC）與車外固定直流快速充電樁相比，由於安裝於車內整體體積受限，且使用頻率更高，直接影響客户補能體驗，因此 OBC 對於功率密度、整機效率的要求一般高於其他車載電源零部件。通過SiC-MOSFET進行替代，可以減少散熱器、被動元件尺寸、簡化電路，實現效率的提升。目前，OBC供應商已經開始推廣配備SiC器件的產品，部分也採用了國產器件。根據電子發燒友網，目前國內碳化硅芯片在OBC的滲透率已經達到60-70%。

3）直流轉換器DC/DC及充電樁：碳化硅耐高壓、高頻的性能優勢適配直流快充樁需求，使用碳化硅器件還可降低拓撲復雜度，減少驅動配套電路數量與功率器件用量，從而降低充電樁體積及系統成本。此外，對於運營商而言，應用 SiC 器件還可以減少開關損耗，提升轉換效率，提高營業利潤。

800V快充趨勢加速碳化硅上車，碳化硅裝車逐漸向中端車型滲透。后續要跨越電動車滲透率鴻溝，獲得主流消費者廣泛的支持，推廣快充是必然之路，提高充電功率可以實現快充，基於功率kW=電流A×電壓V，快充可通過高電壓或大電流實現，而充電電流加大意味着更粗更重的線束、更多的發熱量以及更多附屬設備瓶頸，而充電電壓提升則有更大的設計自由度，這直接推動了400V 電壓平臺向 800V 電壓平臺轉換。800V快充是目前最有可能改變電動車里程焦慮的新技術，我們判斷800V是未來的必然趨勢。碳化硅MOSFET在800V快充具有無可替代的優勢，電壓升高后硅基 IGBT 的導通損耗、開關損耗都有顯著上升，增本降效使得800V 的實際經濟性大為降低，因此在 800V 電壓平臺中，企業更傾向選擇高頻低損耗的碳化硅 MOSFET 方案，因此目前 800V 電控乃至配套的OBC大部分已選用或規劃採用碳化硅 MOSFET 器件。2023年碳化硅裝車向中端車型滲透趨勢明顯，根據汽車之家數據，23 年有小鵬 G6、極氪 X、智己 LS6 等多款 20-25 萬元價格段的標配碳化硅車型上市。

以現今量產車型搭載碳化硅的情況來看，特斯拉在中低端車型採用混用SiC MOS和Si IGBT外（從原來的24個SiC MOS變成6個SiC MOS+18個Si IGBT混用的方案），在高端車型（Model 3以上的車型）仍採用純SiC MOS的方案（24個SiC MOS），其他大部分廠商均採用36-48 顆芯片。車用OBC和DC/DC對碳化硅的用量與主驅的比例大概是1：2。

我們基於以上分析和以下假設對新能源汽車市場碳化硅市場規模進行預測：

1） 假設一——單車用量：若一輛車主驅用36 或 48 顆碳化硅MoS芯片，假設平均主驅用量為 42顆碳化硅MoS芯片，按照車用OBC和DC/DC對碳化硅的用量與主驅的比例大概是1：2計算，假設平均單車用量為60顆碳化硅MoS芯片；

2） 假設二——碳化硅搭載車型銷量：假設800V高壓快充新車全部搭載碳化硅；非800V搭載率隨着碳化硅成本的不斷下降從2022-2026年分別為1%、3%、5%、10%、15%；

3） 假設三——襯底良率：根據芯八哥，目前頭部廠商晶圓良率和襯底良率在50-60%左右，假設隨着技術和工藝水平的不斷提升，晶圓和襯底良率從2022-2026年分別為50%、55%、58%、60%、65%。

基於以上假設，我們預測2023-2026年全球碳化硅晶圓需求量為18、36、73、112萬片；2023-2026年全球碳化硅襯底需求量為32、62、121、172萬片。

3.2.2. 光伏市場逆變器的應用中也具有較大前景

碳化硅優良的物理性能，在光伏組串式逆變器的應用中也具有較大前景。光伏產業也向「大組件、大逆變器、大跨度支架、大組串」方向發展，光伏電站電壓等級將從1000V提升至1500V及以上，對功率器件的物理性能提出了更高的要求。光伏逆變器作為碳化硅器件的另一大主要應用場景，也迎來新的發展機遇。未來更主流，裝機貢獻更大的組串式逆變器有望受益於 SiC 優良的物理特性，來實現系統的降本提效，並在「平價上網」的市場環境下有望為終端用户創造更大經濟價值。根據 Simon Wall 等人在《High-efficiencyPV inverter with SiC》的研究中，在 50KW 的組串式逆變器中，Si 二極管被 SiC 二極管替代后有望實現 0.3%的系統效率提升。根據天科合達招股説明書，使用全SiC MOSFET 或 SiC MOSFET 與 SiC SBD 結合的功率模塊的光伏逆變器，轉換效率可從96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設備循環壽命提升 50 倍。

碳化硅器件在光儲逆變器中應用比例持續增加，光儲市場的競爭相比車規產品更為激烈。從2010年以來，光伏逆變器廠商就已經採用碳化硅二極管替代硅基器件使用，隨着國產二極管價格的下降，越來越多的企業開始大批量使用碳化硅，2023年5月上海SNEC2023展上，英威騰XG PLUS、上能電氣320kW組串逆變器、邁格瑞能G2混合逆變器等眾多參展產品都採用了碳化硅技術，光伏企業與碳化硅芯片企業合作案例也在增加，如上能電氣與安森美達成戰略合作、科士達與意法半導體深化合作等。比車規產品光伏市場的競爭相對更為激烈，一方面，光伏市場產品驗證周期相比車規產品更短，進入門檻更低，競爭對手更多；另一方面，由於2023年下游逆變器企業處於產能出清周期，受到海外需求增速下滑和庫存的影響，下游競爭加劇，價格競爭也同樣傳導到上游。根據InSmei調研，國內工業碳化硅二級管的價格今年以來跌幅明顯，截止到2023年6月，國內碳化硅二級管的價格已接近0.5元/A，跌幅超30%。未來，碳化硅二極管價格的下降也有望進一步提升對SiIGBT的替代。

3.2.3. 工業電源、軌道交通及其他應用

除新能源車及光伏逆變器之外，在通信及服務器電源、軌道交通牽引變流器等電力電子應用領域，均需要實現整流、逆變等基本功能，而採用 SiC 器件有望提高電能轉換效率，從不同程度上降低系統成本，或為終端客户帶來更大收益及良好使用體驗。

以軌道交通牽引變流器為例，碳化硅功率器件相較傳統硅基IGBT能夠有效提升開關頻率，降低開關損耗，其高頻化可以進一步降低無源器件的噪聲、温度、體積與重量，提升裝置應用的機動性、靈活性，是新一代牽引逆變器技術的主流發展方向。目前 SiC 器件已在城市軌道交通系統中得以應用，蘇州軌交 3 號線 0312 號列車是國內首個基於 SiC 變流技術的永磁直驅牽引系統項目，實現了牽引節能20%的目標。2012 年東京地鐵銀座線進行了世界首次 SiC 器件裝車運營試驗。自2015 年起，日本開始在鐵路車輛上大量採用 SiC 器件，到 2021 年，已進入普及應用階段。

4. 成本提高與性能提升之間的平衡關係是碳化硅產業化的核心

4.1. 成本是當下制約碳化硅加速產業化的關鍵因素

上文中我們判斷了高壓快充有效解決里程焦慮問題，是電車產業趨勢，大量800V車型的推出上市導入也印證了這一點，這進一步促進了SiC的需求爆發。儘管碳化硅器件相比硅基產品具有明顯優勢，但現階段SiC仍然存在一些問題限制了大規模產業化推廣和應用。

一方面，受SiC材料缺陷密度高、SiC器件設計和工藝成熟度、產品良率和可靠性較低等問題限制，單芯片SiC MOSFET的額定電流遠小於單芯片Si IGBT的額定電流，這限制了SiC MOSFET向更高功率等級發展。目前，羅姆半導體集團的商用1200V SiC MOSFET（SCT3022KLHR）分立器件的最大載流能力為95A，商用650V SiC MOSFET（SCT3017AL）分立器件的最大載流能力為118A；科鋭公司的商用1200V SiC MOSFET（C3M0016120D）分立器件的最大載流能力為115A，商用650V SiC MOSFET（C3M0015065D）分立器件的最大載流能力為120A；英飛凌公司的商用1200V Si IGBT（IKY75N120CH3）分立器件的最大載流能力可達150A，650V Si IGBT（IGZ100N65H5）分立器件的最大載流能力可達161A。實際上，兩種類型功率模塊的載流能力差距更大，Si IGBT模塊載流能力超過SiC MOSFET模塊載流能力的5倍以上。

另一方面，SiC MOSFET長時間運行的可靠性仍要差於Si IGBT，這限制了該功率器件在高可靠電能變換領域中的應用。相比Si IGBT，SiC MOSFET主要體現在短路能力和柵氧在高温強電場下的可靠性不足。

此外，SiC MOSFET的開關速度更快，這意味着該功率器件將在開關過程中產生更高的dv/dt和di/dt，從而產生更嚴重的傳導EMI噪聲而威脅變換器性能及可靠性。因此，採用SiC MOSFET將對變換器EMI噪聲的抑制提出更高要求。

而最重要的原因在於成本問題，受高昂SiC材料成本、複雜器件製作工藝以及較低產品良品率等因素的影響，SiC MOSFET的成本與同類Si IGBT分立器件相比仍然有較大差距，這阻礙了SiC器件大規模的產業化推廣。碳化硅商業化的關鍵在於下游對碳化硅器件成本和碳化硅器件優越性能帶來的綜合成本下降間的平衡。雖然碳化硅襯底和器件工藝逐漸成熟，襯底和器件的價格呈一定下降趨勢，但是目前碳化硅功率器件的價格仍數倍於硅基器件，SiC MOSFET分立器件的單價是Si IGBT分立器件成本的3~15倍，且隨着載流能力的提升，價格差距也越來越大，下游應用領域仍需平衡碳化硅器件的高價格與碳化硅器件優越性能帶來的綜合成本下降間的關係，短期內一定程度上限制了碳化硅器件在功率器件領域的滲透率，使得碳化硅材料即使在部分相對優勢領域的大規模應用仍存較大挑戰。但是，在 SiC 器件成本難以對 Si 實現平價化的前提下，我們認為碳化硅依然存在商業價值，其核心原因在於以半導體成本的提升換取系統效率的提升，最終可以帶來系統成本降低，或幫助下游客户在產品的全生命周期內實現更大的經濟利益，在碳化硅成本逐步下降的同時，下游市場也有望迎來較大規模成長。

4.2. 關注產業降本節奏，襯底降本快於器件

從產業鏈成本構成來看，襯底降本快於器件。碳化硅的成本直接決定了滲透率，影響市場規模，因此需要密切關注產業降本節奏。襯底佔碳化硅成本的比例高達47%，其次是外延，再其次是后道等環節，我們判斷襯底降本快於器件。襯底的降本面對諸多技術難點，包括襯底生長「慢」、加工「難」、缺陷密度去除工藝壁壘「高」。碳化硅器件降本的技術路徑，從市場上的動態來看，主要包括擴大晶圓尺寸、改進碳化硅長晶及加工工藝以提高良率。

碳化硅襯底製造工藝複雜技術壁壘高，生長速度「慢」。碳化硅襯底的製造對温度和壓力的控制要求極高，碳化硅襯底的生長過程在2300℃以上高温和接近真空的低壓密閉高温石墨坩堝中進行（硅材料只需要1600攝氏度），無法即使觀察晶體的生長狀況，隨着尺寸擴大，其生長難度呈幾何式增長，温度和壓力的控制稍有失誤，就有可能導致碳化硅材料的微管密度、錯位密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等一系列參數出現差錯，產生異質晶型，影響良率；長晶速度非常慢，傳統的硅材料只需3天就可以長成一根晶棒，而碳化硅晶棒需要7天，這就導致碳化硅生產效率天然地更低，產出非常受限；此外，晶型要求高、良率低，只有少數幾種晶體結構的單晶型碳化硅纔可作為半導體材料。

此外，碳化硅襯底加工「難」，晶棒切割、研磨拋光等后端工藝也面臨較大困難。碳化硅性質偏硬、脆，斷裂韌性較低，切割、研磨、拋光技術難度大，工藝水平的提高需要長期的研發積累，也需要上游設備商特殊設備的配套開發。目前碳化硅切片加工技術主要包括固結、遊離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片；研磨拋光時容易開裂或留下損傷，這要求在切割襯底的時候需要預留更多的研磨拋損耗，這進一步降低了晶錠的出片率，同時也影響了整體的生產良率。全球碳化硅製造加工技術和產業尚未成熟，在一定程度上限制了碳化硅器件市場的發展，要充分實現碳化硅襯底的優異性能，開發提高碳化硅晶片加工技術是關鍵所在。

碳化硅缺陷密度去除工藝壁壘「高」。碳化硅單晶生長熱場存在温度梯度，導致晶體生長過程中存在原生內應力及由此誘生的位錯、層錯等缺陷，其可靠性備受關注。在密閉高温腔體內進行原子有序排列並完成晶體生長、同時控制微管密度、位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等參數指標是複雜的系統工程，涉及一系列高難度工藝調控，工藝壁壘高。

正是因為這些技術難點造成了成本問題，成為碳化硅器件規模化應用的難題。目前，降本的主要途徑包括擴大晶圓尺寸、改進碳化硅長晶及加工工藝以提高良率等。

擴大晶圓尺寸是降低成本的有效手段，6英寸是目前主流，8英寸是未來方向。襯底尺寸越大，單位襯底可製造的芯片數量越多，單位芯片成本越低；襯底的尺寸越大，邊緣的浪費就越小，有利於進一步降低芯片的成本。根據Wolfspeed，從6寸轉向8寸晶圓，碳化硅芯片數量（32mm²）有望從448顆增加到845顆，在良率為80%、60%水平下，有效產出顆數分別為358、507 顆，若假設單車使用同樣規格的芯片54顆（48顆主逆+6 顆OBC），則一片晶圓理論可供6.6、9.5臺車，效率得到顯著提升。根據GTAT公司的預估，相對於6寸晶圓平臺，預計8寸襯底的引入將使整體碳化硅器件成本降低20-35%。而且，6寸SiC晶體厚度為350微米，而最初投放市場的8寸SiC襯底厚度為500微米。儘管晶體成本會略微上漲，但是由於更厚的晶體可以切出更多的襯底片，預計也有望進一步降低器件生產成本。目前導電型碳化硅襯底以 6 英寸為主，8 英寸襯底開始發展；半絕緣碳化硅襯底以 4 英寸為主，目前逐漸向 6 英寸襯底發展。隨着尺寸的增大，碳化硅單晶擴徑技術的要求越來越高。擴徑技術需要綜合考慮熱場設計、擴徑結構設計、晶體制備工藝設計等多方面的技術控制要素，最終實現晶體迭代擴徑生長，從而獲得直徑達標的高質量籽晶，繼而實現后續大尺寸籽晶的連續生長。這也是國產廠商需要着重突破的技術難點。

改進碳化硅長晶及加工工藝以提高良率等也是降低成本的有效方式。目前國內6英寸良率約40-50%，海外約60-70%，較低的良率使得有效產能減少從而成本增加。長晶慢、質量低、大尺寸難度高、加工工藝不足帶來的損耗等方面都是造成良率降低的因素，目前頭部廠商正積極通過技術改進來提升良率，如2021年8月5日，住友官網提到了他們利用一種所謂的MPZ技術，生長了高質量、低成本的SiC襯底和SiC外延片，消除了表面缺陷和基面位錯(BPD)，無缺陷區（DFA）達到99%，相比PVT法，SiC長晶速度提高了5倍左右，相比普通的LPE法速度提升了200倍。但目前國內廠商的良率水平與海外廠商還存在一定差距。

4.3. 2023年國內碳化硅產業回顧：繁榮與挑戰並存

2023年，國內碳化硅產業經歷了快速發展的一年。

從需求情況來看，汽車與光伏應用增長，市場供不應求。從2021年-2022年起，碳化硅器件便進入供應短缺狀態，至今依然沒有得到完全緩解。其中，汽車對碳化硅器件應用量的提升，成為拉動行業增長的主要因素。根據EV芯聞，截至2023年上半年，全球已有40款碳化硅車型進入量產交付，上半年全球碳化硅車型銷量超過120萬輛。從Yole Intelligence發佈的2023年版《功率碳化硅報告》來看，碳化硅行業近年實現了創紀錄的增長，預計到2028年，全球功率碳化硅器件市場將增長至近90億美元。其中，新能源汽車可以稱得上當前碳化硅的殺手級應用。在上文（見3.2.1章節）中我們也對碳化硅未來在電車上的市場需求進行了展望。碳化硅器在光伏市場應用值得關注，隨着碳化硅在光伏領域應用逐漸成熟，碳化硅器件可有效提高光伏發電轉換效率，光伏逆變器的轉換效率可從硅基的96%提升至SiC MOSFET的99%以上，能量損耗降低50%，設備循環壽命提升50倍。這使得光伏逆變器擁有更大替換碳化硅的動力。伴隨滲透率的進一步提升，未來的碳化硅有望逐漸替代硅基IGBT在光伏逆變器上的應用。

從供給情況來看，大廠紛紛擴產，國內差距正在縮短。隨着需求的增長，碳化硅大廠紛紛加速產業佈局，三菱、博世、意法半導體、安森美等國際巨頭紛紛擴產。國內企業也在積極研發和探索碳化硅器件的產業化，已經形成相對完整的碳化硅產業鏈，部分產業節點有所突破。碳化硅襯底方面，天岳先進在半絕緣碳化硅襯底的市場佔有率連續多年保持全球前三；天科合達在國內率先成功研製6英寸碳化硅襯底，並已實現規模化生產和器件銷售。碳化硅外延片方面，廈門瀚天天成與東莞天域可生產6英寸碳化硅外延片。碳化硅器件方面，泰科天潤、瀚薪、揚傑科技、中電 55 所、中電 13 所、科能芯、中車時代電氣等形成一定實力，正在縮短與國外差距。值得一提的是，三安光電和天岳先進、天科合達等獲得海外芯片巨頭的認可，簽下碳化硅襯底長期供貨協議；意法半導體還與三安合資建設碳化硅器件工廠，並由三安配套供應碳化硅襯底。行業產能快速擴張，2024年以來國內碳化硅襯底產能逐步落地，多家廠商的擴產項目都在2023年實現量產或是在產能爬坡過程中。

從降本進展來看，下游二極管價格下降倒逼襯底降本節奏加快。目前，國產碳化硅二極管已經能夠穩定交付，整體產業鏈也較為完善。根據碳化硅芯觀察調研，國內SiC SBD 產品 2017 年的價格在 4.1 元/A 左右，2020 年下降到了 1.58 元/A，2023年上半年，目前國內廠家普遍報價在0.5-0.6元/A。同時二極管的主要市場在光伏、儲能、直流充電樁模塊、氫燃料電池DC-DC模塊和UPS電源等行業，對成本十分敏感，目前，在光伏MPPT電路中，1200V SiC二極管（20A、30A）已經得到了廣泛應用，隨着組件電流的不斷提升，40A、50A等更大電流的SiC二極管需求也會越來越多，對降本的要求會進一步提高。

從產業情況來看，隨着碳化硅產業熱潮的發展，領域內併購案也在增加。2023年11月，羅姆宣佈完成對Solar Frontier原國富工廠的收購；安森美在2021年以4.15億收購GTAT；SK在2020年以4.5億美元收購杜邦碳化硅晶圓事業部；ST在2019年以1.375 億美元收購Norstel AB。相較之下，國內的碳化硅產業起步較晚，就併購角度而言，目前國內大規模碳化硅併購案還不多。不過隨着越來越多的資本與企業進入這個賽道，將來出現大規模的併購重組是不可避免的。

4.4. 2024年碳化硅產業化展望：高壓快充與降本加速的雙重驅動

2024年，我們認為碳化硅產業化進展會隨着高壓快充趨勢及碳化硅產業鏈降本而加速。結合上文中的分析，高壓快充是電車的大勢所趨，未來會逐漸下沉到更低區間的價格帶，高壓快充背景下，電車對碳化硅需求的迫切性對應進一步提高。另一方面，隨着產能的逐步釋放、8英寸量產的不斷成熟、碳化硅長晶及加工工藝的不斷改進、進而碳化硅行業良率的提升，尤其是在國產廠商紛紛入局后，會進一步加速碳化硅的降本。我們認為2024年碳化硅產業化進展會隨着高壓快充趨勢及碳化硅產業鏈降本而加速，關注碳化硅產業鏈降本進展、800V新車放量進展、國內上游材料襯底/外延廠商出貨情況、國內下游器件/模塊廠商上車驗證進展。

在下篇碳化硅報告中，我們將會基於本文對產業趨勢的判斷，深入分析產業鏈各個環節的國內外企業發展進展、競爭格局及未來演進趨勢。

5. 風險提示

高壓快充滲透率不及預期；碳化硅在車端、樁端滲透不及預期；國產化進度不及預期；擴產進程不及預期；價格戰風險；此外文中提及的上市公司旨在説明行業發展情況，不構成推薦覆蓋。