在新能源车、光伏发电等重点行业终端出货量快速成长，叠加SiC渗透率提升且短期内器件价格降幅有限的背景下，2022-2024年SiC器件市场规模有望迎来增速最快的三年周期。中国相关供应商虽起步较晚，但得益于新能源车、光伏逆变器本土品牌商市场份额提升，国内企业获得了入场机会，且有望通过技术快速迭代和产能扩张受益于SiC器件全球需求景气及国产化趋势。

新能源车、光伏贡献主要增量

1、新能源汽车销量及渗透率快速提升，是碳化硅市场的重要驱动力

在新能源车中，碳化硅目前主要用于主逆变器，搭载碳化硅功率模块，部分用于OBC和DC/DC，搭载单管器件。此前影响碳化硅器件放量的主要约束为成本经济性问题，现今随着晶圆生产制造成本下行、与硅基器件价差持续缩小，同时若考虑散热系统成本节约、空间节约、电驱系统性能提升和整车价值跃升等附加价值，碳化硅器件已具有一定竞争优势。

自特斯拉Model3首次使用碳化硅以来，碳化硅越来越受到新能源汽车市场青睐。特斯拉在2018年发布的Model3首次采用了意法半导体供应的碳化硅MOSFET器件，被视为碳化硅上车的风向标事件。随后，比亚迪、吉利、现代、广汽、小鹏等车企都发布了搭载800V高电压平台的车型，部分车企已经将量产时点定在2022年。

国内2020年发布的比亚迪汉纯电动高性能四驱版成为国内首款采用自研碳化硅模块的车型，功率密度提升了一倍。通用、丰田、一汽等亦提出了采用碳化硅产品的规划。随着碳化硅器件持续降本，更多车型有望使用碳化硅。

我们之前已经梳理过，硅基IGBT已经达到物理极限，碳化硅基MOSFET性能已经超越硅基IGBT，而碳化硅基IGBT还在研发中，一旦实现技术突破，则可完全替代硅基IGBT，因此碳化硅在高压电子领域替代硅基IGBT的趋势不可逆。

此前，比亚迪计划，到2023年在旗下所有电动车中用SiC功率半导体全面替代硅基IGBT。据东吴证券测算，仅考虑中国新能源车市场，预计从2020的14.6亿元增长到2024年的164.7亿元，年均复合增长率达83.2%。

2、光伏新增装机容量持续上升，碳化硅渗透率逐步提升

在光伏行业，碳化硅主要应用于光伏逆变器，可提升转换效率、降低系统成本，有望高速渗透光伏市场。基于硅基器件的传统逆变器成本虽较低（仅占系统10%左右），却是系统能量损耗的主要来源之一。而碳化硅材料的击穿电压是传统硅的十倍以上，同时具有更高的热导率、更低的导通电阻、栅极电荷，能够承受更高的电压和电流，同时保留了低压硅器件的开关频率优势，确保高转换效率，实现双赢。

数据显示，在光伏逆变器中使用碳化硅功率器件可使转换效率从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，大幅提高设备循环寿命，降低生产成本。据CASA预测，到2048年，光伏逆变器中碳化硅功率器件占比可达85%。据东吴证券测算，全球光伏领域碳化硅市场规模，2025年有望达到75.4亿人民币。

3、全国城轨全面采用碳化硅，一年可节省15.26亿度电

牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，碳化硅器件由于具有高温、高频和低损耗特性，能够降低牵引变流器综合能耗，提升系统的整体效能，符合轨道交通大容量、轻量化和节能的应用需求。据西门子为期一年的碳化硅技术测试成果，碳化硅电车在操作过程中噪音水平较低，且能源消耗减少约10%；

经装车试验测试，中车株洲所与深圳地铁集团联合研发的地铁列车全碳化硅牵引逆变器在节能化方面表现优异，同比硅基IGBT牵引逆变器的综合能耗降低10%以上，中低速段噪声下降5分贝以上，温升降低40°C以上。根据中国城市轨道交通协会的数据，如果全国城轨全面采用碳化硅，仅2019年就可节省15.26亿度电，节省的电量足够整个北京的轨道交通使用。

碳化硅在轨道交通已有大量应用案例。截至2021年12月，国内已有至少8条列车线路采用了碳化硅技术，日本、欧洲的轨交牵引系统也大面积采用了碳化硅，仅2021年下半年，日本推出了搭载碳化硅车载设备、主电路设备的E131Series500系列列车；

搭载碳化硅牵引变流器的德国慕尼黑Avenio有轨电车已通过测试，正式投入使用；欧洲PINTA项目将重点在双系统有轨电车中使用碳化硅，有望在整个欧洲推广。此外，碳化硅逐步进入高铁领域，如日本N700S新干线、西门子Velaro列车已引入碳化硅；2019年底，Cree与ABB宣布达成合作，助力Wolfspeed进入高铁等市场。

据东吴证券测算，仅在轨交牵引变流器领域，2025年全球碳化硅器件市场规模将达到33.8亿元，5年CAGR为29.2%；到2025年，中国轨交牵引系统碳化硅器件市场规模将达到11.3亿元，5年CAGR为29.5%。

4、碳化硅应用于直流充电桩中，可提升充电效率、缩短充电时间

中国充电桩市场规模在2015年至2020年总体呈增长趋势，由2015年的12.5亿元增长到2020年的65.3亿元，CAGR达到39.2%。根据中国充电联盟统计数据，截至2021年12月，全国充电基础设施保有量达261.7万台，联盟内成员单位总计上报公共类充电桩114.7万台，同比增长56.4%，其中直流充电桩47.0万台，同比增长52.1%。碳化硅主要应用于直流充电桩中，其高功率能够提升充电效率、缩短充电时间，有望实现加速渗透。

碳化硅在大功率充电领域具备较强的竞争优势，渗透率有望进一步提升。充电桩行业发展主要围绕着大功率直流快充进行，充电模块是构建高功率充电基础设施的核心部分。相较于硅基功率器件，使用碳化硅功率器件可以实现高功率密度、超小体积，同时能够支持快速充电，因此可以实现充电模块的高效化和高功率化，进而实现充电速度的提升和充电成本的降低。

参考泰科天润提供的一款基于碳化硅的直流快速充电桩，输出功率为60kw，其体积比同样输出功率的硅基充电桩小30-35%左右，因而能够通过散热性能和所占空间节省成本。根据CASA的测算，2019年碳化硅在直流充电桩的充电模块渗透率约10%，预期未来随着成本的降低，渗透率将进一步提升。据测算，2025年我国应用于直流充电桩的碳化硅功率器件市场规模将达到27.1亿元，2020-2025年CAGR为72.7%。

5、射频：碳化硅基氮化镓是主流产品和技术解决方案

全球氮化镓射频器件市场快速扩张，碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）是主流产品和技术解决方案。据Yole预测，到2024年，全球氮化镓射频器件市场将达到20亿美元，2018-2024年CAGR约21%。

氮化镓是极稳定的化合物，具有高热导率、高电离度和化学稳定性，相较硅和砷化镓，抗辐照能力更强；同时氮化镓又是高熔点材料，热传导率高，通常采用热传导率更优的碳化硅衬底，因此氮化镓功率器件具有较高的结温，能够在高温环境下工作。据Yole预测，到2023年，氮化镓射频器件的市场规模将占3W以上射频功率市场的45%，未来10年内，氮化镓将成为射频应用的主流技术。

相比于4G，5G的通信频段往高频波段迁移，而氮化镓射频器件更能有效满足高功率、高通信频段和高效率等要求，在宏基站和回传领域将占据主导位置。伴随5G基础设施建设，中国氮化镓射频器件市场将实现快速发展。

根据工信部统计，截至2021年上半年，我国移动通信基站总数达948万站，其中5G基站总数达96.1万站，我国已开通5G基站数量全球排名第一。GaNHEMT是5G基站射频功放主流技术，碳化硅衬底作为主流解决方案，市场空间将持续突破。

根据东吴证券测算，到2023年，中国5G射频领域碳化硅衬底市场规模将达到20.9亿元，2020-2023年CAGR达17.4%。

据中金测算，2021年全球SiC衬底产能约为51万片每年，并在积极扩产之中。若2022年仅光伏+新能源车应用便带来4.5万片/月6英寸SiC衬底产能需求（良率已考虑在内，对应年产能约54万片/年），且下游需求端开始加速起量，行业供需可能持续存在缺口，当前上游材料供给端受限依然是SiC下游落地的主要掣肘。反映到成本上来看，我们认为SiC器件紧张的供需环境（主要归因于衬底的紧缺）使其价格下降在未来2年内依然难出现明显加速趋势。

（1）导电型SiC衬底：

美国科锐公司（Wolfspeed）占据了60%以上的市场份额，基本控制了国际碳化硅单晶的市场价格和质量标准。其他公司包括：美国二六（II-VI）、德国SiCrystalAG、道康宁（DowCorning）、日本新日铁等。主流产品已经完成从4寸向6寸的转化。

国内公司：总体处于发展初期，主要以4英寸小尺寸产能为主。2018年，天科合达以1.7%的市场占有率排名全球第六、国内第一。其他公司包括山东天岳（天越先进）、河北同光、世纪金光、中电集团2所等。

根据山东天岳先进科技股份有限公司公告，公司于近日与某客户签订了一份长期协议，约定2023年至2025年公司及上海天岳向合同对方销售6英寸导电型碳化硅衬底产品，按照合同约定年度基准单价测算（美元兑人民币汇率以6.7折算），预计含税销售三年合计金额为人民币13.93亿元。天越先进近日点燃碳化硅市场炒作行情，就是因为其在导电型SIC衬底上实现了放量。

（2）半绝缘型SiC衬底

全球市场美国科锐（WOLFSPEED）、贰陆公司（II-VI）依旧合计占据近70%的市场份额。国内公司山东天岳（天越先进）已挤进全球前三，2020年市占率达30%。

（3）碳化硅器件

目前，SiC器件的市场份额还主要由国外公司占据，根据Yole的数据，2021年海外公司Infineon、STMicroelectronics、Onsemi、Wolfspeed、Rohm在全球碳化硅器件的市场份额合计占比达到88%。

二极管设计方面，国内企业已经有较广泛的布局，电压范围覆盖650V-1200V，电流范围覆盖2A-20A，并提供TO-220/247-252等多种封装形式。但整体来看，在高压领域（1200V以上）布局企业较少，大电流（20A）以上布局企业较少，目前对一些特殊应用支持能力缺乏（如1500V的光伏系统、轨道交通、电网）。

从性能指标来看，部分指标仍与海外公司有较大差距，如总电荷（Qc，影响开关速度），浪涌电流（决定过载能力，部分逆变场景要求较高）、以及雪崩性能等。目前来看，泰科天润、瞻芯电子、基本半导体、华润微、三安光电及扬杰科技拥有制造产线，其中泰科天润、三安光电、华润微的产品通过了车规级认证（制造端IATF16949，设计端AEC-Q101）。

在MOSFET设计领域，由于器件结构更加复杂，工艺技术不稳定，即便目前海外企业已有5-10年的量产经验积累，部分企业仍然停留在可靠性较高的平面型结构（Wolfspeed、Onsemi都是典型的例子），部分企业在沟槽型路线上进行多次技术迭代（如Rohm，意法半导体等）。主流企业来看，目前基本实现了SiCMOSFET应用在新能源车主逆变器中的突破。从SiCMOSFET的技术发展来看，我们认为主要需要经过以下三个阶段：

1）小电流的SiCMOSFET在工业化领域的规模化应用经验，如光伏逆变器、电动汽车充电桩等，内阻在40毫欧以上；

2）开发大电流的SiCMOSFET（比如15毫欧以下，单管电流通过能力超过100A以上的器件)；

3）开发大功率SiCMOSFET模块（例如将多个10-15mohmSiCMOSFET集成到一个模块中，从半桥模块过度到三相全桥模块，形成下游客户习惯的三相全桥器件，满足当下车用主逆变器的供应能力，未来封装形式上还需要近一步优化迭代）。

根据泰科天润估计，每个里程碑的实现需要耗费大约1年的时间，因此要达到电动汽车逆变器的国际巨头过去几年达到的高度，至少还需3-4年的时间。目前主要国内企业设计水平基本还停留在第一或第二阶段，我们认为国产SiCMOSFET产品进入汽车主逆变器领域至少要到2023年下半年。

参考资料：

20220226-东吴证券-海外观察系列一：从wolfspeed发展看碳化硅国产化

20220302-浙商证券-碳化硅行业深度报告：碳化硅衬底-新能源车+光伏需求即将兴起，国产替代有望突破

本报告由研究助理协助资料整理，由投资顾问撰写。投资顾问：黄波（登记编号：A0740620120007）