1、碳化硅定義及分類(lèi)
根據觀(guān)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)性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、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)良的導熱性能。
碳化硅性質(zhì)分析
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定義 |
主要內容 |
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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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熱導率超過(guò)金屬銅，是Si的3倍，是GaAs的8~10倍; |
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熱穩定性較高，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，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(shí)，這層氧化膜熔化并迅速發(fā)生氧化反應; |
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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(chǎng)強度高于Si一個(gè)數量級，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(lái)源：觀(guān)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(lèi)
資料來(lái)源：觀(guān)研天下整理
2、碳化硅行業(yè)主要應用于新能源汽車(chē)、光伏等領(lǐng)域
現階段，我國“十四五”規劃已將碳化硅半導體納入重點(diǎn)支持領(lǐng)域。隨著(zhù)國家“新基建”戰略的實(shí)施，碳化硅半導體將在5G基站建設、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車(chē)充電樁、大數據中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
碳化硅屬于第三代半導體材料，處于寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)的前端，是前沿、基礎的核心關(guān)鍵材料，在5G通信、國防應用、數據傳輸、航空航天、新能源汽車(chē)、光伏產(chǎn)業(yè)、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域廣泛應用。
我國碳化硅市場(chǎng)應用規?？焖僭鲩L(cháng)的主要驅動(dòng)因素之一是新能源汽車(chē)市場(chǎng)的快速滲透，新能源汽車(chē)占行業(yè)下游應用市場(chǎng)的份額為38%。其次是消費類(lèi)電源，占比為22%；光伏占據著(zhù)15%的份額。
數據來(lái)源：觀(guān)研天下整理
3、碳化硅受新能源汽車(chē)廠(chǎng)商熱捧，助力行業(yè)滲透率上升
具體來(lái)看，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，碳化硅憑借高效率、高功率密度等優(yōu)異特性，能有效提升續航、節省電池成本。自2019年來(lái)，包括保時(shí)捷、小鵬汽車(chē)、理想汽車(chē)、極氪汽車(chē)、阿維塔、問(wèn)界等整車(chē)品牌，都已經(jīng)推出800V高壓系統，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，普遍可以實(shí)現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，從而降低整車(chē)成本。目前，我國新能源汽車(chē)主驅逆變器、車(chē)載OBC、DC/DC轉換器已率先開(kāi)啟SiC SBD、SiC MOS的滲透。
碳化硅在汽車(chē)主驅、OBC、DC/DC 的應用情況
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模塊 |
SiC器件類(lèi)型 |
可替換硅基器件 |
相比硅基優(yōu)勢 |
代表車(chē)型 |
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主驅 |
MOSFET |
Si-IGBT |
提升能量轉化效率、減小系統體積、提高開(kāi)關(guān)頻率 |
特斯拉Model3/Y、蔚來(lái)ET5/ET7 |
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OBC |
MOSFET |
Si-IGBT/Si-MOSFET |
提升能量轉化效率、減小系統體積 |
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 |
提升能量轉化效率、減小系統體積 |
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SBD |
前后兩級Si-SBD |
提升整流效率 |
資料來(lái)源：觀(guān)研天下整理
在此背景下，碳化硅受新能源汽車(chē)廠(chǎng)商熱捧，加速推出搭載碳化硅的車(chē)型，助力行業(yè)加速滲透。在車(chē)企方面，根據數據，2023年，小鵬G6、極氪X、智己LS6等多款20-25萬(wàn)元價(jià)格段的標配碳化硅車(chē)型上市，未來(lái)仍將有同價(jià)格段車(chē)型如極氪007等上市。
我國主流碳化硅車(chē)型一覽
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車(chē)企 |
車(chē)型 |
上市時(shí)間 |
價(jià)格段（萬(wàn)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(chē)/純電 |
否 |
標配 |
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Model Y |
2020年 |
26.39-36.39 |
B級SUV/純電 |
否 |
標配 |
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Model X Plaid |
2021年 |
83.89 |
B級SUV/純電 |
否 |
標配 |
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Model S Plaid |
2021年 |
82.89 |
B級轎車(chē)/純電 |
否 |
標配 |
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蔚來(lái) |
ET5T |
2023年6月 |
29.8-35.6 |
B級轎車(chē)/純電 |
否 |
標配 |
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理想 |
MEGA |
2024年2月 |
50 |
MPV/純電 |
是 |
標配 |
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小鵬 |
G6 |
2023年6月 |
20.99-27.69 |
B級SUV/純電 |
是 |
標配 |
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華為 |
智界S7 |
2023年11月 |
25.80-35.80 |
B級轎車(chē)/純電 |
是 |
標配 |
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阿維塔12 |
2023年11月 |
30.08-40.08 |
B級轎車(chē)/純電 |
是 |
標配 |
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問(wèn)界M9 |
2023年12月 |
50-60 |
D級SUV/純電&混動(dòng) |
是 |
標配 |
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小米 |
SU7 |
2024年 |
暫無(wú)報價(jià) |
C級轎車(chē)/純電 |
是 |
標配 |
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比亞迪 |
仰望U8 |
2023年9月 |
109.8 |
越野SUV/混動(dòng) |
是 |
標配 |
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方程豹豹5 |
2023年11月 |
28.98-35.28 |
越野SUV/混動(dòng) |
類(lèi)800V |
標配 |
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仰望U9 |
2024年 |
暫無(wú)報價(jià) |
超跑/純電 |
是 |
標配 |
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吉利 |
極氪 X |
2023年4月 |
18.98-22.98 |
A型SUV/純電 |
否 |
標配 |
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極氪001FR |
2023年10月 |
76.9 |
C級超跑/純電 |
是 |
標配 |
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極越 01 |
2023年11月 |
24.99-33.99 |
C級SUV/純電 |
否 |
標配 |
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極氪CS1 E |
2023年底 |
暫無(wú)報價(jià) |
B級轎車(chē)/純電 |
是 |
標配 |
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上汽 |
智己LS 6 |
2023年10月 |
22.99-29.19 |
C級SUV/純電 |
是 |
標配 |
資料來(lái)源：觀(guān)研天下整理
值得注意的是，大多數整車(chē)企業(yè)還擴大對于碳化硅功率器件的投入。例如，東風(fēng)集團旗下的智新半導體碳化硅模塊已于去年搭載于相關(guān)車(chē)型上；比亞迪也透露在開(kāi)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(kāi)發(fā)院功率電子開(kāi)發(fā)部自主設計的碳化硅功率芯片完成首次流片。此外，斯達半導、中國中車(chē)、三安光電、華潤微電子、派恩杰、芯聚能等企業(yè)也在布局車(chē)規級碳化硅產(chǎn)品。
4、800V車(chē)型滲透，充電樁升壓、提效需求拉動(dòng)碳化硅行業(yè)應用
而要滿(mǎn)足新能源汽車(chē)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，適合應用碳化硅。此外，使用碳化硅器件還能降低拓撲復雜度，減少驅動(dòng)配套電路數量與功率器件用量，對于運營(yíng)商而言，應用SiC器件可以減少開(kāi)關(guān)損耗，提升轉換效率。因此，南方電網(wǎng)、巨灣技研、FreeWire、Rhombus等廠(chǎng)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器件應用進(jìn)展
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廠(chǎng)商/項目 |
產(chǎn)品 |
SiC應用情況 |
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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)現半載97%，滿(mǎn)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模塊最高轉換效率可達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(guò)97%，支持最大133.3A電流穩定輸出，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(shí)間可縮短50%，約30分鐘可以完成一臺新能源汽車(chē)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96%，充電場(chǎng)站能耗下降11%，平均20個(gè)樁可節省2.5萬(wàn)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)，項目總體規劃產(chǎn)能為8Gwh/年，具備為12萬(wàn)輛新能源汽車(chē)實(shí)現配套的能力。項目預計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(guò)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97%，占地面積減少至0.3m |
資料來(lái)源：觀(guān)研天下整理
5、碳化硅行業(yè)可提升光伏逆變器轉換效率
光伏領(lǐng)域，根據相關(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0.3%的系統效率提升。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(shí)應用端、功率器件及光伏逆變器廠(chǎng)商均積極推出相關(guān)產(chǎn)品。
光伏逆變器SiC器件應用進(jìn)展
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公司 |
推出年份 |
SiC應用情況 |
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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 |
2014 |
積極推進(jìn)SiCMOSFET的實(shí)用化，2014年8月開(kāi)始量產(chǎn)輸出功率為1000kW光伏逆變器 |
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田淵電機 |
2014 |
采用SiC二極管的逆變器通過(guò)減少開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗，大幅降低了轉換損失 |
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三菱電機 |
2014 |
“全SiC-IPMT”電源調整器產(chǎn)品，只使用一個(gè)逆變器，可支持4.4kW的輸出功率，將直流電力轉換成交流電力的轉換效率為98.0% |
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陽(yáng)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)現規?；瘧?/span> |
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西門(mén)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晶體管設計。與傳統逆變器相比，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成本 |
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安森美半導體 |
2020 |
推出了適用于太陽(yáng)能逆變器應用的全SiC功率模塊，已被全球領(lǐng)先的電源和熱管理方案供應商臺達選用，用于支持其M70A三相光伏組串逆變器，產(chǎn)品能實(shí)現高達98.8%的峰值能量轉換能效 |
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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的公用事業(yè)規模的光伏項目，其運行轉換效率為98.4%，可以節省高達40%的體積 |
資料來(lái)源：觀(guān)研天下整理（WYD）
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