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電子行業研究報告：800V時代到來，碳化矽深度受益，迎來甜蜜時刻

由財經遠瞻發表于娛樂2022-03-31

簡介碳化矽器件應用於車載充電系統和電源轉換系統，能夠有效降低開關損耗、提高極限工作溫度、提升系統效率

2020年碳化矽行業會好嗎

（報告出品方/作者：

國金證券

樊志遠劉妍雪鄧小路）

一、800V高壓系統時代到來，碳化矽深度受益

1.1 碳化矽具有低導通損耗、低開關損耗優勢

相對於Si基IGBT，碳化矽具有低導通損耗、低開關損耗，應用於800V高壓平臺的電動汽車，可以充分體現快充、節能的優勢。

在車用方面：

SiC MOSFET在效能方面明顯佔優，可以降低損耗，減小模組體積重量，IGBT 在可靠性、魯棒性方面佔優。

碳化矽器件應用於車載充電系統和電源轉換系統，能夠有效降低開關損耗、提高極限工作溫度、提升系統效率。

目前全球已有超過20家汽車廠商在車載充電系統中使用碳化矽功率器件；碳化矽器件應用於新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。

碳化矽在新能源汽車中主要應用於DC/DC直流變壓器、DC/DC升壓器、OBC車載充電器以及動力電機控制器。

1.2 碳化矽有望在800V系統中大顯身手

SiC由於其高耐壓的特性，在1200V的耐壓下阻抗遠低於Si。

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，首當其衝的就是逆變器。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，那麼對應的功率器件耐壓則需要提高到1200V左右。

SiC由於其高耐壓的特性，在1200V的耐壓下阻抗遠低於Si，對應的導通損耗會相應降低，同時由於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。

全球最高水平，1200V碳化矽導通電阻控制在3mΩcm2以下。

作為為全球碳化矽龍頭，Wolfspeed在電阻率指標控制方面表現優異，750V碳化矽導通電阻控制在2mΩcm2左右，900V碳化矽導通電阻控制在2。5mΩcm2以下，1200V碳化矽導通電阻控制在3。2mΩcm2左右，Rohm也表現出色，650V碳化矽導通電阻控制在2mΩcm2以下，1200V碳化矽導通電阻控制在3mΩcm2以下。

800V下SiC總功率損耗顯著低於Si。

當今最先進的400 V SiIGBT逆變在8至10 kHz的開關頻率下運。電壓壓擺率通常高達5 kV/s。傳統Si技術和SiC技術在800V下的總功率損耗之間存在顯著差異。

SiC 可以實現更高的功率密度。

由於導通電阻低，在SiC半導體中產生的熱損失很低。這允許更高的開關頻率，緊湊的封裝空間和減少功率模組的冷卻能力需求。

因此，SiC半導體比Si半導體需要更小的封裝空間，可以實現更高的功率密度。

輕載時，SiC低導通損耗對續航提升更加明顯。

使用SiC技術的MOSFET在開關過程中表現出比使用Si技術更高的效率。低Rdson的優勢是SiC MOSFET半導體在800V逆變器應用的主要原因。

較寬的帶隙和較低的表面電阻上較高的擊穿電壓，允許以較高的壓擺率切換高電壓，以上這些都是SiC的材料優勢。由於更低的Rdson，開關損耗較低，可以應用較高的開關頻率，特別是在輕載時，低導通損耗有對工況效率提升更加明顯。

在電機執行期間：

逆變器會將電池提供的直流電壓轉換為快速脈衝電壓，從而產生諧波交流（AC）電流，交流電又將產生轉子跟隨的旋轉電磁場。

透過這種方式，脈衝電訊號逐漸接近均勻正弦波形（40kHz及更高）的最佳值，高頻損耗減小。

電流的頻譜也會變得“更乾淨”，從而減少了以發熱形式出現的諧波損耗。

碳化矽在開關狀態下比採用矽IGBT的當前標準解決方案具有更高的電導率。

在車輛層面，與 Si IGBT相比，使用SiC MOSFET可將800 V電壓水平的系統效率提高多達 3%。除了這一優勢之外，碳化矽還可以顯著提高逆變器輸出的電壓壓擺率>20 kV/s（理論上），這是當今的矽半導體解決方案所不能達到的指標。與 Si IGBT相比，在相同開關頻率下的逆變器可以進一步提高2-4%的效率。

總體而言，電動機頻率的增加導致效率進一步提高1-2%。為了減少效率劣勢，必須在EMC 約束允許的情況下將電壓壓擺率調整為最高。透過使用SiC代替Si半導體，系統最佳化在800V 的電壓水平下總共提高了6–8%的效率。為了實現SiC技術的效率提升，除了壓擺率和開關頻率的工作點相關調整之外，還必須軟體最佳化及演算法最佳化進一步提升系統效率。

二、800V電驅採用碳化矽，整車可節能5-10%

2.1 輕載、低速工況下，碳化矽優勢更佳

電驅採用碳化矽總損耗有效下降。

美國能源部對純電動車Nissan-Leaf做了能耗分佈，77-82%能耗消耗在了風阻、剎車、滾阻上面，而電驅能量損耗約16%，在16%裡面功率半導體又佔其中的40%左右，剩下的60%是電機的損耗，功率半導體在電控裡佔整車的能量損耗約為6。4%，而碳化矽器件的總損耗相比矽器件下降了70%，採用碳化矽器件，全車總損耗下降約4。48%。

根據英飛凌、Fraunhofer研究，在城市工況，全碳化矽模組比Si基IGBT模組多續航10%。

現代800V系統採用英飛凌SiC模組續航提升了5%以上。

現代汽車在支援800V快速充電的E-GMP的主要裝置上，採用了英飛凌的車載全SiC模組。透過採用低損耗的SiC，將車輛的續航距離延長了5%以上。

首次應用E-GMP的電動汽車（EV）是2021年2月釋出的“IONIQ 5”。也就是說，該EV採用了英飛凌的車載全SiC模組。

英飛凌預計，在汽車需求增長的帶動下，本財年其碳化矽業務達到1。7億歐元（13。25億人民幣），營收將翻一番，而英飛凌此前曾預計只增長70％。

2.2 蔚來、小鵬釋出800V+碳化矽車型，優勢明顯

800V系統採用碳化矽模組整體能耗降低5%~10%。豐田、戴姆勒、福特、蔚來這樣的整車廠，其他還有包括電裝、英飛凌、羅姆都做了大量的研究，模擬及實測在不同的工況、不同的車型得到的答案採用都是採用碳化矽模組將矽模組的能耗降低5%~10%。

蔚來ET7採用碳化矽模組。

ET7透過採用碳化矽功率模組（SiC MOSFET）、減少零部件數量、最佳化電磁方案、最佳化減速器速比（從9。57提升到10。48）、採用扁線繞組等技術，在功率提升12。5%的基礎上，重量依然保持在88公斤，使功率密度超過了2。04kW/kg，在國產電驅系統中處於領先地位。

蔚來 ET7 續航提升 4%~6%。

蔚來所採用的碳化矽模組由安森美生產，位於韓國的晶圓廠生產晶圓，並在馬來西亞進行模組封裝。

該模組的導通電阻僅1。7mΩ、熱阻0。1℃/W，是目前業內效能最優的碳化矽功率模組之一。

與傳統的矽基IGBT模組相比，該模組在低載的工況下，也就是我們日常通勤場景中，導通電壓、開通損耗、關斷損耗上都有優勢，其中關斷損耗要比傳統 IGBT 模組要低 2~3 倍。

同時，該模組的開關頻率可以達到 50~500kHZ，開關時間可以縮短到 50 納秒，比傳統的 IGBT模組快 5~6 倍。

基於多重優勢，採用碳化矽模組的蔚來電驅動系統的電流能力提升了30%，功率提升20%，綜合工況效率超過91。5%，並對續航帶來了4%~6%的提升。

採用碳化矽技術可以降低800V電機的諧波損耗。

通常的功率流（灰色）從輸入功率，透過氣隙功率，到軸上的機械輸出功率。定子和後來的轉子的功率損失是透過散熱傳遞的。紅色表示的是完全轉化為熱量而不影響機械功率的諧波輸入功率。

小鵬G9 800VSiC平臺，充電5分鐘續航200公里。

小鵬SUV G9，首次採用800V高壓SiC平臺，小鵬汽車還將鋪設中國首批次產的480kW高壓超充樁，有望實現充電 5 分鐘，續航200公里。

2.3 多家汽車品牌採用800V+碳化矽方案

Model3開創車用碳化矽先河。

2018年，特斯拉Model3逆變器模組上率先採用了24顆碳化矽SiC MOSFET，該產品由意法半導體提供，開啟了碳化矽電動汽車應用的先河，比亞迪漢電驅2020年也開始採用SiC MOSFET，2021年開始，電動汽車應用碳化矽呈現大幅增長態勢。

三、車載OBC、DC-DC、PDU開始大規模應用碳化矽

車載充電模組開始大規模採用碳化矽。動力電池電壓平臺升級到800V，當前的OBC、DC/DC及PDU等電源產品都需要從400V等級提升至符合800V電壓平臺的應用，SiC器件由於其優異的特性也將開始大規模的應用。

碳化矽器件可提升OBC效率與功率密度，降低損耗。

車載OBC採用碳化矽器件，系統效率可提升1。5%-2。0%。器件開關頻率x2，減少被動器件體積，提升功率密度（30%-50%）器件數量減少，簡化驅動電路設計，減少驅動晶片使用量，有望降低系統成本。

800V系統車型，車上需要加裝大功率升壓模組，廣泛應用碳化矽。

直流快充樁原本輸出電壓等級為400V，可直接給動力電池充電，但升級為800V後充電樁電壓不再能夠繼續充電，因此需要一個額外的升壓產品使400V電壓能夠上升到800V，進而給動力電池進行直流快充。

在此技術方案下，這個器件需要能夠滿足大功率充電的功率，因此其價值量相比傳統DC/DC 要更大，而電源企業也將充分受益於此升壓DC/DC產品的配置。高電壓對功率器件提出更高要求，碳化矽將藉助耐高壓、耐高溫、開關損耗低等優勢在功率器件領域進行廣泛應用。

以OBC舉例，從 Si 設計轉到 SiC 設計，功率器件和柵極驅動的數量減少30%以上，開關頻率提高一倍以上。降低了功率轉換系統的元件尺寸、重量和成本，同時提高執行效率。

車載電源產品主要向整合化、高功率化、雙向化發展。

(1) 整合化：

透過將DC/DC、OBC、電機、電控器件等整合可以減少車載電源的佔用空間，減少電路板尺寸，降低組裝成本以及BOM和PCB成本。

(2) 高功率化：

隨著電動車續航、帶電量的提高，10kW、20kW以上的大功率將成為主流，主要透過三相交流電技術。

(3) 雙向化：

雙向DC/DC具有效率高、體積小、成本低的優點，同時還可將電池電能對外輸出，有效提高電能利用率。雙向車載充電機可以將電池的電能對外輸出，實現車對車、車對負載、車對電網充電。

在車載電源系統中使用SiC MOSFET能以更高的頻率進行開關，功率密度更高，能效更高，EMI 效能得到改善以及系統尺寸減小。

同時，再以22KW OBC 系統舉例，再進一步細化成本結構：

儘管相比單個 Si 基二極體和功率電晶體，分立式SiC基功率器件的成本更高。但從系統角度來說，SiC器件的效能可減少所需元件的數量，從而降低電路元件成本以滿足支援各種功率器件功能的要求。綜合測算，SiC系統比 Si 系統可節約近20%的成本。

除了結構成本節約之外，SiC系統在3 kW/L的功率密度下可實現97%的峰值系統效率，而Si OBC僅可在 2 kW/L的功率密度下實現95%的效率。

四、充電樁向大功率方向發展，全碳化矽模組用量增加

2021年 8 月，廣汽埃安釋出了A480超級充電樁，電壓可達880V，最高充電功率為480kW。

2021上海車展上，起亞EV6全系車型支援400V和800V充電，現代IONIQ 5最新800V高電壓平臺支援高達350kW的超大功率充電，吉利浩瀚架構下首款車型採用800V高壓系統，東風旗下嵐圖汽車宣佈研發基於超高壓平臺的超級快充技術。

隨著超充、快充需求的增加，全碳化矽模組開始在充電樁上大量採用，根據產業鏈調研，800V架構的高效能充電樁大部分採用全碳化矽模組。

公共充電樁快速增長。

根據中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟9月10日釋出的資料，2021年8月比2021年7月公共充電樁增加3。44萬臺，8月同比增長66。4%。1-8月國內公共充電基礎設施增量同比上漲322%。

五、全球軌交逐漸推廣碳化矽技術

碳化矽技術有望在整個歐洲軌交推廣應用

碳化矽應用於有軌電車，減少10%能耗。

2021年12月3日，西門子官方公佈了他們的碳化矽有軌電車的測試結果，即將正式批次投入使用。

2021年8月，西門子鐵路系統和慕尼黑市政公司在慕尼黑的Avenio有軌電車上成功完成了為期一年的SiC半導體技術的測試。

目前，裝備SiC晶片的Avenio m ü nchen號已經執行一年時間，總共行駛了6。5萬里。根據西門子最近公佈的研究結果，碳化矽電車在操作過程中噪音水平較低，電機噪音總體上有所降低，而且能源消耗大約減少了10%。

目前碳化矽轉換器的初始規劃階段和車輛試驗階段已經完成。

這次測試的Avenio電車兩個牽引轉換器中只有其中一個安裝了SiC半導體，接下來，PINTA 專案將重點在雙系統有軌電車中使用SiC來實現系統最佳化。預計測試完成後，碳化矽將有望在整個歐洲推廣使用。

日本多條列車線路採用碳化矽

日本軌道交通對碳化矽的使用更為領先，9月22日，JR 東日本橫濱分公司推出了搭載碳化矽的E131 Series 500系列列車，以替代相模線上現有的205機型，預計將於年底正式投入商業運營。

11月22日，日本JR Central表示，將於2022年3月5日在名古屋至中津川的中央幹線上推出新的315系列通勤列車。

JR Central公司表示，與之前的211系列相比，315系列列車的牽引系統配備了碳化矽（SiC），可以節約大概35%的能耗。

預計2023財年年底前，315系列列車將全面替代中央線上的211系列八節車廂列車。同時，315系列列車還將部署在東海道幹線以及名古屋和靜岡附近的通勤線路上，並將在2026年3月前分四批交付。

中國 8 條地鐵搭載碳化矽

中國方面，今年 5 月，搭載碳化矽技術的深圳地鐵 1 號線也已透過專家認證，根據《2021 第三代半導體調研白皮書》，目前國內已有 8 條地鐵線路已經搭載碳化矽技術。

六、全球碳化矽公司大舉擴產，強化合作，迎接需求大時代

全球碳化矽龍頭Cree 10 億美元擴產碳化矽。

2019年5月，Cree 宣佈將投資 10 億美元用於擴大碳化矽產能，在美國總部北卡羅萊納州達勒姆市建造一座採用最先進技術的自動化 8 英寸SiC碳化矽生產工廠和一座材料超級工廠，材料產能比2017年增加30倍，器件產能比2017年增加18倍。

特斯拉供應商 ST 碳化矽器件擴產 10 倍。

ST向Cree及羅姆下了長期採購碳化矽襯底的訂單，並收購了Norstel，已開發出 8 寸，ST在美國及新加坡積極擴產器件產能，2024年產能將是2017年的10倍，2020年的2。5倍。

ROHM 投資500億日元（約28億元人民幣）擴產碳化矽。

羅姆的目標是在2025年前將 SiC 功率半導體的產能擴大 5 倍以上，羅姆目前已在日本福岡工廠建成了製造相關產品的新廠房，預計明年投產。羅姆與豐田、三菱有深入合作開發，吉利等汽車品牌也均有計劃使用羅姆的產品。在市佔率方面，羅姆目標能夠將現在20%左右的全球份額儘快提高到30%。

東芝 SiC 擴產 10 倍。

東芝旗下的半導體業務子公司東芝 Devices&Storage 計劃在2023年將位於日本兵庫的半導體工廠中的 SiC 功率半導體產量提升到2020年的 3 倍以上，且在未來要儘快提高到10倍。此外，東芝也有著在2023年前搶佔球10%以上全份額的野心。

東芝Devices&Storage此前的主要業務是在鐵路用裝置方面，年銷售額可高達 10 億日元以上。

東芝表示，將在今後將 SiC 的應用領域擴充套件到用於伺服器和工業電源領域的產品，並在2024 年之後投放車載產品。

東芝還表示，將在今後將 SiC 的應用領域擴充套件到用於伺服器和工業電源領域的產品，並在2024年之後投放車載產品。

富士電機目前也在考慮將 SiC 投產的時間提前，對於富士來說，增產的最大挑戰是材料的來源是否穩定，由於 SiC 產品的加工技術要求頗高，所以和材料供應商的合作也至關重要，在今年日本的半導體企業和上游原材料供應商之間簽訂合同或合作協議的動態也越發積極。

東芝Devices&Storage就在今年 9 月和昭和電工簽訂了兩年半的長期供應合同，主要供應材料就是 SiC 晶圓。此外，昭和電工在 5 月還和全球最大的半導體企業英飛凌簽訂了優先供貨合同。

在日本的半導體企業之間還出現了併購——與材料商垂直整合的動向。

羅姆早在2010年收購的德國 SiC 晶圓製造商SiCrystal，在去年和意法半導體 ST 就SiC晶圓達成了1。2億美元以上的長期供應協議。美國安森美半導體在今年 8 月宣佈，以 4 億美元的價格收購了一家專業從事SiC生產的美國本土企業。

全球各大廠商深入合作。

2019年9月，雷諾-日產-三菱聯盟就與意法半導體達成合作，選擇意法半導體SiC產品，開發車載充電器（OBC）。

2019年9月，大眾/保時捷與德爾福簽訂了為期 8 年的SiC逆變器批次生產訂單，訂單額為27 億美元（約175億人民幣）。

2019年11月，科銳與採埃孚推進電驅動領域合作，應用碳化矽技術。合作簽訂時特別提到利用SiC技術協同800V電壓的車輛電氣系統。今年4月21日，江淮汽車與博世簽訂了碳化矽逆變器等方面戰略協議。

預測2026年車用碳化矽功率器件市場規模超30億美元。當前整個碳化矽功率器件的市場規模在10億美元左右，還沒有迎來滲透率的拐點。

根據Yole的預測，到2026年整個碳化矽功率器件的市場規模有望達到50億美元，其中60%以上用於新能源汽車領域。

七、行業細分龍頭

7.1 報告總結

美國公司佔全球SiC產量的70%~80%。在SiC領域，歐美日企業領先，其中美國優勢最為明顯。

全球SiC產量的70%~80%來自美國公司，海外SiC單晶襯底企業主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等；外延片企業主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機、Infineon等；器件方面相關主要企業包括Infineon、Cree、羅姆、意法半導體等。

中國碳化矽產業雖然基礎薄弱，但是在大力發展，在碳化矽外延方面做的較好，如東莞天域、瀚天天成等，襯底企業天科合達、山東天嶽也取得了一定的發展，器件方面二極體方面成熟性相對較好，已大量應用於光伏、大功率電源、充電樁等，如三安光電、泰科天潤、派恩傑等，但是SiC MOSFET還非常薄弱，尤其是車用，但是中國電動汽車發展較好，中國碳化矽企業本土化優勢明顯，未來具有較好的發展機會。