1、请务必阅读正文之后的免责条款部分 摘要：第三代半导体材料是以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件，具有耐高压、耐高温、能量损耗低、功率密度高等优势，可实现功率模块小型化、轻量化。主要应用于新能源汽车/充电桩、光伏发电、智能电网、轨道交通、航空航天等领域。凭借性能优势碳化硅功率器件有望迎来快速发展。2021 年全球第三代功率半导体市场渗透率约为 4.6%-7.3%，较 2020 年渗透率提升约 2%。根据 Yole 数据，2021 年全球碳化硅功率器件市场规模约为 10.90 亿美元，2027 年全球导电型碳化硅功率器件市场空间有望突破至 62.9

2、7 亿美元，六年年均复合增速约为 34%。碳化硅器件“上车”加快，800V 高压平台蓄势待发。功率器件主要应用于新能源车的主驱逆变器、车载充电机、DC/DC 转换器和非车载充电桩等关键电驱电控部件。尽管SiC MOSFET 价格相比于 Si IGBT 价格仍然较高，但碳化硅功率器件在耐压等级、开关损耗和耐高温性方面具备明显优势。新能源汽车已成为碳化硅功率器件最主要的市场。在目前各大主流车厂积极布局 800V 电压平台的背景下，碳化硅的性价比突出，市场前景广阔。配套的直流充电桩市场将进一步加速碳化硅需求增长。碳化硅“追光”，拓展光伏储能新应用场景。碳化硅功率模块可使逆变器转换效率提升至99%以上

3、，能量损耗降低 30%以上，同时具备缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低系统散热要求等优势。根据 CASA 数据，2021 年中国光伏领域第三代功率半导体的渗透率超过 13%，市场规模约 4.78 亿元，预计 2026 年光伏用第三代半导体市场空间将接近 20 亿元，五年 CAGR 超过 30%。另外，随着可再生能源发电占比提高以及智能电网的应用，储能系统与电力电子变压器进一步拓宽了碳化硅的市场。风险提示：国产替代不及预期；800V 技术渗透不及预期；成本下降不及预期；行业竞争加剧。作者 石岩 庞钧文 马铭宏 0755-239

4、76068 相关报告 电气设备国内外共振，充电桩进入发展快车道 2023.03.31 电气设备国内外共振，充电桩进入发展快车道 2023.03.11 电气设备主齿轮箱滑轴订单落地，替代发展提速 2022.12.29 电气设备度过供给侧瓶颈，一体化迎接量利齐升 2022.12.27 电气设备渗透率持续提升，国产微逆扬帆远航 2022.12.22 碳化硅行业专题 第三代半导体明日之星，“上车+追光”跑出发展加速度 相关行业：电气设备 2023.05.06 行业专题 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 of 20 目 录 1.碳化硅第三代半导体的明日之星.3 2.碳化硅器件“上车”加快，800V

5、高压平台蓄势待发.9 3.碳化硅“追光”，拓展光伏储能新应用场景.16 4.风险提示.19 FZgVYZiYeXFZlYYZmU8Z7NbP7NnPnNpNpMkPqQmRjMrRpR7NqRrRNZtRvNxNmPyQ 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 of 20 1.碳化硅第三代半导体的明日之星 根据研究和规模化应用的时间先后顺序，业内将半导体材料划分为三代。常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等材料，第一代半导体材料以硅和锗等元素半导体为代表。第一代半导体主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中，被广泛应用于集成电路

6、。硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料，市场占比达到 90%以上。第二代半导体材料以砷化镓为代表。相较硅材料它具有直接带隙，电子迁移率是硅的 6 倍，因此具有高频、高速的光电性能，被广泛应用于光电子和微电子领域。砷化镓是制作半导体发光二极管和通信器件的关键衬底材料。第三代半导体材料是指以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料。碳化硅有多种晶型，4H-SiC 和 6H-SiC 已经开始商用，其中 4H-SiC 广泛应用于制造功率半导体器件。采用第三代半导体材料制备的半导体器件能够在高温下稳定工作，适用于高压、高频场景。表 1：第三代半导体材料禁带宽度大 指标参数 Si GaAs 6

7、H-SiC 4H-SiC GaN 禁带宽度(eV)1.12 1.43 3.03 3.26 3.45 介电常数 11.9 13.1 9.66 10.1 9 击穿电场强度(kV/cm)300 400 2500 2200 2000 热导率(W/(cmK)1.5 0.46 4.9 4.9 1.3 饱和电子漂移速率(107cm/s)1 1 2 2 2.2 数据来源：宽禁带半导体 ZnO、GaN 及其相关材料的微结构调控与性能研究，国泰君安证券研究 碳化硅材料性能优势引领功率器件新变革。功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件，具有耐高压、耐高温、能量损耗

8、低、功率密度高等优势，可实现功率模块小型化、轻量化。相同规格的碳化硅基 MOSFET 与硅基 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 of 20 MOSFET 相比，其尺寸可大幅减小至原来的 1/10，导通电阻可至少降低至原来的 1/100。相同规格的碳化硅基 MOSFET 较硅基 IGBT 的总能量损耗可大大降低 70%。表 2：SiC 制成的功率器件性能优势明显 材料指标 用碳化硅制备器件的性能优势 击穿场强高 可提高耐压容量、工作频率和电流密度 并大大降低器件的导通损耗 禁带宽度大 极限工作温度高 热导率高 对散热的设计要求更低，有助于实现设备的小型化 饱和电子漂移速率快 可以实现更高的工

9、作频率和更高的功率密度 数据来源：天岳先进招股说明书，国泰君安证券研究 图 1：碳化硅基功率器件厚度可降至硅基功率器件的 1/10 数据来源：ROHM 碳化硅衬底可分为半绝缘型和导电型。其中，在导电型衬底上生长碳化硅外延层即可得到碳化硅外延片，进一步可制造肖特基二极管、MOSFET、IGBT 等各类功率器件，应用于新能源汽车、充电桩、光伏发电、智能电网、轨道交通、航空航天等领域。请务必阅读正文之后的免责条款部分 5 of 20 图 2：碳化硅衬底可分为半绝缘型和导电型，应用于不同领域 数据来源：天科合达招股说明书，国泰君安证券研究 碳化硅功率器件主要包括功率二极管和晶体管。碳化硅二极管因工艺难

10、度较低，起步时间较早，目前发展已经相对成熟。碳化硅晶体管包括MOSFET、IGBT 等。SiC MOSFET 由于较低的开关损耗，更适合应用于高频工作；SiC IGBT 由于较低的导通损耗，在智能电网等高功率领域更具优势。2010 年，日本 ROHM 公司和美国 Cree 公司率先实现了 SiC MOSFET 商业化应用，目前 SiC MOSFET 是最为成熟、应用最广的碳化硅功率开关器件。表 3：功率器件分为二极管和晶体管 种类 特点 PiN 二极管 高耐压大电流，反向恢复产生损耗大 肖特基势垒二极管(SBD)开关速度快，导通损耗小，耐压较低 结型势垒肖特基二极管(JBS)结合前两者优点，多

11、用于低压领域 混 PiN/肖特基二极管(MPS)结合前两者优点，可用于中高压领域 MOSFET 具有高耐压、高耐温、高频工作特性，适用于中高压领域 IGBT 结合 MOSFET 和 BJT 的优点，适用于 高压大电流场合 请务必阅读正文之后的免责条款部分 6 of 20 数据来源：碳化硅电力电子器件及其在电力电子变压器中的应用，国泰君安证券研究 碳化硅功率器件生产厂商以欧美日企业为主，2021 年全球 CR5 达到96%。根据 Yole 数据，2021 年全球导电型碳化硅功率器件市场份额基本由意法半导体、英飞凌、Wolfspeed、罗姆、安森美、三菱电机等海外厂商垄断。国内碳化硅功率器件主要厂

12、商包括比亚迪半导体、斯达半导、时代电气等企业。图 3：2021 年全球导电型碳化硅功率器件市场由海外厂商主导 数据来源：Yole，国泰君安证券研究 碳化硅基 MOSFET 价格仍数倍于硅基 IGBT 价格。目前在上游衬底环节，最成熟的碳化硅 PVT 技术生晶速度约为 0.2-0.4mm/h，远慢于硅基拉棒速度，且温度较难控制，易生成杂质晶型，导致碳化硅衬底良率低于硅基衬底。此外碳化硅衬底加工切片、薄化和抛光等技术也有待改进。所以目前碳化硅功率器件价格相较于同规格硅基器件仍有数倍差距，一定程度上限制了碳化硅器件渗透率的提高。表 4：目前 SiC MOSFET 价格仍较高 厂商 产品型号 产品类型

13、 产品参数 渠道含税报价（元/个）STMicroelectronics STGYA50H120DF2 Si IGBT 1200V 100A 79.0209 Wolfspeed C3M0021120K SiC MOSFET 1200V 100A 292.1163 ROHM RGTH80TS65GC11 Si IGBT 650V 70A 34.3294 请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 of 20 ROHM SCT3030AW7TL SiC MOSFET 650V 70A 313.1569 数据来源：Mouser，国泰君安证券研究 凭借性能优势碳化硅功率器件已逐步拓展应用。经过数十年发展，硅基

14、电力电子性能已接近其理论极限，难以满足迅速增长和变化的电能应用需求。碳化硅功率器件凭借其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，逐渐得到更广泛的应用。根据 CASA 数据，2021 年全球第三代功率半导体市场渗透率约为 4.6%-7.3%，较 2020 年渗透率提升约 2%。图 4：碳化硅功率器件应用领域广泛 数据来源：Semishare 官网、Yole 请务必阅读正文之后的免责条款部分 8 of 20 全球碳化硅功率半导体器件市场空间有望快速扩张。市场空间方面，根据 Yole 数据，2021 年全球碳化硅功率器件市场规模约为10.90 亿美元，同比增长 57%。2027 年全球导电型碳化硅功率器

15、件市场空间有望突破至 62.97 亿美元，六年年均复合增长率约为 34%。市场结构方面，新能源汽车应用主导碳化硅功率器件市场，2021 年车用碳化硅功率器件占整个 SiC 功率器件市场的 63%，预计 2027 年占比提升至 79%。其他下游应用包括光伏发电、智能电网及轨道交通等领域。图 5：2021-2027 年全球导电型碳化硅功率器件市场空间CAGR 约 34%（单位：百万美元）数据来源：Yole，国泰君安证券研究 中国 2021 年第三代半导体功率器件市场规模超过70 亿元。根据 CASA数据，2021 年国内 SiC、GaN 功率半导体市场规模约为 71.1 亿元，同比增长51.9%，

16、第三代半导体在电力电子领域渗透率超过2.3%，较2020年提高了 0.7%。2021 年到 2026 年，第三代半导体电力电子市场有望保持约 40%的年均增速，2026 年市场空间有望达到 500 亿元。新能源汽车/充电桩市场是增长动力的最重要来源。请务必阅读正文之后的免责条款部分 9 of 20 图 6：2026 年我国第三代半导体电力电子市场空间有望达到 500 亿元 图 7：新能源汽车是我国第三代半导体电力电子最主要的应用市场 数据来源：CASA、国泰君安证券研究 数据来源：CASA、国泰君安证券研究 2.碳化硅器件“上车”加快，800V 高压平台蓄势待发 碳化硅功率器件主要应用于新能源

17、车的电驱电控系统。相较于传统硅基功率半导体器件，碳化硅功率器件在耐压等级、开关损耗和耐高温性方面具备明显的优势，有助于实现新能源车电力电子驱动系统轻量化、高效化，广泛应用于新能源车的主驱逆变器、OBC、DC/DC 转换器和非车载充电桩等关键电驱电控部件。图 8：碳化硅在新能源车的电驱系统中广泛应用 数据来源：ROHM 新能源车是碳化硅功率器件最大的下游终端市场。根据 Yole 数据，2021年全球新能源汽车碳化硅市场规模为 6.85 亿美元，到 2027 年全球新能源车碳化硅市场空间将接近 50 亿美元，六年复合增速达 39%。具体到零部件来看，逆变器中碳化硅价值量占比高达 90%，OBC 和

18、 DC/DC转换器中的碳化硅价值量较低。请务必阅读正文之后的免责条款部分 10 of 20 图 9：2027 年全球车载碳化硅市场空间约 50 亿美元 图 5：逆变器是需求碳化硅最主要的零部件 数据来源：Yole、国泰君安证券研究 数据来源：Yole、国泰君安证券研究 新能源车车载碳化硅器件渗透有望加速。2018 年特斯拉率先在 Model 3 中将 IGBT 模块换成了 SiC MOSFET 模块，自此主流新能源车厂商纷纷布局碳化硅车型。根据 CASA 数据，当前碳化硅应用范围逐步从高端车型下探。续航里程在 500km 以下的新能源车型有望逐步实现碳化硅功率器件的应用。表 5：碳化硅在新能源

19、车中的渗透率持续提升 车型续航里程 渗透率情况 500km 以上 到 2023 年，电机控制器 SiC 渗透率有望达到 100%400km-500km 在 2023 年左右，电机控制器将开始使用 SiC 功率半导体，整体渗透率在 40%左右 400km 以下 将在 2025 年以后使用 SiC 功率半导体，整体渗透率小于 10%数据来源：CASA，国泰君安证券研究 电车逆变器中应用碳化硅功率半导体器件性价比较高。虽然目前 SiC MOSFET 价格相比于 Si IGBT 价格仍然较高，但使用碳化硅功率器件之后，整车端可以减小冷却系统和功率模块的体积，降低驱动系统的能量损耗。据 Wolfspee

20、d 测算，当纯电动汽车逆变器的功率模块全部采用SiC之后，可以显著降低电力电子系统的体积和重量，提升整车 5%-10%的续航里程。根据 ROHM 的试验结果，采用 SiC MOSFET 替代 IGBT，车辆行驶的综合电费成本可节约 6%，其中在市区内可节约 10%。请务必阅读正文之后的免责条款部分 11 of 20 图 11：应用 SiC MOSFET 车辆行驶电耗较低 图 6：应用 SiC MOSFET 的逆变器效率明显提高 数据来源：ROHM 数据来源：ROHM 表 6：使用 SiC MOSFET 替换 IGBT 可以降低电费与电池成本 使用器件 电费 每公里的电费 10000km 100

21、kWh 电池 第四代 SiC MOSFET 7.11km/kWh 3.52 日元/km 35200 日元 94.5 万日元 IGBT 6.72km/kWh 3.72 日元/km 37200 日元 100 万日元 数据来源：ROHM（假设电费为 25 日元/kWh，电池为 100 万日元/100kwh），国泰君安证券研究 OBC 使用碳化硅功率器件，具备全生命周期降本优势。OBC 主要负责将地面电网输入的交流电转化为直流电供给车载动力电池进行充电，其重量、尺寸和效率对于新能源车至关重要。根据 Wolfspeed，全 SiC 单向OBC较Si/SiC混合单向 OBC成本节约10%，功率密度提升约5

22、0%，效率提升约 2%，全生命周期内可带来$435 的成本节约。对于 22kW 双向 OBC，使用 SiC 还可降低功率半导体数量，节省约 20%的系统成本。图 7：OBC 是电驱电控系统关键零部件之一 数据来源：Wolfspeed 请务必阅读正文之后的免责条款部分 12 of 20 表 7：应用 SiC 的单向 OBC 全生命周期成本优势显著 项目 硅/碳化硅混合 纯碳化硅 系统成本 100%90%，0.99 0.99 请务必阅读正文之后的免责条款部分 17 of 20 输出电压 480Vac 480Vac 额定工作温度-30-60（大于45额定功率降低）-30-60 冷却系统 强制风冷 强

23、制风冷 重量 173kg 33kg 功率密度 0.3kW/kg 1.5kW/kg 体积 0.41m3 0.09m3 数据来源：Wolfspeed，国泰君安证券研究 光伏逆变器龙头厂商积极布局基于碳化硅的逆变器产品。2019 年，阳光电源在国际光伏欧洲展上首次推出了SG250HX 型号光伏组串式逆变器，该款逆变器采用了英飞凌公司碳化硅技术，支持 1500V 高压直流输入和 800V 交流电压输出，系统效率最高可达到 99%，仅重 95kg，尺寸为 1051mm660mm363mm，功率密度达 1000W/L。台达M70A 系列三相光伏组串逆变器产品也采用了安森美半导体的碳化硅技术，能量转换效率最

24、高可达 98.8%。图 19：阳光电源 SG250HX 型号产品采用了碳化硅技术 数据来源：阳光电源，国泰君安证券研究 光伏第三代半导体功率器件市场前景广阔。光伏电站直流端电压等级逐渐从 1000V 提升至 1500V，未来有望再提升至 2000V。大电压环境下碳化硅功率器件的性能优势凸显。伴随光伏逆变器出货量的快速增长以及碳化硅功率器件渗透率的提升，光伏碳化硅功率器件市场将迅速成长。请务必阅读正文之后的免责条款部分 18 of 20 根据 CASA 数据，2021 年中国光伏领域第三代功率半导体的渗透率超过 13%，市场规模约 4.78 亿元，同比增长 56%，预计 2026 年光伏用第三代

25、半导体市场空间将接近 20 亿元，五年 CAGR 超过 30%。图 8：全球光伏逆变器出货量快速增长 图 9：光伏逆变器中碳化硅功率器件占比将快速提升 数据来源：中商情报网，国泰君安证券研究 数据来源：天科合达招股说明书，国泰君安证券研究 储能进一步拓宽了碳化硅的市场。随着可再生能源发电占比提高，储能系统成为刚需，在中欧美等全球主要市场呈爆发式增长。储能系统中，需使用 DC/DC 升压转换器，双向逆变器等关键零部件，碳化硅功率器件进一步打开了市场空间。图 10：储能系统中需使用升压转换器和双向逆变器 数据来源：Wolfspeed 碳化硅功率器件助力 PET 应用落地，将受益于智能电网领域。PE

26、T（power electronic transformer）即电力电子变压器，也称为固态变压器。相较于传统工频交流变压器，PET 除了具备电压变换和电气隔离功能之外，还能实现故障切除、交流侧功率调控、分布式可再生能源接 请务必阅读正文之后的免责条款部分 19 of 20 入、与其他智能设备互联通讯等功能。PET 具备高频工作特性，相较传统变压器，其体积显著减小、质量显著减轻。PET 目前集中应用于智能电网/能源互联网、电力机车牵引用的车载变流器系统和分布式可再生能源发电并网系统等中、高压大功率的场合。碳化硅器件是简化电力电子变流器拓扑结构的重要方向，PET 有望成为碳化硅又一增量市场。图 2

27、3：第三代半导体可用于电力电子变压器 数据来源：碳化硅电力电子器件及其在电力电子变压器中的应用 4.风险提示 国产替代不及预期。碳化硅功率半导体行业属于技术密集型行业，若国内技术研发进展不及预期，国产替代进程受阻。800V 技术渗透不及预期。新能源汽车 800V 架构和 800V 快充技术渗透不及预期，将影响碳化硅功率半导体发展。成本下降不及预期。碳化硅功率半导体生产成本高，若成本下降不及预期，将导致下游应用的渗透放缓。行业竞争加剧。国内外企业积极扩产，若未来行业竞争加剧导致产能过剩，企业盈利能力将会下降。请务必阅读正文之后的免责条款部分 20 of 20 本公司具有中国证监会核准的证券投资咨

28、询业务资格本公司具有中国证监会核准的证券投资咨询业务资格 分析师声明分析师声明 作者具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力，保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于作者的职业理解，本报告清晰准确地反映了作者的研究观点，力求独立、客观和公正，结论不受任何第三方的授意或影响，特此声明。免责声明免责声明 本报告仅供国泰君安证券股份有限公司（以下简称“本公司”）的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为本公司的当然客户。本报告仅在相关法律许可的情况下发放，并仅为提供信息而发放，概不构成任何广告。本报告的信息来源于已公开的资料，本公司对该等信息的准确性、完整性或可

29、靠性不作任何保证。本报告所载的资料、意见及推测仅反映本公司于发布本报告当日的判断，本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可升可跌。过往表现不应作为日后的表现依据。在不同时期，本公司可发出与本报告所载资料、意见及推测不一致的报告。本公司不保证本报告所含信息保持在最新状态。同时，本公司对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改，投资者应当自行关注相应的更新或修改。本报告中所指的投资及服务可能不适合个别客户，不构成客户私人咨询建议。在任何情况下，本报告中的信息或所表述的意见均不构成对任何人的投资建议。在任何情况下，本公司、本公司员工或者关联机构不承诺投资者一定获利，不与投资者分享投资收

30、益，也不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何责任。投资者务必注意，其据此做出的任何投资决策与本公司、本公司员工或者关联机构无关。本公司利用信息隔离墙控制内部一个或多个领域、部门或关联机构之间的信息流动。因此，投资者应注意，在法律许可的情况下，本公司及其所属关联机构可能会持有报告中提到的公司所发行的证券或期权并进行证券或期权交易，也可能为这些公司提供或者争取提供投资银行、财务顾问或者金融产品等相关服务。在法律许可的情况下，本公司的员工可能担任本报告所提到的公司的董事。市场有风险，投资需谨慎。投资者不应将本报告作为作出投资决策的唯一参考因素，亦不应认为本报告可以取代自己的判断。在

31、决定投资前，如有需要，投资者务必向专业人士咨询并谨慎决策。本报告版权仅为本公司所有，未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、发表或引用。如征得本公司同意进行引用、刊发的，需在允许的范围内使用，并注明出处为“国泰君安证券研究”，且不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删节和修改。若本公司以外的其他机构（以下简称“该机构”）发送本报告，则由该机构独自为此发送行为负责。通过此途径获得本报告的投资者应自行联系该机构以要求获悉更详细信息或进而交易本报告中提及的证券。本报告不构成本公司向该机构之客户提供的投资建议，本公司、本公司员工或者关联机构亦不为该机构之客户因使用本报告或报告所载内容引起的任何损失承担任何责任。国泰君安证券研究所国泰君安证券研究所 上海上海 深圳深圳 北京北京 地址 上海市静安区新闸路 669 号博华广场20 层 深圳市福田区益田路 6003 号荣超商务中心 B 栋 27 层 北京市西城区金融大街甲 9 号 金融街中心南楼 18 层 邮编 200041 518026 100032 电话（021）38676666（0755）23976888（010）83939888 E-mail：