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gogo体育可信吗:关于SiC与功率器件这篇说得最详细
发布日期:2022-06-27 10:01:32 来源:gogo体育登录 作者:gogo体育可信吗
  半导体(Semiconductor)是现代电子信息社会的物理基石,并已成为推动各种革命性变革和创新的...

  半导体(Semiconductor)是现代电子信息社会的物理基石,并已成为推动各种革命性变革和创新的强大驱动力,这点已是当前的社会共识。而功率器件正是半导体大产业的细分类别之一,在从电网、高铁等高功率装备、设备,到家电、数码产品、手机等中低功率日常消费电子产品中,功率器件都扮演着不可或缺的电能转换、供给的角色。

  功率器件也称电子电力器件,是主要用于电气工程、电力系统中,根据负载的要求处理电路中电力转换的器件,从而使电气设备得到最佳的电能供给和高效、安全、经济的运行。与普通的半导体器件一样,目前功率器件所采用的主要材料仍然是硅,但由于硅基材料自身的物理属性限制,在电力转换领域以碳化硅为代表的第三代半导体材料制作的功率器件正逐渐崭露头角。半导体产业的发展始于功率器件,因此我们从半导体材料的发展历程讲起。

  半导体材料的发展离不开电子工业的进程,然而最早的电子工业始于1906年李·德福雷斯特发明的真空管,它具备开关、放大的功能,是最早的电力电子器件,同时它也是最早的电子计算机ENIAC的主要构成部件。当时的ENIAC占地140平方米,重量达30吨,并需要一个小型发电站专门为其供电,1940年的运行成本为当时的40万美元,时任IBM董事会主席的托马斯·沃森甚至曾预言“我认为世界范围可能有5台计算机的市场”。

  由于真空管体积大、易破损、能耗高、老化快等缺点,学界一直在探寻如何找到真空管的替代品,基于贝尔实验室1947年锗(Ge)的双极型晶体管的发明人们终于找到了一种有真空管功能,但又具备体积小、重量轻、耗电低、寿命长等优点的电子器件替代品。

  锗(Ge)是最早采用的半导体材料,但由于其937℃的熔点限制了高温工艺,更重要的是,因为其表面缺少自然发生的氧化物,从而容易漏电。硅与二氧化硅平面工艺的发展解决了集成电路的漏电问题,使器件的稳定性与可靠性大为提高,同时硅1415℃的熔点允许其使用更高温的工艺。因此在60年代后期锗器件逐渐被硅器件取代,也由此开创了以硅基半导体材料为代表的固态电子时代。锗与硅也被称为第一代半导体材料。

  20世纪90年代以来,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是GaAs、InP材料资源稀缺,价格昂贵,并且还有毒性,能污染环境,InP甚至被认为是可疑致癌物质,这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。

  第三代半导体材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等,因其禁带宽度大于或等于2.3eV,又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求,是当前半导体材料领域最有前景的材料,在国防、航空航天、能源、通信、工业等领域有着重要应用前景,在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失,

  目前在全部三代半导体材料中,虽然第一代半导体材料里锗最先被研究且应用,但由于其造价较高(比白银稍贵),稳定性较差,难以像硅基器件制作稳定、致密的二氧化硅绝缘层,因此在实际中应用极少,目前主要集中于半导体行业中部分光电子器件领域的发光二极管、太阳能电池;二代、三代半导体材料主要为化合物半导体,化合物半导体中,目前主流第二代半导体材料GaAs占据了化合物半导体市场上79%的份额,但得益于最大功率范围、频率、亮度、耗电量以及高频噪声等方面的优势,各大厂商都认为第三代化合物半导体(GaN以及SiC)在应用端将有更优异的表现。未来,当射频芯片市场向高功率、高频率演进,比如随着5G的不断应用,GaN将成为该领域最主要的解决方案材料;同时电力转换领域向高电压、高功率挺进时,SiC因其在高温、高压、高频方面的优势,将成为功率器件领域最有效率的制作材料。

  功率器件本来是属于半导体产业中的分立器件子类别,但随着制造工艺的不断提升,目前有部分产品可以与集成电路复合生产,所以以功率半导体的发展来介绍行业演变。功率半导体的发展可分为以下四个阶段:

  第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段。这一阶段的功率器件在低频、大功率变流领域中的应用占有优势,取代了早先的汞弧整流器。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管,功率二极管开始应用于电力领域,1956年贝尔实验室又发明了晶闸管,1957年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管器件,开创了传统的功率器件应用技术阶段,晶闸管属于半控型器件,即可通过信号控制其导通但无法实现关断的器件,实现了弱电对强电的控制,在工业界引起了一场技术革命。由于晶闸管具有可控的单向导电特性,被首先用于整流电路,因此也被称为可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。SCR在体积、重量、动态电气性能和控制性能的优越性,很快就取代了水银整流器和旋转变流机组,且应用范围迅速扩大,晶闸管的迅速发展使得中大功率的各种变流装置和电动机传动系统得到了快速发展。因为属于半控型器件,通过对SCR门极的控制,SCR仅能导通而不能关断,即该器件这一缺点使得SCR的应用有着很大局限性,关断这些器件的控制电路存在体积大、效率低、可靠性差、工作频率低以及电网侧和负载上谐波严重等缺点。

  第二阶段是20世纪70年代后期为以可关断晶闸管(Gate Turn Off Thyristor, GTO)、功率双极晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT,也称Giant Transistor, GTR)和功率场效应晶体管(Power-MOSFET)等全控型器件为代表的发展阶段。全控型器件的特点是,通过对门极(基极/栅极)的控制,既可使器件导通又可使器件关断。这一阶段的功率器件开关速度高于晶闸管,它们的应用使变流器的高频化得以实现。但GTO的开关速度仍旧偏低,BJT也存在着二次击穿和不易并联的问题,驱动电流大和功耗比较大也是该阶段器件的严重缺陷。由此在20世纪70年代末,催生了以MOSFET为代表的场效应晶体管,这类器件克服了前两代的许多不足,具备开关速度快(最高工作频率可以高达几十MHz)、输入阻抗高,而且控制功率小,驱动电路简单等优点,但是他们的导通电阻却比较大,这限制了他们的电流和功率容量,在100V以下目前仍为最理想的开关器件,但是在高压领域其导通电阻仍旧是很大问题。

  第三阶段是20世纪80年代后期以绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)复合型器件为代表的发展阶段。IGBT是功率MOSFET和BJT的复合。功率MOSFET的特点是驱动功率小、开关速度快;BJT的特点是通态压降小、载流能力大,所以IGBT集中了BJT和MOSFET的优点,具有很好的抗击穿性,但也正是由于其由MOSFET驱动三极管,就需要MOSFET导通后再驱动三极管导通,导致其的开关速度不及MOSFET,最大工作频率也低于MOSFET,一般最高达到40-50kHz,开通关断导致的损耗会比较大,这是其相对于MOSFET的明显劣势,加之IGBT的价格远高于MOSFET,所以低压、小功率的环境下MOSFET使用更为广泛,高压、大功率的情况下IGBT更为适用。

  第四阶段是以功率集成电路(Power Integrated Circuit, PIC)或智能功率集成电路(Smart Power Integrated Circuit, SPIC)为代表的发展阶段。20世纪90年代后,PIC的设计与工艺水平不断提高,使得PIC开始进入实用化阶段。PIC即采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构。其中MOS、IGBT等功率器件是SPIC的核心,约占整个芯片面积的1/2-2/3。相比于分立功率器件,PIC的整个电路的体积大大缩小,且引出线和焊接点的数目也大为减少,从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步,这代表了当前电力电子技术的一个重要发展方向,但分立功率器件也因其可自由搭配组合的优势,在广泛的下游应用领域中无法被定制化PIC所绝对替代。

  自功率IC出现以后,功率半导体市场从单一的功率器件产品,丰富为功率器件、功率集成电路产品并存,而又由于各代功率半导体产品在自身结构体系内不断迭代、在不同的应用领域及生产成本方面各有优势,当前整个功率半导体市场呈现出多代产品共存的局面。

  未来,随着半导体加工技术及功率半导体技术的不断发展,电力电子技术也在不断向前发展,并表现出如下特征:1、降低产品的重量、体积;2、减少电力转换过程中的损耗;3、降低生产成本,缩短研发周期;4、降低产品的失效率,提升产品的可靠性;5、进一步提升功率密度和开关频率,以适应更多新兴发展方向;6、多代产品依照其功能、价格特点,依旧保持共存局面。

  二极管是用半导体材料制成的具有单向导电性的二端器件,一般由P极和N极形成PN结结构,电流只能从P极流向N极。二极管由电流驱动,无法自主控制通断,电流只能单向通过。半导体二极管按应用领域不同可分为用于电力转换的功率二极管,主要为普通整流二极管、快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)、肖特基二极管(Schottky Barrier Diode,SBD);用于显示用的发光二极管,如LED、OLED;用于将光信号转化成电信号的光电二极管等。

  功率二极管是最简单的功率器件,利用其单向导电的特性,通常用于整流电路、稳压电路、开关电路、检波电路等。1)整流二极管是利用PN结的单向导电性,把电路中工频交流电转换成脉动直流电的一种二极管。是结面积大、结电容大、工作频率较低,一般在几十千赫兹,为了可靠往往选用二极管的最大整流电流和最高反向工作电压要有2倍余量。2)开关二极管也是利用PN结的单向导电性而完成电流开关功能的一种二极管,当开关二极管加上一个较大的正脉冲信号时,进入导通状态,正向压降很小,正向电阻很低,相当一个闭合开关;当负脉冲到达时,进入截止状态,反向电阻很大,反向电流很小,相当一个断开的开关。3)稳压二极管是利用PN结反向击穿时电压基本不变,而电流可在很大范围内变化的特性制做的,它可以在一定电流变化范围内对电路起稳压作用。4)检波(也称解调)二极管是利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来,广泛应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中,其工作频率较高,处理信号幅度较弱。

  当前市场上大部分功率二极管均是硅基器件,普通的整流二极管即利用传统的PN结实现整流、开关、稳压、续流、检波等功能,快恢复二极管、肖特基二极管在结构及性能上与其稍有不同。

  快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)是指反向恢复时间很短的二极管(5us以下),工艺上多采用掺金措施,结构上有采用PN结型结构,有的采用改进的PIN结构。其正向压降高于普通二极管(1-2V),反向耐压多在1200V以下。主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。

  肖特基二极管(SBD)是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管,具有正向压降低(0.4-0.5V)、反向恢复时间很短(10-40ns,1000ns=1us),但反向漏电流较大,耐压低,一般低于150V,多在低电压场合用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管,也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。特别适用于低压(200V以下)大电流(500A以下)的开关电源,在通信电源、变频器等中比较常见。

  二极管市场规模:整流器由二极管与一些金属堆叠而成,二者在功能上相似,因此将二极管和整流器合并研究。根据赛迪智库和WSTS数据,2017年全球功率二极管(含整流桥)销售额占全部功率器件销售额的29%。

  MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)即金属-氧化物半导体场效应晶体管,由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。金属栅极与N极、P极之间有一层二氧化硅绝缘层,电阻非常高。不断增加G与S间的电压至一定程度,绝缘层电阻减小,形成导电沟道,从而控制漏极电流。因此MOSFET是通过电压来控制导通,在G与S间施加一定电压即可导通,不施加电压则关断,器件通断完全可控。MOSFET的导通与阻断都由电压控制,电流可以双向通过。MOSFET的优点是开关速度很高,通常在几十纳秒至几百纳秒,开关损耗很小,通常用于各类开关电源,缺点是在高压环境下压降很高,随着电压上升电阻变大,传导损耗很高。

  MOSFFET的结构原理较为简单,但随着电力电子领域不断有新的架构方式被开发出来,尤其是Trench-gate、Super Junction、Insulated Field Plates等技术的应用大幅改善了Power MOSFET的能量转换效率及工作频率,使得MOSFET也经历多次更新换代。

  MOSFET在功率器件市场中占比最高,是功率器件的细分最大市场。根据赛迪智库和WSTS数据,2017年全球MOSFET销售额占全部功率器件销售额的31%。MOSFET的优点在于稳定性好,适用于AC/DC开关电源、DC/DC转换器,因此MOSFET通常用于计算机、消费电子、汽车和工业等领域。

  IGBT(Insulated-Gate-Bipolar-Transistor)即绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合式半导体。IGBT兼具MOS和BJT的优点,导通原理与MOSFET类似,都是通过电压驱动进行导通。IGBT在克服了MOSFET缺点,拥有高输入阻抗和低导通压降的特点,在高压环境下传导损耗较小。IGBT是电机驱动的核心,广泛应用于逆变器、变频器等,在UPS、开关电源、电车、交流电机等领域,逐步替代GTO、GTR等产品。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上,电流10A以上,频率1KHz以上的区域。IGBT固有结构导致其作为高频开关时损耗较大,IGBT工作频率通常为40-50KHz。IGBT的导通与阻断都受电压控制,可以双向导通。

  IGBT的应用领域非常广泛,小到家电、数码产品,大到航空航天、高铁等领域,新能源汽车、智能电网等新兴应用也会大量使用IGBT。按电压需求分类,消费类电子应用的IGBT电压通常在600V以下,太阳能逆变器需要1200V的低损耗IGBT,动车使用的IGBT电压在1700V至6500V之间,智能电网应用的IGBT通常为3300V。

  IGBT芯片在下游应用时可将单个IGBT芯片封装成IGBT单管,或将多个IGBT芯片、二极管集成封装成模块,IGBT单管的电流容量通常在100A以下,而IGBT模块的电流容量则从几十到几千A。因为同样电流容量的MOSFET比IGBT单管耐用性更强,为充分发挥IGBT相比于MOSFET的优势,IGBT通常采用模块的封装形式。

  IGBT模块具有参数优秀、最高电压高、引线电感小的特点,是IGBT最常见的应用形式,IGBT模块常用于大电流和大电压环境。根据赛迪智库和WSTS数据,2017年全球IGBT销售额占全部功率器件销售额的19%。

  宽禁带功率器件指基材禁带宽度较高(大于2.3eV)的功率器件,一般仅指基于碳化硅、氮化镓这类第三代半导体材料制作的功率器件。宽禁带半导体由于基材与硅不同,所以在器件性能上与硅基器件有较大差异,例如第三代半导体材料的优点是禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、频率高,在高压、高温、高频应用领域相较于传统硅基器件有更强优势,同时使得系统结构简单化,降低损耗,更加节能,因此第三代半导体材料尤其适用于需要进行大功率电流转换的功率器件领域。。另外,第三代半导体材料的另一个优点是安全、环保,不会像砷化镓(GaAs)、磷化铟中(InP)等对环境以及人体产生危害。而由于氮化镓在材料端制备环节仍存在较大技术难度,当前具备大规模量产条件的第三代半导体功率器件仅有碳化硅。

  更高的击穿场强、更好的热稳定性、更高的电子饱和速度及禁带宽度等,能够大大提高功率器件的性能表现。总结来看,对比硅基器件,碳化硅功率器件主要有三大优势:

  (1)耐高温、高压。碳化硅功率器件的工作温度理论上可达600℃以上,是同等硅基器件的4倍,耐压能力是同等硅基器件的10倍,可以承受更加极端的工作环境。

  (2)器件小型化和轻量化。碳化硅器件拥有更高的热导率和功率密度,能够简化散热系统,从而实现器件的小型化和轻量化。

  (3)低损耗、高频率。碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的10倍,而且效率不随工作频率的升高而降低,可以降低近50%的能量损耗;同时因频率的提升减少了电感、变压器等外围组件体积,降低了组成系统后的体积及其他组件成本。

  目前第三代半导体在器件结构上主要以二极管、MOSFET为主,由于其相对于硅的优良的耐高压、高频特性,使得目前以MOSFET结构便足以替代硅基IGBT的广泛应用场景。

  当前第三代半导体功率器件处于起步阶段,2018年全球市场规模约在4-5亿美元左右,以碳化硅功率器件占绝大多数,主要应用在电力转换领域,市场每年以30%左右的速度高速增长。当前碳化硅功率器件主要在新能源汽车的车载充电机、充电桩、计算机电源、风电逆变器、光伏逆变器、大型服务器电源、空调变频器等领域有初步应用。

  当前行业内已实现量产的碳化硅功率器件有SBD和MOSFET,二者分别针对传统硅基快速恢复二极管(FRD)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的不足以实现替代。业内关于碳化硅、硅基器件的对比研究已经很多,结论均是碳化硅相对于硅基器件在降低损耗方面更有优势。以下仅以罗姆公开披露的研究结果为例。

  下图左上的两张波形图为硅基FRD与碳化硅SBD在不同温度下的反向恢复时间(reverse recovery time,trr)对比。Si-FRD的温度上升时载流子浓度也随之上升,因此需要相应的反向恢复时间。随着室温的增高,反向电流和trr也会变大。而SiC-SBD因为SiC本身基本上没有温度依赖性,所以反向电流特性基本没有变化。将trr的差制作了下图右上的图表,通过对两种Si-FRD的比较,发现SiC-SBD的trr基本上不存在温度依赖性。

  下图左下的两张波形图表示正向偏置时的正向电流(IF)与trr的关系。由波形图可观察到SiC-SBD几乎不受IF变化的影响。

  因为硅基SBD相较于硅基FRD已经在温度、电流方面拥有优异的trr特性,而且几乎没有温度及电流依赖性,但却不耐高压,所以同样构造下的碳化硅SBD在继承了硅基SBD的优点:1.trr高速,可大幅降低恢复损耗,提高效率;2.同样的原因,反向电流小,因而噪声小,可减少噪声、浪涌对策元器件,实现小型化;3.高频工作,可实现电感等外围元器件的小型化。并因其材料特性,实现了耐高压,从而对硅基FRD产品实现替代优势。

  碳化硅MOSFET在继承了硅基MOSFET的开关特性优异的特点时,因材料特性提升了耐压能力,可处理大功率电力需求并实现高速开关,从在耐大功率、高频率的全控型器件方面对硅基IGBT产品定位实现对标。

  在下图左边IGBT与FRD组成的模组中,通过当IGBT的开关OFF时的波形可以看到,会产生流过元器件结构引起的尾(tail)电流,因而产生不必要的开关损耗。

  而在下图右边碳化硅MOSFET和SBD组成的模组中,通过当开关OFF时的波形可以看到,碳化硅MOSFET不流过尾电流,因此相应的开关损耗非常小。

  碳化硅MOSFET、SBD的模组与硅基IGBT、FRD的模组的关断损耗Eoff相比,降低了88%。同时,因硅基IGBT的尾电流随温度升高而增加,在高温时损耗相较于碳化硅MOSFET将进一步加大。

  在下图左边硅基IGBT、FRD组成的模组在开关导通时,流过Ic(蓝色曲线)用红色虚线圈起来部分的电流,是开关导通时的一大损耗。而在下图右边碳化硅MOSFET、SBD组成的模组中则几乎无相应波形,从而减少损耗。碳化硅MOSFET、SBD的模组与硅基IGBT、FRD的模组的导通损耗Eon相比,降低了34%。

  国际电源制造商协会(Power Sources Manufacturers Association,PSMA)每两年会基于前一年的调研结果公布一次电力技术路线图(Power Technology Roadmap,PTR),根据其17年公布的PTR,当前各类功率器件在综合技术水平、经济效益的条件下,适用的频率/功率等级空间分布如下:

  根据该图我们可以看到,不同种类的功率器件在综合技术水平、经济效益的情况下拥有不同的适用区间,BJT和SCR因其成本优势,分别适用于低功率低频率和高功率低频率应用领域,而MOSFET和IGBT则因其在耐高压和耐高频领域的差异化性能分别适用于中功率高频率和高功率中频率领域。基于宽禁带半导体材料制作的碳化硅、氮化镓器件,因其技术发展较晚、生产成本较高的原因,应用领域仍较小,但已在高压高频领域实现对部分MOSFET、IGBT应用场景的替代。

  自半导体产业诞生以来,全球半导体产业已经历了三轮由不同下游产业驱动的景气周期:上世纪60年代至90年代,由大型计算机和PC电脑行业发展驱动的半导体行业第一轮的长期增长;从上世纪90年代末至2008年,由笔记本、移动通讯、家电驱动的第二轮增长;从2010年至2016年,以智能手机为代表的移动互联网驱动的第三轮半导体行业增长。

  2017年世界半导体产业受惠于世界经济由复苏到发展的变化带动,呈现出自2011年以来的又一次爆发式增长期。由于自2016年下半年以来,传统IT市场的复苏和新兴产品市场(物联网、互联网、大数据、云计算、人工智能、智能手机、智慧城市、智慧家居、智能医疗、汽车电子、无人机、安防等)规模持续增长,使得2017年存储器产品紧俏、价格上扬,带动了相关集成电路和分立器件产品的销量持续上涨,世界半导体市场出现产销两旺的好年景,半导体行业进入了第四轮景气周期。

  根据美国半导体产业协会(SIA)和世界半导体贸易统计组织(WSTS)统计:2017年世界半导体产业营收额为4122亿美元,首破4000亿美元大关,同比增长21.6%,成为进入21世纪以来的第二高增长点(2010年同比增长32.9%)。2018年底,WSTS将2018年全球半导体市场规模(营收额)自2018年6月时预估的4,634.12亿美元(年增12.4%)上修至4,779.36亿美元(年增15.9%),全球半导体产业将创历史新高纪录。

  根据半导体芯片上电子元件的集成度不同可以将半导体分为集成电路、分立器件两大类,分立器件是单一、不可再拆分的电子元器件,分立器件(D-O-S)的类别进一步拆分则可分为分立器件(DS)、光电子器件(OT)、传感器(Sensors)。

  分立器件(DS)又可细分为以二极管、晶闸管(如SCR、GTO)、晶体管(与晶闸管的区别主要在于具备信号放大、可关断的功能,如MOSFET、IGBT)等为代表的功率器件和电容、电阻、电感等其他器件,其中功率器件能占分立器件市场的65%左右,在整个半导体产业中则占比约在4%左右。

  功率器件行业与半导体整个大行业一样,因产能建设周期长而具有明显的周期性,同时由于功率器件主要应用于制造业相关的领域,加之全球经济波动,更进一步加强了其周期性。2009年功率器件市场受全球金融危机的影响,大幅下挫;2010年随着经济初步复苏及产能供给不足,市场出现量价齐升的局面;2012年由于欧债危机及消费类电子产品如PC、显示器需求减弱,市场再度下滑;2014年-2017年,起初受美国经济复苏及中国持续保持高水平经济增长预期影响市场较为乐观,然而世界经济回升速度仍然较慢,市场整体上呈现出先上升后下降,再缓慢上升的状态。总体上功率器件市场从2007年的92亿美元到2017年的140.4亿美元,市场总量是在逐步上升的,同时随着制造工艺的不断优化升级,制造成本不断下降,功率器件的用量表现为更大程度的增长。

  第三代半导体材料中,目前走向产业化的仅有碳化硅和氮化镓两类,由于产业尚处于比较早期的状态,尚无专门统计机构长期跟踪市场情况,仅有法国的调研机构Yole Développement不定期发布市场统计数据。根据Yole报告,2012、2015、2017年碳化硅功率器件的市场规模分别为7500万美元、2亿美元、3.02亿美元,复合增长率为32.13%,预测2018年市场规模在4.51亿美元;而氮化镓功率器件的市场规模在2016年则为0.12亿美元,预测2017、2018年市场规模分别为0.25亿美元、0.45亿美元。由此可见,当前世界上第三代半导体功率器件市场仍是以产业化程度较高的碳化硅功率器件为主。

  从有碳化硅功率器件统计数据以来对比整个功率器件市场规模数据看,碳化硅功率器件从2012年的7500美元到2017年的3.02亿美元在整个功率器件市场中的渗透率从0.63%攀升至2.15%,市场规模翻了3倍,渗透率翻了约2.5倍,可见碳化硅功率器件不止在于功率器件行业整体在增长,其对传统的硅基器件替代能力也在逐渐提升。

  碳化硅衬底及外延片处于产业链上游,其制备工序为:将高纯碳化硅粉料通过晶体生长、打磨、抛光生产碳化硅单晶衬底(又称“晶圆”),随后生长外延薄膜以形成外延片。

  在产业链分工上,衬底、外延两道工序可能在同一家公司完成,也可能由专业做外延片的公司采购上游衬底再加工制得。国际上碳化硅衬底、外延的主要供应商有Wolfspeed(Cree的子公司)、SiCrystal(罗姆的子公司),II-VI(二六)、DowCorning(道康宁,现已归属于陶氏),这四家厂商均可提供碳化硅衬底、外延片,其中Cree因其在化合物半导体多年的深耕积累,在上游原材料领域实力最强,此外Cree与罗姆均实现了从衬底到模组制造的产业链纵向延伸。目前国际上碳化硅衬底、外延已实现从4寸线寸线衬底、外延产能逐步被压缩。

  国内碳化硅衬底目前主要有天科合达、山东天岳两家公司生产,外延片则主要由东莞天域、厦门瀚天天成采购国内外碳化硅衬底用以制造相应外延片,衬底与外延环节相对独立。目前国内碳化硅衬底已实现6寸线寸衬底为主;外延片环节则依照下游客户需求,4寸或6寸的外延片均可生产。

  耐高温、高效率和轻量化等特点极大地丰富了碳化硅的应用场景,使其在新能源汽车的直流充电桩、车载逆变器、车载充电机,计算机及大型服务器电源,轨道交通,风力、太阳能光伏发电的并网设备等电能转换频繁、对电能利用效率有较高要求、设备体积需轻量化的领域,因自身相对于硅基器件在性能上有不可比拟的优势,使其有着广阔的潜在市场。

  目前,混合碳化硅模块已经基本商用,而纯碳化硅模块也在家电、光伏逆变器以、直流充电桩、汽车逆变器等领域开始渗透及应用。预计随着碳化硅功率器件成本的降低,性能优势将促使碳化硅功率器件的下游需求快速增长。因新能源汽车领域的竞争亟需提升其续航里程,所以在电能转换效率、设备轻量化上有优势的碳化硅功率器件未来将主要由新能源汽车市场所驱动。2018年特斯拉已在旗下车型model 3上使用了全碳化硅模块,国内新能车整车厂代表比亚迪、北汽也在同步跟进,其中比亚迪预计在2019年推出第一款搭在碳化硅器件的车型,并于2023年实现碳化硅器件对硅基IGBT的全面替代。

  功率器件的研发生产过程涉及量子力学、微电子、半导体物理、材料学等诸多学科,需要综合掌握外延、微细加工、封装等多领域技术工艺,并加以整合集成,技术壁垒较高。又因为碳化硅材料与硅材料在物理特性上有较大差异,如碳化硅材料透明、硬度高、化学键能强等特点,使得碳化硅器件制造工艺中的掺杂、刻蚀、氧化方面都比硅基器件更为困难。除此之外,半导体产业的产品良品率决定了单片晶圆转换成产品的对应售价,是决定产品能否在竞争激烈的环境中赚钱的核心,而良品率又由技术水平决定。因此,碳化硅功率器件的生产制造方面天然存在较高的技术壁垒。

  功率器件作为现代电子信息产业中一种重要的功能元器件,在电网、汽车、家电、轨道交通、IT、工业、航空航天、国防等领域有着极为广泛的下游应用,因此其产品品质、性能的稳定性对下游客户极为重要,下游客户对于供应商有较为严格的认证条件和流程,如汽车行业认证需要1-2年。同时,碳化硅功率器件作为新兴产品,客户在应用时会采用更为严格的认证手段以保证自身产品的稳定性和公司品牌不会受到影响。因此,能否成功打入某个下游领域、某个知名客户,不止有利于碳化硅功率器件厂商维持稳定的客户关系、销售规模,还对其在后续的产品推广至关重要。

  功率器件制造涵盖芯片设计、工艺制造、封装、测试等所有环节,主要技术设备包括清洗、氧化、光刻、蚀刻、掺杂、薄膜淀积等工序所必须的高技术生产加工和测试设备,而这些生产设备大多数需要依靠进口,价格昂贵。碳化硅功率器件因生产工艺更加的复杂、困难,其设备价格较传统硅基器件生产设备更为昂贵。因此,碳化硅功率器件的研发、生产需投入大量资金作为支撑。

  功率器件作为集较高的技术、客户、资金壁垒为一体的行业,在几十年的发展历史上,存在着先发企业依靠其竞争优势获取的利润进一步投入研发,从而与竞争对手持续拉开产品代差的现象。因此,后来者想要取代先发者竞争地位极为困难,行业存在明显的先发优势壁垒。

  因为功率器件每个芯片上仅有单一电子元器件,其相对于集成电路来讲,电路构造相对简单,因此行业内并没有像集成电路行业那样形成设计、制造环节大多分割成上下游两个产业的现象,行业内IDM(Integrated Device Manufacture,集成器件制造模式,像英特尔这种,从设计,到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包的企业)模式较为普遍。对于功率器件厂商来说,强大的IDM能力是构建高壁垒及获得高毛利率的关键,可将各环节的成本压至最低。目前全球功率器件厂商以IDM模式为主,纯代工/纯设计模式相对较少。国际功率器件大厂如英飞凌,安森美、意法半导体、瑞萨、罗姆、三菱等均是IDM模式。功率器件设计厂商在中国台湾占比较高,如富鼎、尼克松、大中、杰力等。大陆同样也是以华微电子、扬杰科技、士兰微等功率器件IDM厂商,以及华虹、华润微、立昂微电子等代工厂为主,纯设计企业较少。侧面反映了对于功率器件来说,晶圆的工艺制造能力是核心要素,主流企业均涉及晶圆制造环节。

  从全球碳化硅参与者来看,目前以美国、欧洲、日本厂商为主,其中CREE(子公司Wolfspeed负责器件生产)、罗姆(子公司SiCrystal负责碳化硅晶圆生产)实现了从碳化硅衬底、外延、设计、器件及模块制造的全产业链布局,实力最强;除此之外,大部分参与者均集中于衬底、外延、设计、制造中的一到两个环节;国际主要的上游原材料企业均实现从衬底到外延的连续布局,如CREE、SiCrystal、DOW、II-VI;国际主要的器件生产厂商以IDM形式为主,如英飞凌、意法半导体、富士电机、三菱电机、安森美、东芝,而其中的日系厂商还具备从模组到系统应用设备的整合能力,直面终端客户。

  从国内的碳化硅参与者来看,与CREE、ROHM类似的全流程布局的有三安光电、世纪金光;主要有负责碳化硅衬底生产的企业有天科合达、山东天岳;负责碳化硅外延片生产的有东莞天域、厦门瀚天天成;负责器件设计的有台湾瀚薪、深圳基本半导体;而以IDM形式生产器件和模块的企业有泰科天润、瑞能半导体。

  根据Yole Développement的报告,目前碳化硅器件领域海外公司实力领先,国内市场自给率较低。科锐、英飞凌和罗姆三家公司占据了近全球碳化硅市场约70%的份额,而全球碳化硅晶圆市场几乎由Cree一家主导,牢牢把握原材料环节。整个SiC产业呈现美、日、欧三足鼎立的竞争格局,前五大厂商份额约90%,其他能把SiC产品上量的企业较少,寡头竞争局面明显。中国目前是碳化硅最大的应用市场,消耗全球约一半的使用量,国内台达电子/阳光电源等碳化硅器件需求企业主要依赖进口,SiC器件的国产替代需求强烈。

  Cree(也称科锐或克里科技),是一家1987年成立的美国公司,1993年登陆纳斯达克交易所。为全球LED外延、芯片、封装、LED照明解决方案、化合物半导体材料(碳化硅、氮化镓)、功率器件和射频于一体的著名制造商和行业领先者。在第三代半导体业务领域,Cree主要依托其子公司Wolfspeed开展相关业务,Wolfspeed过去近三十年来一直属于Cree公司,是全球碳化硅功率器件和碳化硅基氮化镓射频功率解决方案的主要供应商之一,其核心竞争力包括面向功率器件的碳化硅晶圆衬底、外延、器件(SBD、MOSFET)制造,以及面向射频功率器件、包含单晶氮化镓层的碳化硅晶圆衬底、外延、器件制造,实现了第三代半导体的全产业链覆盖。2018财年Cree收入14.93亿美元,其中以第三代半导体为主要业务的Wolfspeed部门贡献收入3.29亿美元,占其总收入的22%,同时其总收入的26%来自中国市场。

  ROHM(也称罗姆),是一家1958年成立的日本公司,以电阻器起家,R是公司最初的主要产品Resistor(电阻器)的起首字母,字母R与电阻单位Ω(ohm-欧姆)拼在一起,便构成ROHM。主要从事制造和销售面向汽车、工业市场的大规模集成电路、分立电子元件、模块。公司分为三个部分:大规模集成(LSI)部门提供模拟IC、逻辑IC、存储器、专用集成电路(ASIC)等;分立器件部门制造和销售二极管、晶体管、发光二极管和半导体激光器;模块部门提供打印头、光学组件、电源组件。其他部门提供电阻,钽电容和照明。在碳化硅业务方面,罗姆于2009年收购了碳化硅衬底生产商SiCrystal,2010年研发成功MOSFET,当前可生产功率器件SBD、MOSFET及功率模组,实现了从碳化硅衬底到器件封装的全产业链。公司2018财年结束,合计收入约37.3亿美元,其中分立器件业务占比37.75%,该部分业务收入约为14.08亿美元。

  Infineon Technologies AG(也称英飞凌),是一个总部设在德国的半导体及相关系统解决方案的设计商、开发商和制造商。公司设有四个运营部门:汽车电子、工业功率控制、电源管理及多元化市场、数字安全解决方案。汽车电子部门面向中高功率范围的电能转换,包括微控制器、智能传感器、射频收发IC、雷达以及分立式和集成式功率半导体,适用于动力总成、底盘、舒适性电子设备以及驾驶安全应用;工业功率控制部门面向电机控制、风能、光伏、家用电器、纯电动汽车充电桩等市场,提供高效的电源转换、输送所用的功率半导体;电源管理及多元化市场部门业务面向电池供电设备、纯电动汽车充电桩、LED与传统照明系统、电源管理、物联网、移动设备、蜂窝基础设施等;数字安全解决方案主要生产面向身份证明、SIM卡、智能卡和移动支付的安全芯片。在碳化硅领域,2001年英飞凌推出第一款商用碳化硅SBD,2016年推出全球首款MOSFET,2018年与CREE签订碳化硅6英寸晶圆长期供货协议。2018财年英飞凌全球收入75.99亿欧元,为全球功率器件龙头,其34%的收入来自于大中华区,全球市场占有率18.50%。

  三菱电机株式会社(Mitsubishi Electric Corp,也称三菱电机),为创立于1921年的一家日本公司,是三菱MITSUBISHI财团之一,全球500强。产品范围广泛,覆盖工业自动化、重电系统、家用电器、电子元器件等业务。2018财年,三菱电机总收入416亿美元,其电子元器件收入占其3.9%,约为16.2亿美元。在碳化硅业务方面有SBD、MOSFET、碳化硅模组及应用碳化硅功率器件的各类设备,具备从设计到系统应用的能力,直面终端客户。

  STMicroelectronics(也称意法半导体),成立于1987年,由由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成,于1994年在纽约证券交易所、泛欧洲巴黎证券交易所和意大利米兰证券所上市,是当今世界规模最大的半导体公司之一。意法半导体产品线范围较广,从功率器件、传感器等分立器件到模拟IC、数字IC、存储器、单片机及他们组成的各类模块。在碳化硅业务方面,意法半导体于2004年开始生产其首款SiC二极管,009第一款SiCMOSFET投产,当前可生产SBD、MOSFET,其碳化硅功率器件不仅打入特斯拉供应链,其产线也被特斯拉包下,导致意法半导体对特斯拉以外的客户供应及其紧张,交货周期以拖至一年以上;在全球碳化硅晶圆供应不足的情况下,意法半导体拟收购瑞典SiC晶圆制造商NorstelAB的多数股权,以部分控制碳化硅产业链,同时与Cree公司签订长期6英寸晶圆的供货协议。

  富士电机(FUJI ELECTRIC CO.,LTD.)是一家日本的横跨能源、电力、电子、食品、金融等业务的大型集团。其内部分工如下:发电和社会基础设施部门提供热,地热和水力发电设备,能源管理系统和核相关设备等;工业基础设施部门提供工业驱动系统,测量系统,工业电源系统等;电力电子部门提供逆变器,伺服,电机和不间断电源(UPS)等;电子器件部门提供功率半导体,光电导体和太阳能电池;食品分销部门提供食品和饮料自动售货机,分销系统和货币相关设备;其他部门从事房地产,保险代理,旅游业务,以及提供金融,印刷和信息以及临时人员配置服务。在碳化硅业务方面,目前已推出SBD。2018财年,富士电机收入8935亿日元,约80亿美元。

  ON Semiconductor(也称安森美半导体),是一家于美国纳斯达克上市的宽频和电力管理集成电路和标准半导体的供应商,产品系列包括电源和信号管理、模拟IC、逻辑IC、存储器、单片机、专用集成电路ASIC、传感器、分立及定制器件以及各类模块,被广泛用于汽车、通信、计算机、消费、工业、LED照明、医疗、军事飞机、航空航天、智能电网等。在碳化硅业务方面,2016年安森美收购仙童半导体获取其碳化硅技术,跃升为目前全球第二大功率器件厂商,并于2018先后推出SBD、MOSFET。

  东芝(Toshiba Corporation),是一家日本的多元化的电气/电子制造商。公司的业务包括能源和基础设施、包括核发电系统、火力发电系统、燃料电池、发电、仪表和控制系统;社区解决方案、包括广播系统、道路设备系统、供水和污水系统、环境系统、电梯和发光二极管灯;医疗系统和服务、包括诊断X射线系统和计算机断层扫描系统;电子器件及组件,包括小信号器件、功率器件、光电器件、存储器件和半导体制造设备;生活产品和服务,包括个人电脑、电视、冰箱、洗衣机和家电维修服务,以及其他,包括信息技术解决方案,人力资源和工资系统以及物流服务。碳化硅业务方面,东芝目前推出了碳化硅SBD。2018财年,东芝营业收入约352亿美元,其中电子器件及设备类占比约21%,约74亿美元。

  RenesasElectronics(也称瑞萨电子),是2003年4月1日—由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立。RENESAS结合了日立与三菱在半导体领域方面的先进技术和丰富经验,是无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体的全球领先供应商,是全球规模最大的半导体供应商之一。产品线覆盖功率器件、光电子、传感器、单片机、存储器等。其碳化硅业务起步较晚,2019年初刚对外公布开发出碳化硅肖特基二极管。2018财年,瑞萨电子收入68.8亿美元。

  瀚薪科技(瀚薪科技股份有限公司),总部位于中国台湾新竹,是“漢磊科技股份有限公司”分立的碳化硅器件设计公司,产品代工生产则由“漢磊”的产线负责,目前已实现碳化硅肖特基二极管、MOSFET的量产。

  泰科天润(泰科天润半导体科技(北京)有限公司),总部位于北京,成立于2011年4月,是一家基于第三代半导体材料碳化硅(SiC)的集芯片设计、制造的公司,IDM模式。公司产品为应用于电力转换领域的碳化硅功率器件及以其为基础的相关电力模块。目前泰科天润的碳化硅产品已经在充电庄、电源等领域得到应用。

  基本半导体(深圳基本半导体有限公司),成立于2016年,总部位于深圳,目前在碳化硅器件领域主要做肖特基二极管、MOSFET设计、制造。

  三安光电(600703),成立于1993年,1996年上市,总部位于福建厦门,以LED产品为主。2014年三安光电成立子公司三安集成(Sanan IC)用于开发和提供砷化镓、氮化镓、碳化硅和磷化铟代工服务,其应用于射频通讯领域的氮化镓、砷化镓产品已经出货。2018年12月19日,三安集成宣布已完成了商业版本的6英寸碳化硅晶圆制造技术的全部工艺鉴定试验。

  杨杰科技(300373),成立于2006年,2014年上市,主要从事以功率器件为主的分立器件设计、生产、销售业务。产品以二极管、整流桥为主,MOSFET、IGBT功率模块业务逐渐放量,产品主要用于光伏、LED、开关电源、白电领域。碳化硅业务方面,杨杰科技2016年定增1.5亿元投入碳化硅芯片研发及产业化项目。

  世纪金光成立于2010年12月24日,公司位于北京经济技术开发区,C轮融资已经完成。产品覆盖从碳化硅粉料、晶圆、外延、器件、模块的全产业链。

  瑞能半导体有限公司成立于2016年,总部位于上海,是一家由恩智浦半导体(NXP)与北京建广资产管理有限公司(建广资产)携手成立的国际合资企业。产品包括可控硅整流器和三端双向可控硅、硅功率二极管、高压晶体管和碳化硅二极管等。

  根据功率器件厂商在全球的市场占有率可将功率器件分为三个梯队,在全球功率器件市场占18.5%份额的英飞凌是当前功率器件市场当之无愧的寡头,凭借领先的技术优势、广泛的产品线及组合集成能力,使得其产品在下游客户中广泛应用并获得良好口碑;随后则是以安森美领衔的第二梯队,包含意法半导体、三菱电机、东芝、威世半导体、富士电机、瑞萨科技、罗姆、赛米控等美日欧大型半导体IDM企业,该部分企业在全球技术领先,产品线较全,在部分领域各有优势,拥有较强的差异化竞争能力;第三梯队则为全球其他功率器件生产企业,包含台系及大陆各功率器件生产商,如华微电子、杨杰科技、士兰微、苏州固锝等,该梯队企业有一定技术积累,但产品优势主要集中于基础二极管及中低压器件等低端领域,在对器件性能、可靠性要求较高的高端产品市场渗透率较低。

  不同的是,碳化硅功率器件市场因各厂商在该领域布局先后不同及自身业务布局情况与传统硅基器件市场仍有一定差异,如国际功率器件寡头英飞凌虽在2001年便开发出SBD,但其碳化硅MOSFET开发进度则落后于科锐、罗姆、意法半导体等公司,而且由于英飞凌未向上游布局碳化硅衬底生产环节,使得在当前碳化硅器件供不应求的情况下,碳化硅功率器件市场反而由原来主做LED的科锐成为行业第一。

  根据Yole Développement对2017年中期世界各碳化硅功率器件厂商的量产进度报告(如下图),并结合当前市场信息,将碳化硅功率器件市场的竞争状态做如下描述:因为科锐、罗姆在碳化硅器件上游——衬底、外延生产方面的突出优势,使得碳化硅功率器件领域第一梯队形成科锐领先,英飞凌、罗姆与之齐头并进,意法半导体、三菱电机、富士电机紧随其后的态势;美高森美(Microsemi)、日立(HITACHI)、瀚薪科技、泰科天润、基本半导体、杨杰科技、世纪金光等企业处于追赶态势。

  从1990年2英寸的碳化硅晶圆的研制成功,到2015年出现了8英寸的碳化硅晶圆,碳化硅材料的发展十分迅速。目前8英寸的碳化硅材料质量还不够成熟,已成熟产业化的为4英寸、6英寸碳化硅晶圆。当前全球市场上,4英寸晶片产能向6英寸转移,部分国外的企业已经大规模使用6英寸碳化硅晶圆。随着6英寸SiC单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高,使得SiC器件制备从4寸线寸线,这将进一步降低SiC的器件制造成本,推进SiC器件和模块的普及。

  碳化硅晶片的制备相较于硅更难一些,是在2200度以上的温度把硅粉和碳粉混合升华,再在籽晶上进行冷凝形成约3-4厘米晶碇。通过对晶锭进行切磨抛之后,可以形成碳化硅晶片。而在器件制作前,还需要在碳化硅晶片上长一层用于耐高压的外延,制成碳化硅外延片。器件研制则是在外延片上进行光刻、扩散、刻蚀、注入、沉积等一系列工艺的整合。

  在2001年碳化硅二极管进行产业化,但由于早期器件可靠性较低,没有引起市场上的重视。直到2011年,碳化硅MOSFET的出现引起了市场对碳化硅功率器件的热情,之后很多厂商进入碳化硅产业,如我国的国家电网和中车。

  目前在低压领域SiC已成功产业化,但是在高压领域,国内外均处于研发阶段。由于材料的优势,国外的研发进度要领先一些,日本京都大学在3年前就研发了26.5kV的PiN二极管,美国的Cree公司在也在3年前就研发了20.7kV的IGBT。国内在引进先进的厚膜外延设备后,厚膜外延材料制备技术得到进步,最近也在高压器件方面做了一些成绩,比如中电55所在2016年报道了17kV的PiN二极管,在2018年报道了12kV的IGBT。目前国内碳化硅二级管通过PIN和肖特基复合结构的JBS可以做到一万伏以上。同时,目前产业内研发出了正向的导通电流可以达到50安培每平方厘米、反向电压可以达到一万伏的碳化硅IGBT器件,非常适合于一万伏以上的电力系统的应用,然而受限于碳化硅材料和高压器件制造工艺不够成熟,目前万伏碳化硅IGBT器件的产业化还需要的进一步发展。国内材料在逐步进步,器件的差距也和国外渐渐缩小。

  碳化硅SBD与MOSFET相对于硅基的FRD、IGBT产品定位近乎相同,并能提高系统效率、降低损耗、减少外围器件成本,理论上只要硅基FRD、IGBT可应用的领域,碳化硅的SBD及MOSFET均可对其实现替代。然而因碳化硅衬底成本较高,其制成器件后的产品单价相当于硅基竞品的3-5倍,从而限制了其应用领域的快速扩展。

  当前碳化硅功率器件主要的应用领域有各类电源及服务器,光伏逆变器,风电逆变器,新能源汽车的车载充电机、电机驱动系统、直流充电桩,变频空调,轨道交通,军工等。

  虽然我国功率器件在需求端表现为世界第一大市场,然而我国功率器件的供给能力却远远不足,自给率不到10%。根据中国半导体协会数据,2017年我国华微电子、杨杰科技、士兰微、苏州固锝等大陆主流功率器件厂商营收占全球功率器件市场的3.25%,占国内市场的8.34%,仍有较大国产化提升空间。同时,随着近期中美贸易战的升温,美国对华半导体相关产业的打压将促使国内企业优先采购本土自主化的芯片产品,有利于国产功率器件及碳化硅功率器件的国产替代。

  上文已经介绍碳化硅功率器件在应用中有高转化效率、功率密度大、高频对外围组件体积的减少、耐高温、使用寿命长等优势,因此其在电力转换需求频繁、对电力转换组件有体积或重量要求、相对高温的使用环境上有得天独厚的优势。

  在新能源汽车领域,采用碳化硅功率器件因其对电能较高的转化效率可以提升电池的能量利用率;同时,因其功率密度大、高频率可减少电力转化模块的体积和重量,也因其对高温的耐受能力更强使其节省了散热组件,实现了整车轻量化。综合来看,采用碳化硅功率器件可使新能源汽车在同样的电池容量下实现更高的续航里程,根据业内测试结果,目前提升程度在5%~10%。另外,因高功率直流充电桩在快速充电方面的优势,碳化硅功率器件以其高转化效率、功率密度大、耐高温、使用寿命长的特点,更适合用在高频次使用的直流充电桩上,以降低电能损耗、节省充电桩体积、提高充电速率、延长设备使用寿命。

  在绿色能源领域,光伏发电是产生直流电,若要并入电网则需要逆变成交流电,这个电能转换过程便需要功率器件的参与,采用碳化硅功率器件可直接提升电能的转化效率,增加其并网发电收入;风力发电是先产生频率、电压、电流不稳定的交流电,经过整流成为直流电后再统一逆变成可并网的交流电,整个电能转换过程需要经过整流、逆变两步,因此采用转化效率更高的碳化硅功率器件能更好的提升风电的利用效率。同时,碳化硅功率器件因其在材料特性使用寿命比硅基器件更久,也更耐受极端环境,更适合光伏、风力发电领域。

  在大型服务器、数据中心或比特币矿场中,电费是主要的运营成本,在其运行过程中根据负载设备的需要会进行频繁的电能转换,功率器件是这类设备电源的主要组成部分。因为碳化硅功率器件在电能转换上的高效率、耐高温、使用寿命长的特性,使其在这类IT应用中能为使用者节省大量能耗、替换维护成本。

  除上述所述领域之外,在家电、轨道交通、军工、航空航天、工业控制、智能电网等诸多领域碳化硅功率器件因其自身高性能的优势也有初步使用或研发跟进。综合来看,新能源汽车、绿色能源、大型服务器、数据中心等领域对碳化硅功率器件的需求较为迫切,且有一定成熟应用,其他领域也在逐步推进,总体上市场对高性能的碳化硅功率器件保持持续的需求增长状态。

  根据我国第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)发布的《第三代半导体电力电子技术路线)》显示,受益于技术进步和行业规模化的影响,碳化硅功率器件最主要的原材料成本——碳化硅衬底、外延片的价格近年来持续下降,主要有以下几点趋势:

  伴随大直径衬底占比不断提高,衬底单位面积生长成本下降。以直径150mm单晶与直径100mm单晶为例,生长成本比例大约为1.5-2倍,单衬底可用面积比为2.25:1,衬底单位成本下降;

  单晶可用厚度在不断增加。以直径100mm单晶为例,2015年前大部分单晶厂商制备单晶平均可用厚度在15mm左右,2017年底已经达到20mm左右,预期单晶的平均可用厚度仍会持续增加,这将不断降低单位面积衬底成本;

  150mm碳化硅外延晶片价格目前因其衬底供货量不足还比较高。随着衬底质量和晶片供货量的提高与增大,以及外延晶片成品率的提高,将带动外延片价格快速降低;

  在近期5年内,外延单位面积价格会伴随直径150mm衬底的快速推广而小幅度下调,随着设备、厂务和人工成本的降低,外延单位面积价格会迎来相对快速的降低;

  当前部分厂商已经完成200mm直径碳化硅衬底研发工作,能够提供少量样品,预估2020前直径200mm衬底会进入市场,2023年后200mm碳化硅外延技术会成熟起来,2028年后随着碳化硅衬底、外延片尺寸增大促进的单位面积价格下降,可能会出现200mm碳化硅功率器件生产线;

  综合以上几点,在近期5年内,衬底、外延片单位面积价格会伴随直径150mm衬底的快速推广,小幅度下调,在大部分衬底提供商完成低缺陷密度单晶生长工艺及厚单晶生长工艺研发后,外延片提供商优化外延生长工艺及采用快速外延生长技术后,衬底、外延片单位面积价格会迎来相对快速的降低。未来随着碳化硅衬底、外延片尺寸的增大,单位面积价格将进一步降低。

  功率器件或由其组成的功率模组主要用于电能转换领域,新能源汽车在使用过程中涉及电能转换的部分有:1.电网的交流电、带有能量回收装置的混动汽车的发电机发出的交流电转换为向电池充入的直流电,即直流充电桩、车载充电机及混动汽车发电机的AC/DC整流转换部分;2.电池的直流电转换为电机所需要的交流电,即汽车主逆变器、电机、空调、照明等交流电设备的DC/AC逆变转换部分;3.电池的直流电转为小功率电子设备供电,即汽车的高压直流电转换为低压直流电的DC/DC直流变压转换部分。而这其中较为关键的、影响整车性能表现的电能转换部分即充电桩、主逆变器和电机三部分,其功率器件用量较大。

  新能源汽车的充电桩与车体在载体上相互分离,所以我们分开计算两部分所碳化硅功率器件的潜在市场。

  充电桩是为新能源汽车车载电池充电的设施,分为交流桩和直流桩两种。交流桩是将充电接口接入车载充电机,由车载充电机做电流转换将电能充入电池,输入电压为日常用电220V,功率7kw,充满电需要8-15小时,也称“慢充”,一般应用于新能源私家车的个人充电桩;直流桩则是先将交流电整流为直流电,通过充电插口直接给电动汽车电池充电,输入电压为380V,功率通常在70kw以上,充满电仅需20-150分钟,也称“快充”,一般应用于新能源出租车、公交车、物流车及市政用车的充电站与公共充电桩。交流充电桩结构简单几乎不涉及功率器件,功率器件在充电桩的应用主要是直流桩领域。

  当前碳化硅功率器件做成的充电桩功率模组虽然在器件成本上相较于硅基器件贵3-5倍,但由于减少了外围电容、电感等其他组件,使得总体器件数量为硅基的一半左右,系统成本仅比充电桩硅基模组高10-20%左右。以华商三优为例,其硅基模组充电桩价格在0.6元/w,每台充电桩中功率模组成本在50-60%左右,而其直流充电桩产品主要集中于450kw,故而单台碳化硅直流充电桩的功率模组价格约在17万元左右。

  根据公开资料估计公交充电站这类专用桩每天纯充电时间在6个小时以上,因此在单台450kw充电桩中碳化硅比硅基贵约2万元,按照10年折旧期(根据上市公司特锐德折旧期限)算,每天折旧成本碳化硅比硅基高约5.5元,而在碳化硅比硅基转化效率提升至少1%的情况下,充电6小时节约30度电左右,若按居民电价则节省约15元,若按工商用电则至少节省30元。相较于折旧增加带来的成本,电力节约而节省的成本更为突出,使得在专用桩领域碳化硅替代硅基功率器件有经济优势。

  根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟(EVCIPA)《2018-2019年度中国充电基础设施发展年度报告》,2018年我国新增充电桩93943台,其中直流桩增量59746台,占比63%,交流桩增量35184台,占比37%,交流直流一体充电桩增量13台,占比较低。虽然直流桩单桩制造、建设和运营成本都远高于交流桩,但由于其所具备的充电功率大,充电速度快等方面的优点,无论是专用还是以补电为主的公共类桩都趋向于采用直流快充,其在2018年四季度增量占比已达到67%。

  而在公共充电桩中,又包含社会车辆充电桩、公交专用充电桩、企事业单位内部停车场充电桩、社会运营类车辆(出租车、物流车、共享汽车或共享车等)充电桩等专用充电桩,而专用桩因其使用频次高,对充电时间及能源成本更为敏感,我们认为专用桩市场应包含于直流桩市场内,是碳化硅直流充电桩的主要目标市场。同样,根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟(EVCIPA)《2018-2019年度中国充电基础设施发展年度报告》,2018年公共桩新增量中专用桩为23906台,占整体的25.45%。

  因此,按当前公共充电桩增量情况来看,2018年新增专用桩23906台吗,其对应的碳化硅直流充电桩功率模组的潜在市场空间约40.6亿元人民币。

  除新能源汽车体外充电桩需要使用半导体外,汽车中使用最多的半导体分别是传感器、MCU和功率半导体。其中MCU占比最高,其次是功率半导体。传统燃油汽车的功率半导体主要应用于汽车启动、内置发电机和安全领域,而新能源汽车的动力源为电池,其功率半导体除了部分与传统燃油车共通的领域外,还因其特殊结构用于车载充电机、主逆变器、电机,及因电池输出的高压直流电需要转换为低压直流电的各类转换器等,这对IGBT、MOSFET、二极管等功率半导体器件的需求有极大提升。

  根据Strategy Analytics和Infineon的最新数据(2018年5月),燃油车单车半导体价值量约375美元,纯电动增加一倍,约750美元。其中,传统燃油车中功率器件单车价值量71美元,48V轻度混动车中功率器件单车价值量146美元,强混和插电混动车中功率器件单车价值量371美元,而纯电动车中功率器件成本为455美元,占比车用半导体61%,相较于燃油车增长540.85%。

  根据麦肯锡统计数据,纯电动汽车的半导体成本为704美元,是传统汽车350美元的2倍,其中功率半导体的成本为387美元,占总成本的55%。由上述资料我们可以认为平均来看,纯电动汽车单车硅基功率半导体成本约在400-450美元区间。

  若将主逆变器由硅基IGBT换成碳化硅的MOSFET,以UBS的特斯拉Model 3拆解报告来看,其主逆变器由24个1 in 1的全碳化硅功率模块组成,成本在336美元左右,加上车载充电机用的碳化硅MOSFET合计363美元,全车功率半导体成本约在640美元,电机和逆变器系统成本约在1960美元。相较于同样在3-5万美元的竞争车型雪佛兰Bolt来看,Model 3的逆变器及车载充电机功率器件成本约为Bolt的115%,全车功率半导体成本比Bolt的580美元高约10%。但由于碳化硅功率器件耐高压、耐高温、散热快、开关速度快等的天然优势,减少了外围组件,使得Model 3在保持电机及逆变器总系统成本更低的情况下,却实现了比Bolt更好的动力表现性能。因此,我们认为在新能源汽车上,碳化硅功率器件对传统硅基器件有较明显的替代趋势。

  以特斯拉Model 3相较于雪佛兰Blot的对比来看,在同价位区间的车型上,仅有主逆变器和车载充电机采用碳化硅功率器件的情况下成本较传统硅基高约15%,若全车功率器件均替换为碳化硅,我们暂且估计碳化硅功率器件成本会高出20%,因此当前车载碳化硅功率器件的潜在市场约是硅基功率器件市场的120%。

  根据中国汽车工业协会公布的数据,2018年我国新能源汽车产量127.05万辆,以硅基功率器件平均成本来算,其市场规模约在5.08亿美元至5.72亿美元之间,即约为人民币35亿元人民币至40亿元人民币之间。若将其全