SiC材料具有高擊穿電場強度、高熱導率、高電子飽和率、高漂移速率，以及高抗輻射能力等優越性能，這些優勢有望大幅降低電力電子裝置的損耗和體積、重量，因而SiC電力電子器件在高效率、高頻率和高溫度的電力電子應用領域，具有Si功率器件難以比擬的巨大應用優勢和廣闊的應用前景。SiC 作為第三代化合物半導體，相比Si具有大禁帶寬度、高臨界擊穿場強、高熱導率三個最顯著特征。4H-SiC的禁帶寬度是Si的3倍，因此SiC材料能夠在更高溫（如汽車電子）下穩定工作。SiC的臨界擊穿場強可以達到Si的10倍，與Si器件相比，SiC 可以在更高雜質濃度、更薄漂移層厚度的情況下制作出高耐壓功率器件。從而同時實現“高耐壓”、“低導通電阻”、“高頻”三個特性。SiC 的導熱率可達 Si 的 3 倍，因此能夠提高熱傳導能力。隨著電子元器件集成度提升，功率和密度增大，單位體積發熱量增加，高導熱率的材料有利于元器件向更小型化發展。

 

 

當采用SiC時，電源的開關頻率可以設計得更高，這將提高器件的能效，降低無源元件的尺寸/成本，因為無源器件在應用系統總成本中占比很高。而采用較小的無源器件時，還可以縮減模塊的整體尺寸，并且可以再一次降低應用整體成本。此外，當使用SiC解決方案獲得更高能效時，可以降低動力電池冷卻系統的尺寸，同樣也能降低整車的總體成本。根據 Cree公司的測算，采用SiC可節省5-10%的電池使用量，每輛車成本節約 400-800美元，價格只增加200美元，每輛車凈節省200-600美元。

 

 

體積縮小60%以上，重量降低近40%，功率密度提升近3倍；開關頻率達到20kHz以上，電容減少30%以上，諧波減小；電驅系統的開關噪音減小約6dB。其中，小功率/小負載區，SiC系統效率提高了6~20%；中功率/中負載區，SiC電控效率提高3~5%；大功率/大負載區，SiC電控效率提高1~2%。

 

 

 

SiC樣機Si產品相比，效率方面，SiC效率提高約2%，最高達到97%；功率密度方面，體積下降40%，功率密度提高約65%。

 

 

 

SiC樣機（2.8kW）與Si控制器（2.2kW）相比，SiC樣機效率提高約4%，最高達到96%；SiC輸出功率增大27%；功率密度提升約60%。

 

 

相比傳統的硅器件，碳化硅功率器件在充電樁領域應用可以提升電源系統開關頻率和效率，并降低無源器件（電感、電容等）的重量和體積，提升系統功率密度。比如市面上主流的15kW充電樁模塊，一臺15kW的充電樁模塊電源內部一般會用到４顆或８顆SiC MOSFET，具體使用數量取決于所選器件的導通電阻值和輸出電流。

 

 

據國際能源機構（IEA）統計，中國新能源汽車的市場規模占全球的40%-50%。我國2020年新能源汽車產量為136.6萬輛，預計2021年產量將達到250萬輛，同比增長83%。

 

 

 

 

CASA Research預計國內2025年新能源汽車產量將達到640萬輛，2030年達到1520萬輛，2035年達到2000萬輛。根據《新能源汽車發展規劃（2021-2035年）》（國辦發（2020）39號），到2025年，我國新能源汽車新車銷量占比達到20%左右；到2035年，純電動汽車成為新銷售車輛的主流，公共領域用車全面電動化。

 

 

整車龍頭企業已經引入SiC，更多企業列入未來規劃。整體來看，國內新能源汽車企業首先在OBC和DC-DC中應用SiC器件，然后逐步滲透到可靠性要求更高的電機控制器。據了解，比亞迪、北汽新能源、吉利汽車、上海大眾、尼桑在其部分車型中的OBC和DC-DC中使用了SiC器件；比亞迪、特斯拉上海工廠、宇通客車、吉利汽車在電機控制器中使用了SiC器件；傳統車企北汽新能源、江淮汽車、紅旗、現代、本田、寶馬、奧迪以及造車新勢力如蔚來、小鵬、理想等企業即將在其主驅逆變器中采用SiC。據調研，比亞迪2016年開始將SiC MOSFET大規模應用于新能源汽車DC-DC轉換器和車載充電器（OBC）產品中，2020年應用于比亞迪漢電機控制器中；北汽新能源2018年開始在車載充電機和DC/DC中使用SiC器件，預計2023年及以后應用于電機控制器，相關產品已經在進行整車高溫試驗。

 

 

 

電驅動集成系統推動SiC上車應用。已有多家零部件供應商發布了開發、量產SiC電驅動系統的計劃，例如國外的博世、德爾福、采埃孚、法雷奧，國內的比亞迪、精進電動、上海電驅動、緯湃科技等。

 

 

另外，新能源汽車電驅動直流電壓平臺逐漸上升到800V，SiC功率半導體將成為必然選擇。從400V提升到800V，意味著電動汽車所有的高壓元器件及管理系統都要提高標準，首當其沖的就是逆變器。功率器件是電動汽車逆變器的核心能量轉換單元，目前，傳統IGBT通常適應的高壓平臺在600-700V左右，如果直流母線電壓提升到800V以上，那么對應的功率器件耐壓則需要提高到1200V左右。SiC由于其高耐壓的特性，在1200V的耐壓下阻抗遠低于Si，對應的導通損耗會相應降低，同時由于SiC可以在1200V耐壓下選擇MOSFET封裝，可以大幅降低開關損耗，這將大幅提高功率器件的效率，有研究指出，應用1200V的碳化硅模塊較750V的IGBT模塊可以將整車能耗降低7.9%。

 

 

據調研了解，國內新能源汽車續航里程500km以上車型的電機控制器SiC滲透率將逐漸加速，到2023年左右達到100%；續航里程400km-500km新能源汽車車型電機控制器將在2023年左右開始使用SiC功率半導體，整體滲透率在40%左右；續航里程400km以下車型電機控制器將在2025年以后使用SiC功率半導體，整體滲透率小于10%。

 

據CASA Research數據顯示，2021年國內新能源汽車SiC功率半導體市場規模（含充電樁）約為31.2億元，到2026年市場規模將達到193.6億元，年均復合增長率44%。其中，2021年國內新能源汽車SiC功率半導體市場規模約為30億元，到2026年市場規模將達到170億元，年均復合增長率41.5%；2021年國內充電樁SiC功率半導體市場規模約為9400萬元，到2026年市場規模將達到25億元，年均復合增長率92.7%。國內新能源汽車SiC的應用進展持續快于預期，CASA Research在《第三代半導體產業發展報告》（2020）的基礎上修正了預測模型相關參數，以便更好地服務于產業發展。

 

國內新能源汽車SiC功率半導體市場引領全球SiC市場發展。據Yole 2020年發布的數據顯示，2019年全球新能源汽車SiC功率半導體市場規模約為14.6億元，年均復合增長率38%，到2025年市場規模約為100億元。2019年全球充電基礎設施SiC功率半導體市場規模約為3250萬元，年均復合增長率90%，到2025年市場規模約為14.6億元。總體來看，Yole 在2020年對新能源汽車SiC功率半導體的市場預期偏低，對我國市場的發展預估不足。

 

 

我國SiC功率半導體產業取得了長足的進步，據《第三代半導體產業發展年報》（2020年）數據顯示，2020年我國SiC、GaN電力電子產值規模達44.7億元，同比增長54%，襯底材料約2.2億元，外延及芯片約5億元，器件及模組約7.2億元，裝置約30億元，相較前幾年，中下游的增長速度加快。同時，我國SiC產業也面臨一些矛盾，解決這些問題需要全行業的共同努力。

 

 

據CASA Research測算，國內2021年新能源汽車市場6英寸SiC晶圓需求量超過10萬片，預計到2026年需求量將增長到近70萬片。若考慮新能源汽車、PV光伏、5G電源、軌道交通等其他應用，國內2021年6英寸SiC晶圓需求量在20-25萬片之間，預計到2026年需求量將增長到150萬-200萬片之間。

 

據《第三代半導體產業發展報告》（2020年）數據顯示，國內SiC導電型襯底折算4英寸產能約為40萬片/年，SiC-on-SiC 外延片（表示在碳化硅襯底上沉積碳化硅）折算 6 英寸產能約為22萬片/年，SiC-on-SiC 器件/模塊（4/6 英寸兼容）產能約26萬片/年。

 

 

在此情況下，國際企業已經完成大規模擴產，2020年-2022年產能將逐步釋放。科銳預計在2024 年前產能擴充30倍，羅姆在2024年前產能擴充16倍等。科銳、英飛凌、羅姆、X-Fab等均已實現6英寸產線量產，預計2022年升級到8英寸產線。

 

 

產業小，市場大。與國際企業相比，我國第三代半導體產業規模仍然較小，企業優勢不明顯。各細分應用市場的核心器件均由Cree | Wolfspeed、ROHM、Infineon等國外企業占據，國產產品市占率不足10%。整體來看，國內前幾家的市場占比仍然較小，而領先企業的SiC產品的單獨銷售規模也未超過10億元，并未形成具有絕對優勢的龍頭企業。隨著越來越多的資本和競爭者進入該領域，預計未來幾年，國內企業的兼并、重組事件將增多，產業鏈的聚集與融合將成為常態。

 

產品慢，市場快。整體來看，國際企業從產品數量、技術指標、企業規模等各方面都超過國內企業，國內下游整車企業從產品可靠性、批量供應能力等方面考慮優先選擇國外大企業進行合作，國內SiC產品上車適用的機會較少。國內能批量生產SiC單晶襯底的公司包括天科合達、山東天岳、爍科晶體、同光晶體等，中科鋼研、南砂晶圓、福建北電新材料、世紀金光、中電化合物、江蘇超芯星等公司具備供貨能力。批量出貨的SiC外延企業為瀚天天成和東莞天域，中電科55所、中電科13主要自用。SiC器件能夠出貨的企業主要有泰科天潤、55所、華潤微、上海瀚薪科技、瞻芯電子、基本半導體、鍇威特、三安集成等。SiC模塊目前正在推進布局的企業包括華微電子、士蘭微、江蘇宏微、斯達半導體、中恒微、芯聚能等。

 

 

 

 

 

資本加持，我國第三代半導體產業鏈逐步完善。我國第三代半導體SiC投資逐年增加，逐漸形成了襯底、外延、器件/模組、應用及裝備輔料完整產業鏈。據《第三代半導體產業發展年報》（2020年）數據顯示，2020年SiC投資17筆，涉及金額550億元。據CASA Research不完全統計，2021年上半年SiC投資17筆，涉及金額140億元（不完全披露）。

 

另一方面，“產線多、產品少”的現象較為突出。由于5G、人工智能、新能源等發展提速，對半導體需求猛增，產業的關注度日益增高，國產化替代成為發展趨勢，也出現了各地方半導體項目一哄而上、部分低水平重復的現象，第三代半導體相關項目估值過高，造成了不理性的市場表現和資源浪費。據CASA Research不完全統計，截至2021年上半年，SiC襯底已有產線17條，在建產線超過10條；SiC器件/模組已有產線13條，在建產線超過10條。但是，能夠批量出貨的產線并不多。

 

投資切忌“急功近利”，企業要加強“內功修煉”。政府部門和投資機構要保持清醒的頭腦，有所為有所不為，引導資本流向具備量產能力的項目，不要盲目引進新的項目，避免資源的過度浪費；鼓勵建設國家級、省部級等公共技術研發平臺及中試驗證平臺，開展從材料、工藝、集成、應用全鏈條關鍵技術研發，實現小批量中試驗證；鼓勵企業研發更大尺寸晶圓、開發新的制造工藝、提升產品質量，打造一批自主創新能力強、技術水平先進、市場占有率高、競爭能力強的領軍企業；鼓勵有條件的企業有序擴產和具備量產條件的項目落地，加強窗口指導，避免不符合地方發展需求和實際的SiC半導體項目盲目落地。

 

 

我國擁有全球最大的新能源汽車應用市場，如何形成對我國SiC產業的有效拉動成為行業各方共同探討的問題。首先，強化技術攻關。要加速突破襯底材料、外延、芯片和封裝測試瓶頸；要不斷開發新工藝和新技術，加速實現6英寸SiC襯底和外延材料的產業化轉移，降低材料的缺陷密度，提升產品良率并降低成本；盡快推出符合新能源汽車應用的SiC MOSFET產品；推動建設國際一流的SiC、GaN IDM和Foundry等。其次，推進車規級SiC半導體認證體系。構筑車規半導體標準體系，打造專業的車規半導體測試平臺，推進半導體上車前的車規測試，并與國外產品進行對標測試，整合國內半導體優勢資源，解決共性關鍵產品技術和測試技術，推進車規產品的標準化。第三，加大國產SiC半導體產品的試用和驗證。政府組織整車企業和SiC半導體企業成立試用驗證平臺，并出臺保險補償機制，鼓勵整車企業敢用、愿用國產產品。通過真實應用環境考驗，不斷試錯、發現和解決器件問題，提升國內SiC半導體企業的市場競爭力，降低國內應用企業的供應鏈安全風險。