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下游应用场景丰富，新能源带来最大增长点 ···· ···· ···· 按照电学性能的不同，碳化硅材料制成的器件分为导电型碳化硅功率器件和半绝缘型 碳化硅射频器件，两种类型碳化硅器件的终端应用领域不同。导电型碳化硅功率器件是通过在低电阻率的导电型衬底上生长碳化硅外延层后进一步加工制成，包括造肖特基二极管、MOSFET、IGBT 等，主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、数据中心、充 电等。半绝缘型碳化硅基射频器件是通过在高电阻率的半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层后进一步加工制成，包括HEMT等氮化镓射频器件，主要用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天。
3.1、导电型碳化硅器件：新能源汽车为最大终端应用市场
SiC晶体管广泛应用于电动汽车，光伏发电，轨道交通，智能电网，数据中心，充电器等领域。据 Yole的数据显示，在2021年的汽车市场上，导电碳化硅动力装置的规模达到了6.85亿美元，占到了62.8%，在能源领域，占到了14.1%，在工业领域，占到了11.6%，在交通领域，占到了7.2%。预计到2027年， SiC在汽车领域的应用将达到49.86亿美元，占到79.2%，而在能源领域的应用则将下降到7.3%，工业领域的工业领域为8.7%，运输领域的应用领域为3.0%，交通领域的应用市领域将会下降到3.0%。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。逆变器是一种将直流信号转化为高压交流电的装置，由于输出 电压和输出频率可以任意控制，所以被广泛用于控制交流电机和无刷电机的转速，是新能源发电、不间断电源、电动汽车、轨道交通、白色家电、电力配送等领域重要的功率转换装置。碳化硅MOSFET在电动汽车主驱逆变器中相比 Si-IGBT 具有明显优势：
与 SiC基IGBT相比， SiC MOSFET具有更高的能量转化效率，其在电动车行驶中可以提高5-10%，也就是在相同的行驶里程下，可以减少电池的容量，从而降低电池的成本。SiC MOSFET的高频率特点，可以使得逆变线圈和电容的小型化，可以极大地减小电驱动的体积，减小可听噪音，可以降低电动机的铁损耗；SiC MOSFET具有较高的抗压能力，当电机功率不变时，可提高其电压，减小电流，使束线重量减轻，并节约了安装面积。虽然当前碳化硅器件单车价格高于Si-IGBT，但上述优势可降低整车系统成本。2018年特斯拉在Model 3中首次将Si IGBT 替换为SiC器件，汽车逆变器效率大幅提升，当前越来越多的车厂如比亚迪、蔚来、小鹏、保时捷等正在转向在电驱中使用碳化硅 MOSFET器件。
车载充电器（OBC）能够将电网中的交流电能转化为直流电能，为电动汽车的高压直流电池组提供能量，是制约其充电器性能的重要因素。相比于 Si基晶体管， SiC MOSFET的功率密度可以提高50%左右，因此可以减轻 OBC的重量，降低 OBC的尺寸，降低其磁感元件和驱动元件的成本。电源转换系统（DC/DC）指的是对输入电压进行转变，并能有效地输出固定电压的电压转换器，它可将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电，它主要给车内动力转向、水泵、车灯、空调等低压用电系统供电。在未来的800 V高电压平台上，1200 V碳化硅基 MOSFET将在直流变流器上得到广泛的应用。
高电压充电桩可有效缓解快速充电、续航里程等难题，对碳化硅（SiC）材料的需求日益增长。目前，国内的车桩比例很难满足市场的要求，而车载充电和充电桩的效率还有待提升，所以，更多的整车厂家开始在800 V的高压平台上进行布局。800伏高压系统一般是指整车的高压电子系统，其电压范围在550-930伏之间，与600伏平台相比，它具有以下优点：在相同的充电功率下，运行电流更小，线束体积更小，线路内阻损失更小，充电效率和安全性更高；800 V平台在同样的电流条件下，可以极大地提高系统的输出功率和充放电速度，是一种新型的高速直流充电技术。对直流快充而言，800 V的充电电压将使其对碳化硅功率器件的要求大幅提高。相对于 MOSFET/IGBT单管式的15-30 kW电池， SiC电池可将电池输出功率提升到60 kW以上；相对于 SiC电池， SiC电池可大大减少电池中的模块数目，并具有更小的体积优势。
新能源汽车的发展速度快于充电站的发展速度，国内充电站的发展空间很大。根据中国能源报的数据，截至2022年12月底，我国已建成的充电桩总数在521个左右，新增259.3万个，较上年同期增长99.1%。其中，新增的公共充电设施65.1个，比上年同期增长91.6%；新增的私人汽车充电桩数量为194.4万个，较上年同期增长了225.5%。到2022年末，新能源汽车的数量达到了1310万辆，占到了全部机动车的4.10%，比上年同期增加了67.13%，其中，纯电动车的数量达到了1045万辆，占到了全部机动车的79.78%。到2022年底，新能源汽车的车桩比仅为2.5:1，充电桩的数量缺口依然很大。据 Wolfspeed公司预计，到2026年，逆变器将会占到汽车行业的83%左右，成为新能源汽车行业最大的一块。其次是出口商品，其价值占到了15%左右；在直流-直流转换器中，碳化硅的价格约占2%。
光伏发电是当前利用可再生能源的重要形式，通过光伏逆变器将太阳能电池阵列的直流 电转换为交流电，以直接消耗或通过电网传输。使用 Si 基器件的传统逆变器会带来较大的 系统能量损耗，而碳化硅的宽带隙、高热导率、高击穿电压和低导通电阻使其能在更高的电压及频率下切换，散热能力更佳，拥有更好的开关效率和热量累计。使用碳化硅功率器件的光伏逆变器可将系统转换效率从96%提升至99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命提升50 倍。据CASA Research 数据，2020年碳化硅功率器件在光伏逆变器的渗透率为10%，随着光伏电压等级的提升，碳化硅功率器件的渗透率将不断提高，预计2048 年将达到 85%的渗 透率。
目前电网使用的硅基器件的参数性能已接近其材料的物理极限，无法担负起支撑大规模 清洁能源生产传输和消纳吸收的重任。SiC在智能电网的主要应用场景包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置。碳化硅在电压等级、导通电阻和开关速度方面的优势能很好的适配电力系统对电压、功率和可靠性的更高要求，可以直接替换硅器件，提升电能转换效率和功率密度，同时还能简化拓扑结构、实现新的并网功能如增加电网稳定性，提供有源滤波功能等。
在轨道交通领域，牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源 充电机等环节均可用到 SiC 功率器件，其中牵引变流器是核心器件，采用 SiC 功率器件替代后，在高温、高频和低损耗方面得到显著改善，有效减小整体器件的体积和重量，符合大容 量、轻量化和节能型的需求。目前 SiC 器件已在城市轨道交通系统中得以应用，苏州轨交3号线0312号列车是国内首个基于SiC变流技术的永磁直驱牵引系统项目，实现了牵引节能20%的目标。CASA预测在2030年碳化硅在轨道交通功率器件的应用占比将达30%，2040年占比将达70%，渗透率不断提升。
3.2、半绝缘型碳化硅器件：5G时代的强大心脏 射频器件是在无线通信领域负责信号转换的部件，如功率放大器、射频开关、滤波器、 低噪声放大器等。目前主流的射频器件材料有砷化镓、硅基 LDMOS、碳化硅基氮化镓等不同类型。碳化硅基氮化镓射频器件同时具备碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，应用于5G 通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天等领域。5G通讯基站应用需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率，对微波射频器件提出了更高要求，而半绝缘型碳化硅衬底制备的氮化镓射频器件在高频段的优异表现使其成为5G时代基站应用的候选技术。据Yole Development 预测，2025年全球射频器件市场将超过250亿美元，功率在3W以 上的射频器件市场中，氮化镓射频器件有望替代大部分硅基 LDMOS 份额，占据射频器件市 场约 50%的份额。
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碳化硅供需缺口持续扩大，海内外厂商加速研发扩产 ···· ···· ···· 4.1、供给端：海外龙头主导出货量，全球有效产能仍不足 当前制约碳化硅器件大规模商业化应用的主要因素在于高成本，碳化硅衬底制造难度 大、良率低为主要原因。全球碳化硅市场呈美国、欧洲、日本三足鼎立的格局，国内龙头企 业仅天科合达和天岳先进占据了全球碳化硅衬底市场份额。在全球导电型碳化硅衬底市场中， Wolfspeed 占据超 60%的市场份额，II-VI 和 Rohm 的子公司 SiCrystal分别占据16%和12%， 位列第二和第三；在半绝缘型碳化硅衬底市场中，Wolfspeed、II-VI 和天岳先进各占据约 30% 的市场份额。
我国在碳化硅领域起步较晚，当前国内厂商在碳化硅衬底产品上与国外龙头仍存在一定 差距。国内主要以 4 英寸碳化硅衬底为主，仅少数企业如天岳先进、露笑科技等实现6英寸衬底的销售，而多家国际一线厂商已实现 6 英寸碳化硅衬底的稳定供应，Wolfspeed、英飞 凌和罗姆等正积极布局 8 英寸碳化硅衬底生产产线，量产指日可待。
目前全球碳化硅衬底有效年产能不足，面对紧张的供需关系，海外龙头企业加速扩产， 积极布局 8 英寸碳化硅衬底的量产。Wolfspeed 于 2022 年 4 月启用全球首家 8 英寸碳化硅 晶圆厂，为目前唯一一家实现 8 英寸碳化硅量产的厂商，并将于 2023 年上半年在德国再建 8 英寸碳化硅工厂，其他国际厂商如罗姆、英飞凌、Soitec、意法半导体等均计划于2023年量产 8 英寸碳化硅衬底产品；而国内厂商除了烁科晶体已实现8英寸碳化硅衬底小批量量产，天科合达、晶盛机电宣布于 2023 年小批量量产8英寸碳化硅衬底外，其余厂商还处于 加速建设 6 英寸碳化硅衬底产线以突破产能的阶段。因此在行业形成稳定、规模化出货前， 碳化硅衬底将持续呈现供不应求的格局。
4.2、需求端：下游需求不断扩大，百亿市场空间可期 未来随着碳化硅器件在新能源汽车、能源、工业、通讯等领域渗透率提升，碳化硅器 件市场规模有望持续扩大，其中新能源车和光伏下游为主要驱动因素。对碳化硅器件在电动汽车领域的市场空间进行测算，假设如下： 1) 全球新能源乘用车销量：根据 Clean Technica 数据，2021年全球乘用车销量超 6500 万辆，其中新能源乘用车销量为650万辆，渗透率为10.3%；2022 年全球新能源乘用车销量为1031万辆，渗透率为14%，假设2022-2025全球新能源乘用 车销量持续增长，至2025年新能源车渗透率达 24%； 2) 碳化硅 MOS 器件渗透率：假设碳化硅 MOS 器件在新能源车应用渗透率从2021年18%逐年增长6%至2024年的 42%； 3) 6 英寸碳化硅衬底市场空间：特斯拉 Model 3 在主驱逆变器上共使用 48 颗 SiC MOSFET，单车消耗约0.25 片6英寸碳化硅衬底，随着技术进步带来碳化硅器件 使用范围进一步扩大至包括 OBC，DC/DC 转化器等方面，假设单车将消耗0.5 片6英寸碳化硅衬底，而其售价按照 10%的幅度逐年下降；4) 碳化硅器件市场空间：当前碳化硅衬底占器件总成本的 46%，假设价格逐年下 降，至 2025 年碳化硅衬底占总器件成本的 30%；5) 综上：2025 年碳化硅衬底(按 6 英寸算)在新能源车市场的需求量达 339 万片，市 场空间为 129 亿元，碳化硅器件的市场空间达429亿元，2021-2025 碳化硅器件 的 CAGR 达 85%。
对碳化硅器件在光伏逆变器领域的市场空间进行测算，假设如下：1）光伏逆变器总需求：光伏逆变器新增需求和全球光伏新增装机量同步，而光伏逆变器 IGBT 器件的使用寿命约10年，故存量更换需求与10年前新增装机量对应； 2）光伏逆变器 IGBT 器件市场空间：假设光伏逆变器平均售价、毛利率逐年下降， IGBT 器件价格占逆变器价格的 12%； 3）光伏逆变器碳化硅MOS器件市场空间：由 CASA，假设碳化硅渗透率增至 2025 的 50%，而技术进步和规模效应使碳化硅器件成本从现硅基 IGBT 价格的4倍逐年下降； 4）6 英寸碳化硅衬底需求：假设碳化硅衬底成本占器件总成本的比例从当前46%逐渐下降至2025年的30%，而6英寸碳化硅衬底单价从按10%的比例逐年下降，从而得到衬底需求量； 5）综上：预计2021-2025年，碳化硅器件在光伏应用领域市场空间由23亿元增长至92亿元，CAGR为42%，到2025年碳化硅衬底（按6英寸算）需求量超过72万片。
根据 Yole 数据，2021年新能源车和光伏应用领域占全球碳化硅市场的77%，预计2027年这一比例将达到86%，按照市场占比以1.9%的年均复合增长率提升，2025 年新能源车和 光伏应用领域占全球碳化硅器件市场的83%，以两者碳化硅市场空间反推可得2025年全球碳化硅器件市场空间达627.8亿元，碳化硅衬底市场空间达188.4亿元，6英寸碳化硅衬底 需求量为495万片。
5、欧美日厂商占据龙头，国产技术革新任重道远 全球碳化硅衬底市场中，Wolfspeed以45%的市场份额位居第一，国内企业仅有天科合 达和天岳先进分别占据5%和3%的市场份额。在导电型碳化硅衬底市场中，Wolfspeed占据 超60%的市场份额，在碳化硅单晶市场价格和质量标准上有极大的话语权；在半绝缘型碳化 硅衬底市场中，Wolfspeed、II-VI 和天岳先进各占据约 30%的市场份额。全球碳化硅器件市场中，ST意法半导体占据的市场份额达到 40%，位居第一，英飞凌占据 22%的市场份额排名第二。
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