①碳化硅器件優勢明顯，是下一代功率半導體發展方向

    回顧功率半導體的發展歷史，技術進步不斷誕生新型的功率器件。1957年美國通用電氣研制出世界上第一只晶閘管，開啟了功率半導體產業發展的序幕。六十到七十年代是晶閘管統治功率器件的全盛時代；八十年代晶閘管與MOSFET共同主導了功率器件市場；到九十年代，晶閘管逐步讓位于MOSFET及IGBT，中小功率應用MOSFET開始主導市場，IGBT則統治了中大功率應用。

功率半導體器件形態更新換代歷史

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    相關報告：智研咨詢發布的《2018-2024年中國碳化硅行業運營態勢與投資方向研究報告》

    碳化硅和氮化鎵是下一代功率半導體的核心技術方向。碳化硅器件的效率、功率密度等性能遠遠高于當前市場主流產品。受制于成本因素，碳化硅功率器件市場滲透率不到1%。我們判斷技術進步將推動碳化硅成本快速下降，中長期看碳化硅器件將會是功率半導體的市場主流產品。

    碳化硅相對硅器件的優勢

    相比硅基器件，碳化硅器件具備高耐壓、低損耗、高效率的特點,是理想的功率管理元件。

    工作頻率高：硅基IGBT一般工作在20Khz的頻率，而碳化硅基MOSFET在100Khz頻率下依然能夠保持高效率的運轉。

    耐受溫度高：碳化硅基器件能夠耐受更高的工作溫度，硅基IGBT最多在150-200度工作，而碳化硅基MOSFET在200-250度依然能夠正常工作。

    效率高：碳化硅器件的開關損耗及導通損耗大幅降低。一般開關損耗是硅器件的15-30%，大幅提升能源的利用效率。

    總結起來，碳化硅最核心的優勢有兩方面，一是開關損耗小、導通損耗小，因而能源利用效率遠遠高于硅器件，損耗僅僅為同等硅器件的15%-30%；二是模塊尺寸小。由于碳化硅芯片能工作在更高的頻率，與之配套的外圍電容電感尺寸大幅縮小，碳化硅模塊的尺寸往往僅僅為硅器件模塊的1/5。

硅及第三代半導體材料關鍵電子參數對比

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    目前碳化硅器件主要用于600伏及以上的應用領域，特別是一些對能量效率和空間尺寸要求較高的應用，如電動汽車充電裝置、電動汽車動力總成、光伏微型逆變器領域等應用。

碳化硅產品化的里程碑事件

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    碳化硅器件的市場定位于功率在1kw-500kw的應用，工作頻率定位在10khz-10Mhz。

各種功率半導體器件的工作頻率及工作電壓

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碳化硅功率器件年產值

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    ②碳化硅重在中大功率，氮化鎵重在中小功率

    碳化硅、氮化鎵在應用領域上略有區分，碳化硅的優勢應用領域集中在中大功率應用，而氮化鎵集中在中小功率應用。

碳化硅與氮化鎵應用領域的區分

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    ③碳化硅成本不斷下降，滲透率將持續提升

    2012年碳化硅二極管的成本是硅基肖特基二極管的5-7倍，碳化硅MOSFET是硅基MOSFET成本的10-15倍。經過3年時間，碳化硅二極管的價格下降了35%，碳化硅MOSFET的價格下降了50%。

    我們認為碳化硅成本將持續下降，驅動成本下降的主要有以下幾個因素。

    （1）4寸線向6寸線遷移的過程降低20-40%成本。

    （2）碳化硅外延片技術在持續進步，顆粒污染等缺陷率在持續下降，推動芯片良率大幅上升。

    （3）隨著規模的擴大和經驗的積累，碳化硅芯片制程工藝日益成熟，制造的良率在持續提升

    目前碳化硅、氮化鎵產品的成本相對較高，應用領域受限于一些性能要求高的領域。整體來看，碳化硅器件的良率和硅工藝有著明顯的差距。

碳化硅器件單價持續下降

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    ④汽車應用將推動碳化硅滲透率快速上升

    汽車應用領域，碳化硅器件替代硅器件是確定的發展趨勢。碳化硅功率器件的應用領域在持續的拓展。早期碳化硅主要應用于功率校正電路（powerfactorcorrection電路），目前量產應用領域已經拓展至光伏逆變器、汽車車載充電機（onboardcharger）。預計2019-2020年，電動車動力系統將導入碳化硅功率器件，進一步拓寬量產應用領域。

    目前Tier-1汽車供應鏈企業都在嘗試導入碳化硅，積極開展碳化硅功率器件的測試工作。豐田在2015年2月啟動了碳化硅功率器件的實車測試工作，路測原型車在PCU的升壓轉換器和電機控制逆變器搭載了碳化硅功率器件。據調研信息，比亞迪已經在電動車車載充電機（chargeronboard）導入碳化硅功率器件。

配置碳化硅器件的豐田路測車輛

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    碳化硅功率系統的BOM成本僅僅比硅基功率系統高60%。我們認為隨著碳化硅成本的進一步降低，大規模替代硅基功率器件勢在必行。當碳化硅/氮化鎵工作在更高的開關頻率，所需要的配套外圍電子元件、冷卻系統成本大幅降低。雖然論單個器件成本，碳化硅/氮化鎵是硅基器件的5倍以上。但是論系統整體成本，碳化硅/氮化鎵的與硅基器件的成本差距已經非常小。根據數據，單個60kw碳化硅功率模塊的BOM成本在732美金，而響應的硅基IGBT功率模塊的BOM成本約為458美金，碳化硅功率系統僅僅比硅基功率系統成本高出60%。

混合動力汽車的逆變器（含功率半導體）成本分拆

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    ⑤國內產業鏈初具雛形

    碳化硅產業鏈可分為三個產業環節，一是上游襯底，二是中游外延片，三是下游器件制造。國外供應鏈體系主要有：

    襯底：Cree、Rohm、EPISIL

    EPI外延片：Cree、Rohm、英飛凌、GE、三菱

    器件：英飛凌、Cree、Rohm、意法半導體、美高森美、GenSiC、三菱

    碳化硅器件方面，國際上碳化硅SBD、碳化硅MOSFET均已實現量產，產品耐壓范圍600v-1700v，單芯片電流超過50A。

國際碳化硅產業鏈主要公司

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    國內已經形成相對完整的碳化硅產業鏈體系。

    襯底材料：山東天岳、天科合達、河北同光晶體、北京世紀金光

    EPI硅片：東莞天域半導體、廈門瀚天天成

    器件：泰科天潤、瀚薪、揚杰科技、中電55所、中電13所、科能芯、中車時代電氣

    模組：嘉興斯達、河南森源、常州武進科華、中車時代電氣

    目前碳化硅市場處于起步階段，國內廠商與海外傳統巨頭之間差距較小，國內企業有望在本土市場應用中實現彎道超車。國內企業已經在碳化硅SBD形成銷售收入，碳化硅MOSFET的產業化尚在原型器件研制階段。另外國內已經開發出1700V/1200A的混合模塊（硅IGBT與碳化硅SBD混合使用）、4500V/50A等大容量全SiC功率模塊。

國內碳化硅產業鏈

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