1、碳化硅定義及分類
根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國碳化硅行業(yè)發(fā)展深度研究與投資趨勢分析報告（2024-2031年）》顯示，碳化硅化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好。此外，碳化硅的硬度很大，莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石(10級)，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。
碳化硅性質(zhì)分析
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定義 |
主要內(nèi)容 |
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物理性質(zhì) |
高硬度(克氏硬度為3000kg/mm2)，可以切割紅寶石; |
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高耐磨性，僅次于金剛石; |
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熱導(dǎo)率超過金屬銅，是Si的3倍，是GaAs的8~10倍; |
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熱穩(wěn)定性較高，在常壓下不可能熔化; |
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散熱性能好，對于大功率器件非常重要。 |
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化學(xué)性質(zhì) |
耐腐蝕性非常強(qiáng)，室溫下幾乎可以抵抗任何已知的腐蝕劑; |
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SIC表面易氧化生成SiO2薄層，能防止其進(jìn)一步氧化，在高于1700℃時，這層氧化膜熔化并迅速發(fā)生氧化反應(yīng); |
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4H-SIC和6H-SiC帶隙約是Si的3倍，是GaAs的2倍;其擊穿電場強(qiáng)度高于Si一個數(shù)量級，飽和電子漂移速度是Si的2.5倍。H-SiC的帶隙比6H-SiC更寬。 |
資料來源：觀研天下整理
目前，工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑碳化硅和綠碳化硅兩種，都屬于α-碳化硅。其中，黑碳化硅含SiC約95%，其韌性高于綠碳化硅，用于玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等加工抗張強(qiáng)度低的材料；綠碳化硅含SiC約97%以上，自銳性好，大多用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金、光學(xué)玻璃、精磨高速鋼刀具。
碳化硅分類
資料來源：觀研天下整理
2、碳化硅行業(yè)主要應(yīng)用于新能源汽車、光伏等領(lǐng)域
現(xiàn)階段，我國“十四五”規(guī)劃已將碳化硅半導(dǎo)體納入重點(diǎn)支持領(lǐng)域。隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的實(shí)施，碳化硅半導(dǎo)體將在5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
碳化硅屬于第三代半導(dǎo)體材料，處于寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的前端，是前沿、基礎(chǔ)的核心關(guān)鍵材料，在5G通信、國防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天、新能源汽車、光伏產(chǎn)業(yè)、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
我國碳化硅市場應(yīng)用規(guī)?？焖僭鲩L的主要驅(qū)動因素之一是新能源汽車市場的快速滲透，新能源汽車占行業(yè)下游應(yīng)用市場的份額為38%。其次是消費(fèi)類電源，占比為22%；光伏占據(jù)著15%的份額。
數(shù)據(jù)來源：觀研天下整理
3、碳化硅受新能源汽車廠商熱捧，助力行業(yè)滲透率上升
具體來看，在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅憑借高效率、高功率密度等優(yōu)異特性，能有效提升續(xù)航、節(jié)省電池成本。自2019年來，包括保時捷、小鵬汽車、理想汽車、極氪汽車、阿維塔、問界等整車品牌，都已經(jīng)推出800V高壓系統(tǒng)，其中的關(guān)鍵就是碳化硅，其主要原因是搭載碳化硅功率器件的高壓系統(tǒng)，普遍可以實(shí)現(xiàn)十多分鐘即可將電池電量從10%充至80%。而且，由于碳化硅逆變器體積較小，還可搭載成本更低的冷卻系統(tǒng)，從而降低整車成本。目前，我國新能源汽車主驅(qū)逆變器、車載OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器已率先開啟SiC SBD、SiC MOS的滲透。
碳化硅在汽車主驅(qū)、OBC、DC/DC 的應(yīng)用情況
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模塊 |
SiC器件類型 |
可替換硅基器件 |
相比硅基優(yōu)勢 |
代表車型 |
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主驅(qū) |
MOSFET |
Si-IGBT |
提升能量轉(zhuǎn)化效率、減小系統(tǒng)體積、提高開關(guān)頻率 |
特斯拉Model3/Y、蔚來ET5/ET7 |
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OBC |
MOSFET |
Si-IGBT/Si-MOSFET |
提升能量轉(zhuǎn)化效率、減小系統(tǒng)體積 |
比亞迪海豹、豐田bZ4X |
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SBD |
PFCSi-SBD |
提升整流效率 |
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DC/DC |
MOSFET |
Si-IGBT/Si-MOSFET |
提升能量轉(zhuǎn)化效率、減小系統(tǒng)體積 |
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SBD |
前后兩級Si-SBD |
提升整流效率 |
資料來源：觀研天下整理
在此背景下，碳化硅受新能源汽車廠商熱捧，加速推出搭載碳化硅的車型，助力行業(yè)加速滲透。在車企方面，根據(jù)數(shù)據(jù)，2023年，小鵬G6、極氪X、智己LS6等多款20-25萬元價格段的標(biāo)配碳化硅車型上市，未來仍將有同價格段車型如極氪007等上市。
我國主流碳化硅車型一覽
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車企 |
車型 |
上市時間 |
價格段（萬元） |
型號 |
是否800V |
是否搭載碳化硅 |
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特斯拉 |
Model 3 |
2018年 |
25.99-29.74 |
B級轎車/純電 |
否 |
標(biāo)配 |
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Model Y |
2020年 |
26.39-36.39 |
B級SUV/純電 |
否 |
標(biāo)配 |
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Model X Plaid |
2021年 |
83.89 |
B級SUV/純電 |
否 |
標(biāo)配 |
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Model S Plaid |
2021年 |
82.89 |
B級轎車/純電 |
否 |
標(biāo)配 |
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蔚來 |
ET5T |
2023年6月 |
29.8-35.6 |
B級轎車/純電 |
否 |
標(biāo)配 |
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理想 |
MEGA |
2024年2月 |
50 |
MPV/純電 |
是 |
標(biāo)配 |
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小鵬 |
G6 |
2023年6月 |
20.99-27.69 |
B級SUV/純電 |
是 |
標(biāo)配 |
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華為 |
智界S7 |
2023年11月 |
25.80-35.80 |
B級轎車/純電 |
是 |
標(biāo)配 |
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阿維塔12 |
2023年11月 |
30.08-40.08 |
B級轎車/純電 |
是 |
標(biāo)配 |
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問界M9 |
2023年12月 |
50-60 |
D級SUV/純電&混動 |
是 |
標(biāo)配 |
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小米 |
SU7 |
2024年 |
暫無報價 |
C級轎車/純電 |
是 |
標(biāo)配 |
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比亞迪 |
仰望U8 |
2023年9月 |
109.8 |
越野SUV/混動 |
是 |
標(biāo)配 |
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方程豹豹5 |
2023年11月 |
28.98-35.28 |
越野SUV/混動 |
類800V |
標(biāo)配 |
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仰望U9 |
2024年 |
暫無報價 |
超跑/純電 |
是 |
標(biāo)配 |
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吉利 |
極氪 X |
2023年4月 |
18.98-22.98 |
A型SUV/純電 |
否 |
標(biāo)配 |
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極氪001FR |
2023年10月 |
76.9 |
C級超跑/純電 |
是 |
標(biāo)配 |
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極越 01 |
2023年11月 |
24.99-33.99 |
C級SUV/純電 |
否 |
標(biāo)配 |
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極氪CS1 E |
2023年底 |
暫無報價 |
B級轎車/純電 |
是 |
標(biāo)配 |
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上汽 |
智己LS 6 |
2023年10月 |
22.99-29.19 |
C級SUV/純電 |
是 |
標(biāo)配 |
資料來源：觀研天下整理
值得注意的是，大多數(shù)整車企業(yè)還擴(kuò)大對于碳化硅功率器件的投入。例如，東風(fēng)集團(tuán)旗下的智新半導(dǎo)體碳化硅模塊已于去年搭載于相關(guān)車型上；比亞迪也透露在開發(fā)碳化硅功率器件；10月22日，一汽紅旗宣布，由研發(fā)總院新能源開發(fā)院功率電子開發(fā)部自主設(shè)計的碳化硅功率芯片完成首次流片。此外，斯達(dá)半導(dǎo)、中國中車、三安光電、華潤微電子、派恩杰、芯聚能等企業(yè)也在布局車規(guī)級碳化硅產(chǎn)品。
4、800V車型滲透，充電樁升壓、提效需求拉動碳化硅行業(yè)應(yīng)用
而要滿足新能源汽車快充需求，直流快充樁電壓需要提升到800-1000V，所用功率器件耐壓必須提高到1200V以上，適合應(yīng)用碳化硅。此外，使用碳化硅器件還能降低拓?fù)鋸?fù)雜度，減少驅(qū)動配套電路數(shù)量與功率器件用量，對于運(yùn)營商而言，應(yīng)用SiC器件可以減少開關(guān)損耗，提升轉(zhuǎn)換效率。因此，南方電網(wǎng)、巨灣技研、FreeWire、Rhombus等廠商已發(fā)布碳化硅技術(shù)為核心的充電樁項目，行業(yè)滲透率有望快速提升。
充電樁SiC器件應(yīng)用進(jìn)展
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廠商/項目 |
產(chǎn)品 |
SiC應(yīng)用情況 |
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歐陸通 |
充電模塊 |
采用SiC技術(shù)的75KW液冷超充電源模塊，寬電壓輸出200-1000V、寬電壓輸入260Vac-530V，可實(shí)現(xiàn)半載97%，滿載96.5%的高效率 |
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優(yōu)優(yōu)綠能 |
充電模塊 |
已推出40kW、60kWSiC液冷充電模塊產(chǎn)品，其中40KWSiC模塊最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97% |
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盛弘股份 |
充電模塊 |
SiCMOS的50kW充電模塊，最高效率超過97%，支持最大133.3A電流穩(wěn)定輸出，支持50-1000V超寬電壓輸出范圍 |
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鈦芯電子 |
充電模塊 |
SiCtron?功率器件的應(yīng)用，可以將充電樁充電效率提高到96%。以160KW充電樁為例，使用碳化硅器件其體積重量可降低30%，充電時間可縮短50%，約30分鐘可以完成一臺新能源汽車的充電需求 |
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南方電網(wǎng) |
充電樁 |
采用SiC技術(shù)，其充電樁充電峰值效率達(dá)96%，充電場站能耗下降11%，平均20個樁可節(jié)省2.5萬度電/年 |
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巨灣技研 |
充電樁 |
采用碳化硅充電樁技術(shù)，項目總體規(guī)劃產(chǎn)能為8Gwh/年，具備為12萬輛新能源汽車實(shí)現(xiàn)配套的能力。項目預(yù)計2023年三季度試產(chǎn)，2025年全面建成 |
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威勝 |
充電樁 |
威勝聯(lián)手三安通過研究碳化硅有序充電模塊，打造了碳化硅充電樁，項目已完成試點(diǎn)。以120kW充電樁為例，普通充電樁充電效率為93%，占地面積為0.4m，碳化硅充電樁充電效率可達(dá)97%，占地面積減少至0.3m |
資料來源：觀研天下整理
5、碳化硅行業(yè)可提升光伏逆變器轉(zhuǎn)換效率
光伏領(lǐng)域，根據(jù)相關(guān)資料可知，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(shí)現(xiàn)0.3%的系統(tǒng)效率提升。目前，在光伏逆變器的DC/DC升壓電路、DC/AC逆變電路中均有碳化硅器件的替代方案，同時應(yīng)用端、功率器件及光伏逆變器廠商均積極推出相關(guān)產(chǎn)品。
光伏逆變器SiC器件應(yīng)用進(jìn)展
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公司 |
推出年份 |
SiC應(yīng)用情況 |
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英飛凌 |
2012 |
適用于光伏逆變器的耐壓為1200V的SiC型“CoolSiC產(chǎn)品群”產(chǎn)品投產(chǎn) |
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富士電機(jī) |
2014 |
積極推進(jìn)SiCMOSFET的實(shí)用化，2014年8月開始量產(chǎn)輸出功率為1000kW光伏逆變器 |
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田淵電機(jī) |
2014 |
采用SiC二極管的逆變器通過減少開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，大幅降低了轉(zhuǎn)換損失 |
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三菱電機(jī) |
2014 |
“全SiC-IPMT”電源調(diào)整器產(chǎn)品，只使用一個逆變器，可支持4.4kW的輸出功率，將直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力的轉(zhuǎn)換效率為98.0% |
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陽光電源 |
2014 |
組串逆變器采用了SiCMOS器件，并于2017年在組串式逆變器中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用 |
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西門子 |
2020 |
推出額定輸出功率分別為155kW和165kW的用于光伏項目的組串式逆變器，均采用了SiC晶體管設(shè)計。與傳統(tǒng)逆變器相比，采用SiC晶體管的逆變器具有更高的功率密度，更少的冷卻需求和更低的整體系統(tǒng)成本 |
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安森美半導(dǎo)體 |
2020 |
推出了適用于太陽能逆變器應(yīng)用的全SiC功率模塊，已被全球領(lǐng)先的電源和熱管理方案供應(yīng)商臺達(dá)選用，用于支持其M70A三相光伏組串逆變器，產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)高達(dá)98.8%的峰值能量轉(zhuǎn)換能效 |
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德國Fraunhofer ISE |
2021 |
研發(fā)了一款250KW的SiC逆變器，可用于連接中壓系統(tǒng)的公用事業(yè)規(guī)模的光伏項目，其運(yùn)行轉(zhuǎn)換效率為98.4%，可以節(jié)省高達(dá)40%的體積 |
資料來源：觀研天下整理（WYD）
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