碳化硅的优势
碳化硅作为第三代半导体材料中的明星产品，其具备极好的耐压性、导热性和耐热性，是制造功率器件、大功率射频器件的突破性材料。根据Wolfspeed预计，2022年全球碳化硅器件市场规模达43亿美元，2026年碳化硅器件市场规模有望成长至89亿美元。当前SiC功率器件价格较高，是硅基IGBT的3~5倍左右，但凭借优异的系统节能特性，SiC器件开始在新能源汽车、光伏、储能等领域替代硅基器件。
两种类型的碳化硅材料
按照电学性能的不同，碳化硅衬底可分为半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化硅衬底两类，这两类衬底经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件。其中，半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成HEMT等氮化镓射频器件。导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件。
导电型衬底在功率器件中得到广泛应用，下游市场包括新能源汽车、光伏、高铁、工业电源等领域。导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件，功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一，广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域，涉及经济与生活的方方面面。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，较好地契合功率器件的要求，因而在近年被快速推广应用，例如新能源汽车、光伏发电等领域。
碳化硅功率器件应用领域
碳化硅下游应用市场与规模
根据YOLE的数据，2021年全球碳化硅功率器件市场规模为10.90亿美元，其中应用于汽车市场的碳化硅功率器件市场规模为6.85亿美元，占比约为63%；其次分别是能源、工业等领域，2021年市场规模分别为1.54亿、1.26亿美元，占比分别为14.1%、11.6%。未来随着碳化硅器件在新能源汽车、能源、工业等领域渗透率不断提升，碳化硅器件市场规模有望持续提升。根据Yole的预测，2027年全球碳化硅功率器件市场规模有望达62.97亿美元，2021-2027年CAGR达34%；其中汽车市场碳化硅功率器件规模有望达49.86亿美元，占比达79.2%，汽车仍为碳化硅功率器件下游第一大应用市场。
汽车是碳化硅功率器件最大的下游应用市场。
碳化硅在电动汽车领域主要用于：主驱逆变器、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载DC/DC)和非车载充电桩。根据全球碳化硅领域龙头厂商Wolfspeed公司的预测，到2026年汽车中逆变器所占据的碳化硅价值量约为83%，是电动汽车中价值量最大的部分。其次为OBC，价值量占比约为15%；DC-DC转换器中SiC价值量占比在2%左右。此外，电动汽车充电桩也是SiC器件的一大应用领域。
全球新能源汽车销量不断增长，头部厂商逐渐采用碳化硅器件。根据工信部的数据，2021年全球新能源车销量为675万辆，同比增长108%；其中，中国新能源汽车市场持续突破，2021年销量达352万辆，同比增长160%以上。
特斯拉是业界首个在电动汽车中采用碳化硅主驱逆变器模块的车企，2018年，特斯拉在Model3中首次将IGBT模块换成了SiC模块。当前越来越多的车厂正在转向在电驱中使用碳化硅MOSFET器件，目前除特斯拉Model3外，还有比亚迪汉EV、比亚迪新款唐EV、蔚来ES7、蔚来ET7、蔚来ET5、小鹏G9、保时捷Tayan和现代ioniq5等车型已经在电驱中采用了碳化硅器件。
在主驱逆变器中采用 SiC 器件的车企
汽车高压平台升级，800V时代SiC成为刚需
新能源汽车行业一个亟待解决的问题就是“里程焦虑”，提升充电速度就需要提升充电桩的输出功率，则需要提升充电电压或电流。根据Wolfspeed数据，当前我国商用的主流快充充电桩的功率为100~150KW，电动汽车充电400KM里程所需的时间为40~27分钟。若充电桩采用350KW大功率快充系统，400KM里程所需充电时间可大大缩短至12~15分钟。提升充电功率可以通过提高电流或者电压两种方式来实现。然而，如果通过提升电流来增大充电功率，会带来以下问题：（1）根据功率计算公式，电流的提升会导致系统功率损耗增大；（2）电流增大，根据焦耳定律系统发热会加剧，冷却系统成本增高；（3）所需线束更粗，线束重量将增大。因此提升电压以实现大功率快充成为行业的多数选择。
如果采用碳化硅系统，800V电动汽车的整车效率将得到显著提升。根据PCIMEurope的研究，按照WLTC工况测试，基于750V硅基IGBT模块及1200V碳化硅模块仿真，400V电压平台下，1200V碳化硅模块相比于750V硅基IGBT模块，整车损耗可降低6.9％；然而在800V高压平台下，整车损耗可降低7.6％。此外，由于碳化硅器件功率密度更大，采用碳化硅器件的电动汽车、充电桩可以在较小的体积内达到较大的功率，从而节省车内空间，减轻车身重量。
为了提升电动汽车充电速度、缓解里程焦虑，越来越多的整车厂布局800V高压平台。保时捷Taycan是全球首款量产的800V高压平台车型，并将最大充电功率提升至350KW。此外，奥迪e－tronGT、现代Ioniq5和起亚EV6都采用了800V高压平台。与此同时，国内的车企亦纷纷向800V高压平台迈进。2021年，比亚迪、吉利、极狐、广汽、小鹏等都陆续发布了搭载800V平台的车型，其中小鹏、比亚迪等800V高压车型有望2022年量产。800V平台的推广有望推动SiC器件在电动汽车中的渗透率快速提升。
部分已采用或预计采用 800V 平台的车企
碳化硅产业链
碳化硅产业链价值集中于上游衬底和外延环节。根据CASA的数据，衬底约占碳化硅器件成本的47%，外延环节又占据23%，制造前的成本占据全部成本的70%。而对于Si基器件来说，晶圆制造占据50%的成本，硅片衬底仅占据7%的成本，碳化硅器件上游衬底和外延价值量凸显。由于碳化硅衬底及外延价格相对硅片较为昂贵，碳化硅功率器件现阶段渗透率较低。然而，由于碳化硅器件高效率、高功率密度等特性，新能源汽车、能源、工业等领域的强劲需求有望带动碳化硅渗透率快速提升。
对于碳化硅行业来说，目前衬底、 器件制造产能受限是行业的主要瓶颈。一块碳化硅外延片制造过程主要包括：籽晶制造、晶棒制造、切片抛光、外延层生长四个部分， 各个环节的长晶速率、良率等均有较大提升空间。
在衬底尺寸方面的研发进度
中国企业在单晶衬底方面以4英寸为主，目前国内企业已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。其中天科合达和天岳先进为主的碳化硅晶片厂商发展速度较快，市占率提升明显，三安光电（北电新材）在碳化硅方面也在深度布局。
国内 SiC 衬底项目及产品规划
随着 SiC 需求的不断增长， 国内衬底厂商不断扩大投资产能， 下游企业也以签长约方式确保上游材料稳定供应。 根据碳化硅芯观察的统计， 截至 2022 年 7 月市场上在建、产能爬坡及规划的产能情况来看， 碳化硅衬底规划投资超 400 亿元，未来远期规划年产能超 600 万片，国内碳化硅厂商正起燎原之势。
国内 SiC 衬底项目及产品规划
国内 SiC 器件制造企业
SiC 器件制造需求大增， 国内厂商加速追赶国际龙头。传统功率器件制造商与新兴 SiC 器件制造商纷纷入局， 时代电气、斯达半导、扬杰科技、华润微、士兰微、积塔半导体、中芯绍兴等传统功率器件厂商纷纷加大 SiC 器件制造产线的研发、投资力度；长飞先进、 泰科天润、 基本半导体、世纪金光、中科汉韵、 瞻芯等新兴SiC 器件制造商也异军突起；三安集成亦大力投资长沙 SiC 超级工厂。
我国大力发展第三代半导体产业， 国内 SiC 产业链也在逐步成形。国内垂直一体化 SiC 厂商为三安光电；国内 SiC 设备公司主要包括北方华创、晶盛机电、中微公司、芯源微等；衬底制造商主要有天岳先进、天科合达、 东尼电子、 露笑科技、山西烁科、同光晶体、超芯星、南砂晶圆等；外延厂商包括东莞天域、瀚天天成等；器件设计厂商包括 APS、派恩杰、爱仕特、清纯半导体等；器件制造厂商主要包括时代电气、 华润微、士兰微、 扬杰科技、闻泰科技、 国联万众、长飞先进、积塔半导体、 泰科天润等；终端应用厂商主要有比亚迪半导体等 。
素材来源：民生证券、天科合达招股书
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