編者按：由于具有禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿場強高等特點，SiC半導體成為新能源產業革命中的核心關鍵部分，瑞鵬資產聯席首席投資官趙圣斌將從新能源汽車、直流充電樁、光伏、工業控制和射頻五個方面逐一為您分析SiC半導體應用市場。
碳化硅半導體應用市場分析
碳化硅（SiC）屬于第三代半導體材料，具備禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿場強高、電子飽和漂移速率高等特點。SiC為第三代半導體材料典型代表，相較于硅材料等前兩代半導體材料，其禁帶寬度更大，在擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導率以及抗輻射等關鍵參數方面有顯著優勢。下表是各代半導體的參數對比。
第三代半導體這個稱呼容易讓人產生一個錯誤的想法，即第三代半導體會逐步替代前兩代半導體，事實并非如此。每一代半導體都有其最適合的應用場景，都是由相應的產業革命催生出來的。比如第一代硅基半導體，特別適合做CPU、內存等集成電路芯片，其產業也隨著電腦、互聯網的普及而發展壯大。以砷化鎵為代表的第二代半導體，由于電子遷移率較高，非常適合高頻、高速領域，隨著3G、4G等無線通信技術發展而被廣泛應用。
我們國家非常重視第三代半導體產業的發展，就是因為新能源產業革命目前正在如火如荼的推進中，而SiC由于禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿場強高等特點，剛好適合高溫、高壓、高頻、大功率等應用場景，因此SiC半導體成為新能源產業革命中的核心關鍵部件。
SiC半導體主要應用在新能源汽車、光伏、風電、工控、射頻等領域。2020 年全球 SiC半導體市場規模達11.84 億美元，預計到 2025 年有望增長至 59.79億美元，對應 CAGR 為 38.2%。下面我們就針對這幾個主要應用市場進行逐一分析。
1、新能源汽車
SiC半導體在新能源汽車相關應用場景主要為逆變器、OBC、及DCDC等。我們認為當前SiC滲透仍處于早期，目前滲透率較低，但是隨著特斯拉、比亞迪等頭部新能源車廠帶來的“示范效應”，更多車企將會逐步采用 SiC方案。
更為重要的是，隨著800V 架構時代來臨，SiC在高壓下較IGBT 性能優勢更為明顯，損耗降低幅度更大。我們認為 SiC 在新能源車主逆變器及 OBC 中滲透率將快速提升。
OBC典型電路結構由前級PFC電路和后級DC/DC 輸出電路兩部分組成。二極管和開關管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要應用的半導體，采用 SiC 替代可實現更低損耗、更小體積及更低的系統成本。
2、直流充電樁
直流充電方式相較家用標準交流電充電方式速度大幅提高，一個 150kW 的直流充電器可以在大約15分鐘內為電動汽車增加200公里續航，隨電動汽車滲透率進一步提高，直流電充電方案需求將同步提升。SiC器件和模塊具備耐高溫、耐高壓以及低損耗等優勢，可實現更高效電動車直流充電方案。
SiC MOSFET可簡化直流充電樁ACDC及DCDC電路結構，減少器件數量實現充電效率提升。根據英飛凌的材料顯示，在 DCDC 中使用4 顆1200V SiC MOSFET替代8顆650V硅基MOSFET，在同樣功率下，可將原來的兩相全橋LLC電路簡化為單相全橋 LLC電路，所用器件數量減少 50%，提升電路整體效率。同樣在 ACDC 中，使用 SiC MOSFET可將三相 Vienna整流器拓撲電路簡化為兩相結構，器件數量減少 50%實現效率提升。
3、光伏
基于硅基器件的傳統逆變器成本約占光伏發電系統 10%，卻是系統能量損耗的主要來源之一。使用 SiC MOSFET 功率模塊的光伏逆變器，能量損耗降低8%，相同條件下輸出功率提升27%，推動發電系統在體積、壽命及成本上實現重要突破。
英飛凌最早于 2012年推出 CoolSiC 系列產品應用于光伏逆變器，2020 年以來，西門子、安森美等眾多廠商陸續推出相關產品，SiC光伏逆變器應用進一步推廣。據CASA 數據，2020 年光伏逆變器中碳化硅器件滲透率為 10%，預計 2025 年將增長至50%。高效、高功率密度、高可靠和低成本為光伏逆變器未來發展趨勢，SiC半導體有望迎來廣闊增量空間。
4、工業控制
SiC半導體在工業控制領域的應用場景主要是軌道交通和智能電網。軌道交通方面，SiC半導體應用于軌道交通牽引變流器能極大發揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率，符合軌道交通大容量、輕量化和節能型牽引變 流裝置的應用需求，從而提升系統的整體效能。根據Digitimes，2014 年日本小田急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機 3300V、1500A 全碳化硅功率模塊逆變器，開關損耗降低 55%、體積和重量減少65%、電能損耗降低 20%至36%。
智能電網方面，相比其他電力電子裝置，電力系統要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性，SiC半導體突破了硅基功率半導體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導致的系統局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優勢，在固態變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統等應用方面推動智能電網的發展和變革。此外碳化硅半導體在風力發電、工業電源、航空航天等領域也已實現成熟應用。
5、射頻
5G 發展推動GaN-on-SiC器件需求增長，市場空間廣闊。微波射頻器件中功率放大器直 接決定移動終端和基站無線通訊距離、信號質量等關鍵參數，5G 通訊高頻、高速、高功率特點對其性能有更高要求。以SiC為襯底的GaN射頻器件同時具備碳化硅高導熱性能和GaN高頻段下大功率射頻輸出優勢，在功率放大器上的應用可滿足 5G 通訊對高頻性能、高功率處理能力要求。當前 5G 新建基站仍使用 LDMOS 功率放大器，但隨5G 技術進一步 發展，MIMO基站建立需使用氮化鎵功率放大器，氮化鎵射頻器件在功率放大器中滲透率 將持續提升。據 Yole預測，2024年GaN-on-SiC器件市場有望突破 20 億美元，2027 年進一步增長至 35 億美元。
