2021年碳化硅市场应用领域及市场空间前景分析 碳化硅多领域需求驱动市场

自1955 年菲力浦实验室的 Lely 首次在实验室成功制备碳化硅单晶以来，在随后的60余年中，美国、欧洲、日本等发达国家与地区的科研院所与企业不断创新和改良碳化硅单晶的制备技术与设备，在碳化硅单晶晶体及晶片技术与产业化领域形成了较大优势。

1. 碳化硅在电力电子领域应用场景及市场空间 

碳化硅功率器件在风力发电、工业电源、航空航天等领域已实现成熟应用。伴随新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等产业的快速发展，功率器件的使用需求大幅增加。根据 IC Insights《2019 年光电子、传感器、分立器件市场分析与预测报告》， 2018 年全球功率器件的销售额增长率为 14%，达到 163亿美元。未来，随着碳化硅和氮化镓功率器件的加速发展，全球功率器件的销售额预计将持续保持增长。预计 2018 至 2023 年期间，全球功率器件的销售额复合年增长率达到 3.3%，2023 年全球功率器件收入将达到 192 亿美元。

根据 IHSMarkit 数据，2018 年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元，受新能源汽车庞大需求的驱动，以及电力设备等领域的带动，预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿美元，碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。

图：碳化硅功率器件市场规模测算

1.1. 新能源汽车为SiC带来持续发展动力 

新能源汽车行业是市场空间巨大的新兴市场，全球范围内新能源车的普及趋势逐步清晰化。随着新能源汽车的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。 

新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载 DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器，能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，提高功率密度。美国特斯拉公司的 Model 3 车型采用以 24 个碳化硅 MOSFET 为功率模块的逆变器，是第一家在主逆变器中集成全碳化硅功率器件的汽车厂商；碳化硅器件应用于车载充电系统和电源转换系统，能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率，目前全球已有超过 20 家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电速度。SiC在新能源汽车上的应用将在保证汽车的强度和安全性能的前提下大大减轻汽车的重量，有效提升电动车10%以上的续航里程，减少80%的电控系统体积。 

新能源汽车碳化硅功率器件市场规模推算：根据中国汽车工业协会数据，我国新能源汽车销量由 2015 年的 33.1 万辆增至 2019 年的 120.6 万辆，复合增长率达 38%，渗透率达到 4.7%。 根据工信部发布的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035 年）》，2025年我国汽车销量有望达到3000万辆，其中新能源汽车占新车总销量20%，新能源汽车销量有望达到600万辆。据天科合达招股书披露，根据现有技术方案，每辆新能源汽车使用的功率器件价值约 700 美元到 1000 美元。粗略估计，我国2025年新能源汽车使用的功率器件市场达42~60亿美元。 

图：2013-2020年新能源汽车销量及增长率

1.2. 光伏发电领域，碳化硅功率器件逐步替代硅基器件 

在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从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，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。 

1.3. 碳化硅功率器件是轨道交通领域的关键器件

轨道交通车辆呈现多样化发展，从运行状态上可分为干线机车、城市轨道车辆、高速列车，其中城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。

图：轨道交通中碳化硅功率器件占比预测

其中，牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器，能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装臵效率，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装臵的应用需求，提升系统的整体效能。根据天科合达招股书，2012 年，包含碳化硅 SBD 的混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线 37 列车辆中商业化应用，实现了列车牵引系统节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅下降和冷却单元的小型化；2014 年，日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机 3300V/1500A 全碳化硅功率模块逆变器，开关损耗降低 55%、体积和重量减少 65%，电能损耗降低 20%至 36%。 

2. 碳化硅射频器件应用领域及市场空间 

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，可进一步制成氮化镓射频器件。微波射频器件是实现信号发送和接收的基础部件，是无线通讯的核心，主要包括射频开关、LNA、功率放大器、滤波器等器件，其中，功率放大器是放大射频信号的器件，直接决定移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。根据 Yole 的预测，得益于5G基站建设和雷达下游市场的大量需求，用于氮化镓外延的半绝缘型碳化硅衬底市场规模取得较快增长，半绝缘型碳化硅衬底市场出货量（折算为4英寸）将由2020年的16.58万片增长至2025年的43.84万片，期间复合增长率为21.50%。 

随着全球5G通讯技术的发展和推广，5G基站建设将为射频器件带来新的增长动力。5G通讯高频、高速、高功率的特点对功率放大器的高频、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了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，突破了砷化镓和硅基 LDMOS器件的固有缺陷，能够满足5G通讯对高频性能和高功率处理能力的要求，碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。据 Yole Development 预测，2025年全球射频器件市场将超过250亿美元，其中射频功率放大器市场规模将从2018年的60亿美元增长到2025年的104亿美元，而氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率将持续提高。随着5G市场对碳化硅基氮化镓器件需求的增长，半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。