【国信电子|汽车半导体5月报】以电为轴，碳化硅按下“能量流”加速键_新浪财经

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碳化硅为汽车“能量流”按下加速键

作为半导体的重要增长极，汽车市场的增量空间沿“能量流”和“数据流”两条主线展开，能量流为汽车提供底层能量支撑，其中，功率半导体作为实现能量转换的核心，含量大幅增加。随汽车对电能高效利用的要求提升，具有小芯片面积、低开关损耗、高热导率及强击穿场的碳化硅（SiC）功率器件成为该应用的最佳选择，沿电能方向提升各部分能量利用效率，驱动汽车高效前行。

新能源汽车销量持续旺盛，零部件及芯片需求同步攀升

4月新能源汽车销量受疫情影响，除比亚迪、极氪外，新势力车企环比承压。此前，3月全国新能源乘用车销量回暖至48.4万辆(YoY +110%)，电机电控搭载量48.9万台(YoY +122%)，其中多合一电驱动系统搭载量29.6万台(YoY +157%)；OBC装机量44.35万套(YoY +136%)，多家厂商开始采用碳化硅方案。此外，国产功率模块厂商成长迅速，斯达半导、比亚迪半导体、中车时代半导体均进入1Q22国内前五功率模块供应商，装机量均超10万套；此外，士兰微模块已批量上车，搭载量将随产能释放提升。

主逆变器为碳化硅上车的主要发力点

逆变器的能量转换效率是汽车续航能力的关键，与硅基方案相比，碳化硅方案总损耗为硅基方案的二分之一且总芯片面积为硅基的五分之一。随800V架构推动器件向1200V演进，碳化硅方案成本由硅的3.5倍降至2.6倍，加之性能提升带来近750美元的电池成本降低，成为性能与成本的最优选择。预计21-27年全球碳化硅器件新能源汽车主逆变器市场将从6.3亿元增至45.9亿美元，复合增速为39%；占车用碳化硅市场90%。目前，碳化硅在特斯拉、比亚迪汉、现代、蔚来及宇通客车等主逆变器上已量产，随车企验证逐步完成，22年将有更多车型开始应用。

车载充电器（OBC）为碳化硅上车的催化剂

车载充电器是决定汽车充电效率的关键，随着对充电时间缩短和动力电池电压的要求提升，OBC功率升级。在高功率平台下，碳化硅系统成本可低于硅方案的15%，能量密度提升1.5倍，能耗成本每年可减少40美元。在此驱动下，预计21-27年全球碳化硅器件新能源汽车OBC市场将从0.5亿美元增至3.41亿美元，CAGR为38%。目前，碳化硅OBC、DC/DC渗透最快，已有多家车企及Tier-1如丰田、Lucid Air、比亚迪、大众、东风、欣锐科技等采用。

导电型衬底扩产持续，碳化硅器件加速渗透

预计导电型碳化硅衬底全球头部公司产量(折合6英寸)27年将增至259万片，叠加我国衬底扩产增量，27年全球导电型碳化硅衬底将超300万片；对比27年全球新能源汽车衬底需求超355万片，供给端仍有扩产空间。相应地，碳化硅器件市场将从21年11亿美元增至27年63亿美元以上，其中新能源汽车将从7亿美元增至50亿美元，占79%。此外，碳化硅MOSFET及模块价格25年有望分别降至IGBT及模块的2.8倍和2倍，将催化碳化硅渗透。

投资建议

聚焦“能量流”主线，推荐汽车功率半导体IDM龙头士兰微、闻泰科技，特色工艺代工厂华虹半导体，产业链相关公司包括斯达半导、时代电气、BYD半导(未上市)等。

电动化不及预期；汽车需求下降；碳化硅渗透不及预期。

行业动态

5月1日，多家新能源车企发布4月销量快报，环比普跌、同比普涨：比亚迪(10.6万辆，MoM +1%,YoY +313%)、极氪(0.2万辆，MoM +19%)、埃安(1.0万辆，MoM -50%,YoY +23%)、小鹏(0.9万辆，MoM -42%,YoY +75%)、蔚来(0.5万辆，MoM -49%,YoY -29%)、理想(0.4万辆，MoM -62%,YoY -25%)、哪吒(1.0万辆，MoM -27%,YoY +120%)；比亚迪、小鹏、哪吒、埃安销量居前，整体新势力4月受疫情对供应链影响承压。此前，据中汽协统计，3月新能源汽车产销分别达46.5万辆(MoM +25.4%,YoY +110%)和48.4万辆(MoM +43.9%,YoY +110%)，纯电动增速回升。

纯电动A级车以下占比近70%，车型多元化发力。据乘联会统计，3月，A00级纯电动车销量11.9万辆(占32%)，A0级纯电动车销量5.5万辆(占15%)，A级纯电动车销量8.2万辆(占22%)，B级纯电动车销量5.5万辆(占30%)，比亚迪纯电动与插混双驱动处于领先地位，13家车企销量破万。

汽车智能化标准升级，网联化程度明显增加。电动化指数28.1，呈现了强势增长特征;而智能化将是未来产品竞争的主要领域,指数环比增加；此外，目前主流厂商开始重视OTA在线升级功能，随着产品更新换代，在线升级功能将逐步搭载于新上市的产品上，网联化指数增长加快。

3月新能源乘用车电机电控搭载量达到48.94万台(YoY +122%,)。1Q22累计搭载110.99万台，占21年全年总量34.1%；其中，三合一电驱动系统搭载量为29.56万台(YoY +157%, MoM +201%)，1Q22累计搭载64.03万台，占21年全年总量38.2%，渗透加速。电控装机量前三为弗迪动力、特斯拉和汇川技术。

3月OBC装机量共44.35万套(YoY +135%)：受DMI拉动，弗迪动力环比增长60%，英搏尔凭借单管并联方案在A00等小车客户优势销量保持增长，欣锐科技供货DMI车型后装机量增加，其余部分未装车型为换电车型。

斯达半导、比亚迪半导体、中车时代半导体均进入1Q22国内前五功率器件供应商之列。随着我国新能源汽车快速发展，国产功率模块厂商成长迅速，据NE时代统计，1Q22斯达半导装机量18.2万套，比亚迪超16.1万套以上（统计上调中），中车时代半导体10.9万套；此外，士兰微IGBT模块已批量应用于零跑、比亚迪等汽车客户，预计市占率将随12英寸线产能释放逐步提升。

以电为轴，碳化硅按下“能量流”加速键

汽车电动化过程中，电能取代燃油成为汽车驱动的能量来源，汽车能量流发生变化。新能源汽车不再使用汽油发动机、油箱或变速器，“三电系统”即电池、电机、电控系统取而代之；同时，配套新增DC-DC模块、电机控制系统、电池管理系统、高压电路等系统以完成电能在汽车中的分配与管理。相应地，实现能量转换的核心器件——功率半导体含量大大增加。此外，随汽车含电量增加，其电气架构复杂程度及功率水平提升，加之对长续航、高驱动性能即电能高利用率低损耗的要求，具备热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点的碳化硅（SiC）功率器件成为最佳选择之一。

SiC器件方案总损耗为硅基方案的二分之一且总芯片面积为硅基方案的五分之一，优势明显。以意法半导体的主逆变器方案为例，对于同一个210kW的逆变器，假设10kHz的工作频率和800V的总线，与硅器件解决方案相比，使用SiC MOSFET方案带来的效率增益近3%-8%，开关损耗降至硅基方案的四分之一：从564W降至143W，考虑传导损耗后的总损耗降低两倍：从864W降至450W，而总芯片面积仅为硅基器件的五分之一：从600mm2（IGBT加FRD）降至120mm2。

沿电能在汽车中流动的方向，碳化硅器件主要被应用于主逆变器、车载充电器(OBC)、DC-DC转换器中。由于SiC MOSFET能够在650V-1600V电压范围内工作，非常适合应用于汽车主逆变器、DC-DC变换器和OBC。由于整车动力来源中电能占比不同，碳化硅的渗透情况各不相同：

（1）主逆变器作为汽车动力的来源，是全车功率最高的部分亦是碳化硅器件最具应用前景的部分，混动车型平均功率70kW左右，纯电动车型平均功率接近150kW，中长续航版本功率在此基础上将进一步提升，在上述车型中碳化硅均有应用需求；

（2）车载充电器主要应用于插电式混动、纯电动这类可从电网获取电能的车型上，随充电速度及装置空间要求提升，在11kW以上的类型中碳化硅器件快速渗透；

（3）DC-DC转换器中包括不同功率类型，在高压转换部分可用到碳化硅器件。

主逆变器：碳化硅上车的主要发力点

主逆变器作为电动汽车的驱动源，是保证汽车续航能力的关键。在电动汽车中，电机驱动汽车往前行进，其运转及能量分配由电控系统实现。其中，电控的主要部分-逆变器将电池提供的直流电转换为电动机所需的交流电，向电动动力总成提供电能，电动机通过永磁体提供励磁将电能转换为机械能驱动车轮。而在减速模式下，电机通过将机械能转换为电能为车辆电池充电。因此，电驱动系统需维持高能量转换效率运转，同时以最低重量及最小的空间占用为电动汽车续航能力提供保障。

主逆变器的能量转换主要通过功率器件及配套外部设计实现：以Wolfspeed方案为例,主逆变器的核心为碳化硅功率模块，其重量和体积大约是标准硅模块的一半。在此基础上，要发挥碳化硅的高开关速度、耐温等优异性能还需要先进的散热技术、低杂散电感电路设计、高效栅极驱动器支持。因此，在碳化硅模块外部需加入冷却部分以实现在高电流密度运行环境中的快速热传导，避免局部过热影响器件的开关性能；还需外加驱动器以驱动碳化硅器件进行开关。同时，电路的运转需通过控制器对输入采样作出控制决策、ADC测量系统状态进行监测。

碳化硅MOSFET数量取决于工作电压/电流要求及封装形式（单管/模块）。以特斯拉为例，Model 3电机电控有210kW版本中，每4个SiC模块并联构成了桥臂的上桥或者下桥，每一套功率芯片对应一套驱动及隔离保护；每相电对应上下一组共8个碳化硅模块，三相电总共对应24个模块；由于每颗模块中有2个SiC裸芯片，因此，主逆变器共使用48颗SiC MOSFET。相比IGBT方案：每6个IGBT单管并联桥臂的上桥或者下桥，碳化硅方案芯片数量及总面积均减少。

碳化硅是中高端、长续航车型结合性能与成本考虑的最佳选择。根据Yole统计，SiC器件价格需降至Si器件2.5 倍左右才能使电动汽车成本打平，渗透率才会加速提升。目前，650V电压等级碳化硅方案性能是硅方案的3倍但成本是硅方案的3.5倍，不具优势。而随着电动汽车向800V架构过渡，功率器件工作电压从650V向1200V演进。当电压等级升至1200V时，碳化硅方案性能是硅方案的4倍但成本仅是硅方案的2.6倍。在器件成本与性能两方面考虑下，碳化硅器件将成为最佳选择。此外，SiC器件可使得从混动到长续航纯电动汽车节省5-750美元的电池成本，因此长续航版本的电动汽车也将成为碳化硅渗透的主要车型。

主逆变器是未来碳化硅器件在新能源汽车领域的主要发力点。根据Yole预计，2021-2027年碳化硅器件在全球新能源汽车主逆变器中对应的市场空间将从6.3亿美元增至45.9亿美元，复合增速为39%；占新能源汽车用碳化硅器件市场的90%左右。目前，碳化硅在特斯拉、比亚迪汉EV四驱高性能版、现代、蔚来ET7及宇通客车等主逆变器上已量产，随着车企验证逐步完成，未来将看到碳化硅模块在更多的车型上的应用。

车载充电器（OBC）：碳化硅上车的催化剂

车载充电器的性能是决定充电的效率关键。在新能源汽车中，电能的获取通过由外接交流电（AC）向电池（直流电源DC）进行充电而实现。在此过程中，交流-直流变换可通过外部充电桩或者汽车内置的充电装置实现：1.在有外部充电桩完成交流-直流变换的情况下，仅需通过车载DC/DC变换器，即可实现充电。2. 在没有专用充电系统时，从交流电网直接为高压电池充电的过程可通过内置在车辆里的车载充电器实现。而充电机依据电池管理系统（BMS）提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。

OBC的电路结构由功率因数校正器Power Factor Correction（PFC）和直流-直流转换器（DC-DC）两大部分组成。交流电先通过PFC，利用整流器和功率校正进行处理，转化为直流电，同时最大程度提高实际输电效率，减小热负载。通过PFC处理后的电流经过DC-DC进行输出电压和电池的充电电流的调整，最终实现在车端的交-直充电。

二极管和IGBT、MOSFET等功率半导体是OBC实现直-交变换的关键器件。在OBC中，根据交流电源输入、输出功率、能效和成本目标等要求，电路设计各不相同。以英飞凌的方案为例，PFC电能转换部分包括作为开关的IGBT或MOSFET（2个）及肖特基二极管SBD（6个）。当需要实现双向充电功能时，IGBT增加一组，共四个以实现双向变换，整流部分的二极管换为MOSFET（2个）。在DC-DC部分，需将来自PFC的高压直流转换为适当的电压用于充电，包括MOSFET（4个）及SBD（4个）。上述硅基器件均可根据应用需求替换为碳化硅器件。

OBC输出功率提升，碳化硅MOSFET优势明显。目前，在功率不超过6.6kW的单向OBC系统中，650V硅基产品占主导地位，碳化硅MOSFET性能优势不明显且价格比同规格硅基产品高3-5倍。然而，随着对充电时间缩短和动力电池电压提升，OBC逐步向三相输入（11kW、22kW）演进，此时SiC MOSFET与硅基超结MOSFET相比，在所有负载条件下平均总损耗是硅基方案的三分之一，且转换效率更高，性能优势明显。

电动汽车向800V架构过渡，碳化硅将被大规模应用于OBC。当前，电动车在续航里程方面仍面临着补能焦虑的问题。为提升汽车充电效率，800V高压平台方案应运而生。在此技术方案下，高电压对功率器件提出更高要求，碳化硅在该应用上优势明显。以Wolfspeed 22kW 800V双向OBC为例，从Si方案转到SiC方案，功率器件和栅极驱动的数量都减少30%以上，开关频率提高一倍以上，SiC系统成本与Si相比减少了15%；同时能量密度是Si系统的1.5倍，通过减少能耗每年可减少40美元左右的单位成本。

除SiC MOSFET，SiC SBD的应用亦可提升OBC的转换效率。由于OBC的PFC电路和DC/DC输出电路中均用到二极管；要求器件在正向、反向以及开关三个状态切换过程中正向导通压降小，反向漏电流小且输入电容小、开通速度快。碳化硅二极管在上述参数均有明显优势，可使得能量损失中占比较高的开关损耗降低，成为碳化硅器件在OBC的另一渗透方向。

OBC应用是碳化硅上车的催化剂。根据Yole预计，2021-2027年碳化硅器件在全球新能源汽车OBC中对应的市场空间将从0.5亿美元增至3.41亿美元，复合增速为38%；占新能源汽车用碳化硅器件市场的7-8%左右。目前，碳化硅在OBC、DC/DC上已有多家车企应用，丰田电动车bZ4X SUV车载充电装置ESU搭载了基于日本电装SiC技术的OBC和DC-DC转换器，Lucid Air采用罗姆碳化硅MOSFET OBC以增加80英里续航里程。此外，国内欣锐科技、威迈斯、英博尔等OBC厂商亦发布了基于碳化硅的产品方案。800V架构的引入将促进碳化硅器件在OBC渗透，增加市场对其可靠性的验证，为其在主逆变器的应用作铺垫。

DC-DC转换器：碳化硅应用的拓展点

碳化硅可应用于高压DC/DC转换器中，助力电能转换效率提升。DC/DC转换器作为电动汽动力系统的重要部分，其主要作用为：（1）为动力转向系统，空调以及其他辅助设备提供所需的电力；（2）在复合电源系统（如OBC）中，起到调节电源输出和稳定母线电压的作用。其主要由主电路、驱动模块以及控制模块构成：主电路为功率器件组成的电能转换部分，驱动模块用于驱动功率开关，控制模块则对电压电流进行反馈控制以保证电能合理分配。此外，为充分利用电能，部分电动汽车的低压电池亦可为高压电池组充电，为汽车驱动提供额外能量，因此需要加入DC-DC双向转换器使得电在高低压电池间双向高效流动。

碳化硅器件适用于高频率高功率密度功率转换器。以Wolfspeed 6.6kW高频率高功率密度功率转换器为例，与Si MOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻随结温升高而增加的幅度明显减小，对应的开关损耗较小；在高功率时效率提升1%，在相同的散热条件下SiC MOSFET稳定，而Si MOSFET已进入热失控状态。

根据Yole预计，2021-2027年碳化硅器件在全球新能源汽车中DC-DC对应的市场空间将从150万美元增至5730万美元，复合增速85%；占新能源汽车用碳化硅器件市场的1%左右。目前，碳化硅在OBC、DC-DC上已有多家车企应用，由于DC-DC为OBC一部分，其供应商与OBC厂商基本一致。

碳化硅市场进入加速渗透期

碳化硅功率器件早在20年前已推出，受制于成本及下游扩产意愿不足，碳化硅产业化推进缓慢。2018年，特斯拉作为全球第一的造车新势力率先使用全碳化硅方案后，碳化硅器件才开始成为市场发展热点。由于我国在新能源汽车、光伏等碳化硅下游应用市场均有先发优势且市占率高，行业的内生增量空间驱动我国碳化硅产业加速发展。

衬底供应商掌握了碳化硅产业链的核心话语权。碳化硅产业链与硅基功率半导体类似，包含衬底、外延、器件及模块等环节。然而，其产业链价值量分布与硅基器件不同：硅基功率半导体晶圆制造成本占50%，而碳化硅由于晶棒生长速度慢且技术难度大，成本集中于上游，价值量倒挂。SiC导电型衬底成本占38%，外延成本占23%，这两大工序占器件制造成本约60%，上游供应商掌握了行业定价权。

导电性衬底市场：扩产与收购并行

收购与扩产并行，上下游厂商不断向IDM模式发展。目前，全球龙头企业Wolfspeed、Rohm、ST都已形成了SiC衬底-外延-器件-模块垂直供应的体系，而Infineon、Bosch、On Semi等厂商则不断进行并购，拓展在上游原材料的布局。Rohm收购Si Crystal，布局SiC衬底；II-VI收购Ascatron AB和INNOViON Corporation建立SiC垂直集成平台；ST收购Norstel，上游延伸至SiC衬底。

预计2027年全球导电型碳化硅产能将超过300万片。碳化硅衬底环节价值量高，国内外厂商纷纷宣布扩产计划：Wolfspeed在24年前产能扩充30倍；Rohm在24年前产能扩充5-6倍；II-VI计划产能扩充5-10倍。我们根据全球主要公司扩产计划进行初步测算，考虑平均良率及产能利用率后，预计全球头部公司导电型碳化硅衬底产量（折合6英寸）将从21年近40万片增至27年259万片左右，叠加我国衬底扩产增量，预计27年全球碳化硅衬底产能将超300万片。

预计2027年全球新能源汽车市场对导电碳化硅衬底需求可达355万片，供给仍有扩产空间。随着新能源汽车不断渗透，假设新能源汽车2027年销量为3548万辆，碳化硅渗透率为40%，每个6英寸导电型碳化硅衬底可满足4辆新能源汽车的器件用量，则对应衬底需求约为355万片左右，其中主逆变器占90%，OBC占9%，DC-DC占1%。由于新能源汽车需求仅占据市场80%不到的空间，对比供应量300万片，预计27年导电型衬底仍有扩产空间。

未来导电型衬底价格逐步下降，预计2027年市场将超过16.7亿美元。根据Yole预测，导电型碳化硅衬底单价将逐步下降，27年6英寸导电型碳化硅将从目前近850美元降至628美元。根据我们对导电型衬底产能及价格的测算，预计21-27年全球导电型衬底市场将从3.5亿美元增至16.7亿美元，复合增速为29.5%。

碳化硅器件市场：价格下降，上车加速

根据Yole预测，SiC器件市场将从2021年10.9亿美元增至2027年63亿美元以上，复合增速达34%。其中，新能源汽车将从2021年6.85亿增至2027年49.86亿美元，复合增速38%，占整个市场79%。相应地，充电设施市场将快速发展，增速高达90%。除汽车外，第二大应用能源（包括光伏、风电、储能等）市场将从2021年1.54亿美元增加至2027年4.58亿美元，轨道交通和工业等领域也将快速增加。

目前碳化硅模块价格差最小，主逆变器应用将为主要方向。碳化硅模块降速最快，21年平均单价是IGBT模块的3.3倍，预计25年将降至2倍；碳化硅MOSFET21年平均单价是IGBT的3.3倍，预计25年将降至2.8倍；碳化硅SBD 21年平均单价是硅基SBD的10倍，预计25年将降至8.8倍。根据Yole预测，当SiC器件降至Si器件2.5 倍左右能使电动汽车成本打平，随着碳化硅模块价格下降，该类型器件的渗透将不断加速。因此，碳化硅模块渗透驱动力最大，其应用的主要领域-汽车主逆变器占车用碳化硅器件市场90%，预计27年将达45.9亿美元。

器件厂商与车企锁单，传统功率半导体厂商仍占主导地位。Wolfspeed、Rohm、Infineon、ST等期间厂商一方面向上游延伸，确保供应链稳定；另一方面，与终端应用企业合作，锁定车规级应用：特斯拉采用意法半导体的SiC功率器件；Wolfspeed和Infineon分别与大众汽车合作，成为FAST项目SiC合作伙伴。目前，意法半导体作为特斯拉供应商市占率最高，英飞凌、Wolfspeed增速较快，21年上述三家公司碳化硅器件收入增速同比均超50%。

我国碳化硅器件设计公司上车进展快，硅基功率半导体公司齐发力。目前，我国量产碳化硅MOSFET器件公司较少，多数为设计公司如瀚薪科技、派恩杰、瞻芯电子等，部分产品已在OBC上应用。传统功率半导体公司纷纷在碳化硅领域发力，其中包括中车时代电气、斯达半导、三安光电、华润微、士兰微、闻泰科技等。

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