1、 1 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 助力 800V 高压平台升级，SiC 车规级应用渗透率加速提升 800V 平台可有效解决电动车里程焦虑、快充速度问题，车企纷纷布局：续航能力和充电时长是影响电动车普及程度的重要因素，现阶段新能源车的续航里程大约为500-600km，无法满足城际间长里程驾驶需求；另外由于新能源车补能效率较低，燃油车的加油时间仅为 5 分钟左右，而新能源车充电通常需要60分钟，提升电压平台可提升整车运行效率及充电速度。以保时捷为例，保时捷将电压平台从400V提高至800V 后，实现300kW充电功率，可以在22.5 分钟内把Taycan Tur
2、bo S容量93.4kWh的动力电池从5%充至80%，提供300 公里的续航能力，高压线束的截面积仅为 400V 架构下的二分之一，线束减重 4kg。吉利极氪、小鹏汽车、广汽埃安、比亚迪、理想汽车、北汽极狐、岚图等车企也相继投资800V电压架构产品，并逐步计划量产。 采用碳化硅器件并未提高整车成本：目前单个碳化硅功率器件的价值量约为硅基IGBT 的3 倍，但主机厂通常从整车成本考虑，采用碳化硅能带动整车系统效率提升，从而降低系统其他部分成本。根据产业调研，在中高端车型中使用硅基 IGBT 的总体成本约为3000 元左右，碳化硅器件成本约为硅基IGBT 的3 倍，在相同性能的产品中，使用碳化硅器
3、件可使汽车续航能力提升5-10%，以5%的性能提升计算，对应电池端即可节省4000-5000 元，碳化硅耐高压和耐高温特性可使得电缆、散热系统等成本降低，仅散热系统即可节省1000 元左右，综合成本可抵消器件本身成本的增加。使用碳化硅并不会增加整车成本，这为行业发展带来长久动力。 碳化硅成本下降空间大，800V 架构车型有望向经济型下沉：目前碳化硅衬底制作难，长晶速度慢导致成本过高，是影响碳化硅器件渗透率的主要因素，现阶段采用碳化硅器件的多为中高端车型。未来随着碳化硅衬底工艺提升、尺寸扩大及行业产能增加，势必带来产品成本降低，经济型电动车也将有望搭载高压方案。目前 6 寸导电型衬底片的市场零售
4、价约 1000 美元/片，据产业调研，到2025 年价格有望下降至500美元以下，硅基和SiC基的成本差距会在2 倍内，届时碳化硅器件更据优势，渗透率将有望持续提升。 投资建议：建议关注闻泰科技、露笑科技、三安光电、时代电气、斯达半导、天科合达（未上市）、山东天岳（未上市）等公司。 Table_Tit le 2021 年12月31日 半导体 Table_BaseI nfo 行业深度分析 证券研究报告 投资评级 领先大市-A 维持评级 Table_Fir st St ock 首选股票 目标价 评级 Table_Char t 行业表现 资料来源：Wind资讯 % 1M 3M 12M 相对收益 -7
5、.14 2.99 30.88 绝对收益 -6.07 3.35 26.38 相关报告 SiC 衬底-产业瓶颈亟待突破，国内厂商加速追赶 2021-11-23 市场空间巨大，SiC 国产化趋势加速 2021-11-06 -13%-4%5%14%23%32%41%50%2020-12 2021-04 2021-08半导体(中信) 沪深300 2 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 风险提示：新能源汽车发展不及预期；800V 架构产品量产不及预期；SiC技术难度大，产品研发、量产不及预期；SiC渗透率不及预期。 oPoQpNrPmQwOmOnRqRmQsPbR9RbRmOq
6、QmOsQiNoOrQeRrRsO6MoPmNvPqRtNuOsOrO行业深度分析/半导体 3 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 内容目录 1. 新能源汽车向 800V高电压平台演变，对功率器件要求持续提高 . 5 1.1. 电压平台演变历史：从量变到质变 . 5 1.2. 电压高压化：里程焦虑、充电速度慢问题的最好解决方案 . 6 1.3. 相较于提高电流，高电压仍为未来发展趋势 . 8 1.4. 400V 电压平台下功率器件使用情况 . 8 1.5. 800V 电压平台下的电动车部件升级 . 10 2. 碳化硅物理特性优良，适合制备高温、高压、高频器件.11
7、2.1. 碳化硅：第三代半导体材料，具备耐高压、高温等优点.11 2.2. 碳化硅二极管可替换快速恢复二极管，在高频高压情况下表现优异 . 12 2.3. 碳化硅 MOSFET 在性能上优于 IGBT . 14 3. 碳化硅在高压车型渗透率提升趋势明显 . 16 3.1. 高压车型不断推出，碳化硅渗透趋势明显 . 16 3.2. 使用碳化硅并未增加整车成本 . 20 4. 新能源车用碳化硅市场预测. 20 4.1. 碳化硅成本下降趋势可期 . 20 4.2. 800V 电压平台大力带动碳化硅市场 . 21 5. 相关企业. 22 5.1. 闻泰科技 . 22 5.2. 露笑科技 . 22 5.
8、3. 三安光电 . 23 5.4. 时代电气 . 24 5.5. 斯达半导 . 25 5.6. 天科合达 . 25 5.7. 山东天岳 . 26 6. 风险提示. 27 图表目录 图 1：燃油车电压等级升级历程 . 5 图 2：48V系统架构 . 5 图 3：高压系统器件. 5 图 4：电动车高压架构 . 5 图 5：纯电动车型的电压等级. 6 图 6：高压平台减少线束用量. 8 图 7：新能源车中的电能转换过程. 9 图 8：新能源车中的功率器件. 9 图 9：新能源车的电机驱动系统 . 9 图 10：电驱系统示意图 . 9 图 11：车载 DC-DC. 10 图 12：电池包 . 10 图
9、 13：方形锂电池发热分布 . 10 图 14：400V-800V需要升级的零部件和元器件 .11 图 15：Si 和 SiC 的额定电压范围（二极管）. 12 图 16：SiC Forward Current IF versus VF (650V/10A). 13 行业深度分析/半导体 4 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 17：Si Forward Current IF versus VF (600V/10A) . 13 图 18：Si FRD 温度依存性 . 13 图 19：SiC SBD 温度依存性 . 13 图 20：Si FRD 正向电流依存性 .
10、 14 图 21：SiC SBD 正向电流依存性 . 14 图 22：Si MOSFET、 SiC MOSFET、IGBT 的额定电压范围对比. 15 图 23：各器件的 VDS-ID 特性（常温条件下 25） . 15 图 24：各器件的 VDS-ID 特性（高温条件下 150） . 15 图 25：SiC MOSFET、Si MOSFET 、 Si IGBT 的标准化 RDS(on) 温度特性. 16 图 26：400V 过渡至 800V 的架构. 17 图 27：碳化硅在电动汽车中的应用. 18 图 28：比亚迪汉采用 SiC MOSFET 模块. 18 图 29：碳化硅电机体积对比 .
11、 18 图 30：碳化硅 OBC. 19 图 31：充电桩 AC/DC 设计 . 19 图 32：汽车成本拆分. 20 图 33：动力电池平均售价. 20 图 34：碳化硅器件的成本结构. 21 图 35：2013-2020 年新能源汽车销量及增长率 . 22 图 36：2021 年新能源汽车产销量 . 22 图 37：2016-2021Q1-3 闻泰科技营业收入情况 . 22 图 38：2016-2021Q1-3 闻泰科技归母净利润情况. 22 图 39：2015-2021Q1-3 露笑科技营业收入情况 . 23 图 40：2015-2021Q1-3 露笑科技归母净利润情况. 23 图 41
12、：三安光电产业布局图 . 23 图 42：2015-2021Q1-3 三安光电营业收入情况 . 24 图 43：2015-2021Q1-3 三安光电归母净利润情况. 24 图 44：2017-2021Q1-3 时代电气营业收入情况 . 24 图 45：2017-2021Q1-3 时代电气归母净利润情况. 24 图 46：斯达半导发展历程. 25 图 47：2016-2021Q1-3 斯达半导营业收入情况 . 25 图 48：2016-2021Q1-3 斯达半导归母净利润情况. 25 图 49：2015-2021Q1-3 天科合达营业收入情况 . 26 图 50：2015-2021Q1-3 天科
13、合达归母净利润. 26 图 51：山东天岳营业收入情况. 26 图 52：山东天岳归母净利润情况 . 26 表 1：新能源各车型续航里程. 7 表 2：新能源各车型充电时间. 7 表 3：半导体材料的指标参数对比.11 表 4：IGBT 和碳化硅 MOSFET 电气特性参数 . 14 表 5：国内车企布局碳化硅器件进展 . 16 行业深度分析/半导体 5 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 1. 新能源汽车向800V高电压平台演变，对功率器件要求持续提高 1.1. 电压平台演变历史：从量变到质变 在燃油车时代，通过升高电压的方式实现电能的大功率传输，满足汽车供电需求
14、。1918 年，汽车引入蓄电池，其电压仅为 6V；随着汽车电器如车灯、照明、ISG 等用电器件的增加，6V低电压系统无法满足车用电器功率要求，加之电气化部件的大量集成，1950 年汽车电压平台升级为 12V；二十世纪九十年代，出现 42V汽车电压平台，但是由于零部件升级电压规格成本高而未能实现；2010 年前后，在信息娱乐、混动的需求背景下，欧洲发起48V电压系统升级，Audi, BMW, Daimler, Porsche, Volkswagen 联合推出 48V系统，与 12V电压平台共存；2020 年，各国节能法规的颁布推动 48V低电压平台发展。 图 1：燃油车电压等级升级历程 图 2：
15、48V 系统架构 资料来源：第一电动，安信证券研究中心 资料来源：第一电动，安信证券研究中心 随着车载电器数量的增多，以及自动驾驶、节油减耗等要求的提出，电动汽车的电压平台将逐渐由 400V升高至 800V，以分担蓄电池的工作压力。纯电动汽车中成百上千个电池串并联形成超百伏的电池包，其高压系统主要包括动力电池、配电盒、OBC、DCDC、电驱、PTC、空调、充电口等。 图 3：高压系统器件 图 4：电动车高压架构 资料来源：第一电动，安信证券研究中心 资料来源：汽车之家，安信证券研究中心 目前，电动车根据带电量不同选择不同的电压等级。一般小型代步车的电压为 48V、60V和72V；乘用车的电压范
16、围大约为 250-450V；大巴车、公交车等由于带电量高，其基本电压为450-700V。在未来，随着对续航里程、充电速度要求的提高，电动车电压有望升至行业深度分析/半导体 6 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 800V-1000V。 图 5：纯电动车型的电压等级 资料来源：第一电动，安信证券研究中心 国内外车企纷纷布局 800V高电压平台。2019年 4 月保时捷 Taycan Turbo S 全球首发，业内最先量产 800V高电压平台的汽车，将最大充电功率提升到350kW，可以在 22.5 分钟内把 Taycan Turbo S 容量 93.4kWh 的动力电池
17、从 5%充至 80%，提供 300 公里的续航能力。2020 年12 月，现代汽车集团推出全新电动汽车专用平台 “E-GMP” ，该平台同样搭载可以实现最大 800V 多功能充电系统。Rivian 和通用也已经计划将电压改为 800V。国内，吉利极氪、小鹏汽车、广汽埃安、比亚迪e 平台、理想汽车、北汽极狐、岚图等车企也已经布局了 800V快充技术。 1.2. 电压高压化：里程焦虑、充电速度慢问题的最好解决方案 续航能力是决定新能源汽车普及程度的重要因素。大部分新能源汽车的续航里程低于 600公里，低于燃油车的续航里程，难以满足城际间的长里程行驶需求。目前，市场上较畅销的新能源车型包括特斯拉、比
18、亚迪、蔚来、小鹏等，其中，比亚迪唐和比亚迪宋的续航里程为505公里；特斯拉的续航里程范围为 545-675km；小鹏 P5 续航里程600km。新能源车的续航里程仍有较大的上升空间，不足以满足未来人们长里程驾驶需求。 行业深度分析/半导体 7 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 表 1：新能源各车型续航里程 品牌 车型 技术路线 售价（万元） 续航（km） 比亚迪 唐 DM-i PHEV 18.98-31.48 505 宋 PLUS DM-i PHEV 14.68-19.98 505 特斯拉 Model 3 EV 26.67-33.99 556/675 Model
19、Y EV 29.18-38.79 545/566/640 小鹏 P5 EV 15.79-22.39 600 蔚来 ET7 EV 44.80-52.60 500-1000 极氪 极氪 001 EV 29.90-36.00 525/606/712 极狐 阿尔法 S EV 25.19-34.49 525/603/708 埃安 Aion Y EV 10.46-15.76 410/500/600 福特 Mustang Mach-E EV 26.50-37.99 492-619 大众 ID.6 EV 23.98-33.58 436/510/588 资料来源：汽车之家，安信证券研究中心 与燃油车相比，新能源
20、车的补能效率较低。燃油车的加油时间仅为5 分钟，而目前快充至少需要 60 分钟。在高峰期充电排队等候的时间亦进一步拉长。目前，主要有以下三种充电方法： 在家中充电：家庭用户使用的三眼插座有 10A和 16A两种规格，约8-10 小时可以充满。 交流充电桩：将电动车直接在电流更大的交流电网上，用充电桩进行充电，充电时长约4 小时。慢充电桩功率通常为 3.5kW 和 7kW，取决于车载充电机的额定输入功率。 直流充电桩：将电动车连接到交流电网或直流电网时，使用了带控制导引功能的直流供电设备。由大功率非车载直流充电机直接输出直流给车辆电池充电。在充电时，充电桩需要提供与电池相匹配的电压，国标规定直流
21、输出电流最大不超过250A，多数电动车能获得不高于 102.5 kW 的峰值充电功率，充电时间大约需 0.5h。 表 2：新能源各车型充电时间 品牌 车型 技术路线 快充时间（h） 慢充时间（h） 最大功率（kW） 比亚迪 唐 DM-i PHEV 0.5 - 180-431 宋 PLUS DM-i PHEV - - 315 特斯拉 Model 3 EV 1 10 202-357 Model Y EV 1 10 202-357 小鹏 P5 EV 0.5-0.58 - 155 蔚来 ET7 EV - - 480 极氪 极氪 001 EV - - 400 极狐 阿尔法 S EV 0.25-0.6 1
22、1.5-15.5 160-473 埃安 Aion Y EV - - 70-135 福特 Mustang Mach-E EV 0.45 3.9 201-359 大众 ID.6 EV 0.67 12.5 132-230 资料来源：汽车之家，安信证券研究中心 提高汽车电压平台可以大幅提升整车运行效率、缩短充电时长。电阻大小相同情况下，高电压可使电损耗减少，效率提升。2021 年 9 月，比亚迪发布 e 平台 3.0，有 800V闪充功能，实现充电5分钟续航150公里，搭载该平台的车型有望在2022年量产；极氪 001 具备 400V 行业深度分析/半导体 8 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各
23、项声明请参见报告尾页。 和 800V 两种电压架构，10%-80% SOC 充电时间仅需 30 分钟，充电 5 分钟续航可增加120 公里；北汽极狐发布极狐S Hi 版，具备 800V 充电架构，2.2C 闪充技术能实现 10 分钟补充 196 公里续航的电量，30%-80%SOC 充电时间仅为 15 分钟。2021 年 10 月，小鹏汽车公布首个量产的 800V 高压 SiC 平台，充电峰值电流超过 600A，采用高能量密度、高充电倍率电池，充电 5 分钟最高可补充续航 200 公里。 1.3. 相较于提高电流，高电压仍为未来发展趋势 根据 P=UI，提升快冲效率的方向有二：提升电压，将新能
24、源汽车的电压系统从 400V升高至800V 后电动车的功率提高一倍，大幅降低充电时间；提升电流，特斯拉是采用提高电流方法的代表。 高电流模式推广程度低，对热管理要求高。根据特斯拉官网，特斯拉 V3 超充桩在 400V 电压下可达到 250kW 的峰值充电功率。特斯拉电动车的充电时间需要 30 分钟左右，大电流超充的推广难度较高，由焦耳定律 Q=I2RT，热量与电流的二次方成正比，大电流充电过程中产生的热量大幅增加，对汽车的散热系统有更高的要求。以特斯拉为例，特斯拉V3 超充桩峰值工作电流超过 600A，故需要使用更粗的线束。此外，大电流模式的应用场景有限制，目前大电流模式仅在 10%-20%S
25、OC 进行最大功率充电，在其他区间充电功率也有明显下降。 高电压模式是车厂普遍采用的模式，除减少能耗、提高续航里程外，还有减少重量、节省空间等优点。根据焦耳定律，高电压系统下，电流变小使得整个系统的功率损耗减小，提高效率。若电流不变，汽车的电机驱动效率则会提升，从而增加续航里程、降低电池成本。高电压模式的有点还包括降低高压线束重量，同功率情况下，电压等级的提高客减少高压线束上的电流，使得线束变细，从而降低线束重量、节省安装空间。以保时捷为例，保时捷将电压平台从 400V提高至 800V 后，实现300kW 充电功率，高压线束的截面积仅为 400V 架构下的二分之一，线束减重 4kg。小鹏也推出
26、 800V平台下的 400kW 快冲，充电效率可达 5C，实现充电 10 分钟续航 400 公里的效果。 图 6：高压平台减少线束用量 资料来源：保时捷官网，安信证券研究中心 1.4. 400V 电压平台下功率器件使用情况 与燃油车相比，新能源车对电力控制的需求提高，功率器件在新能源车中的占比远高于燃油车。在传统燃料汽车中，汽车电子主要分布于动力传动系统、车身、安全、娱乐等 子系统行业深度分析/半导体 9 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 中；而在新能源汽车中，功率器件主要集中于“三电系统”，即电池、电机和电控系统，新增 DC-DC 模块、电机控制系统、电池管理系
27、统、高压电路等部件。新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、OBC、AC/DC 和 DC/DC。 图 7：新能源车中的电能转换过程 图 8：新能源车中的功率器件 资料来源：电子发烧友，安信证券研究中心 资料来源：汽车之家，安信证券研究中心 不同档次的电动车采用功率器件存在差异。根据产业调研，A00-A0 级车售价集中在 2-3 万元，电控系统主要采用最小的 MOS方案，以 92V 的低压单管为主，主要供应商为 ST，上汽通用五菱是采用该方案的典型代表；A0-A级车，售价在 10 万元以下，通常采用 650V 的IGBT 方案，低压 IGBT 领域目前斯达半导在国内市场
28、的份额最大；10 万-20 万元的电动汽车大部分采用 750V IGBT，英飞凌占据该细分市场最大的市场份额；比亚迪着力于高压1200V IGBT 模组，物流车、商用车等 C 级车主要采用 1200V方案。 主电机驱动：汽车的电机驱动系统包括传动机构、电机和逆变器。功率器件主要应用于逆变器，400V电压平台下，电机驱动系统中的逆变器主要采用硅基IGBT，约占其成本的 50%。 图 9：新能源车的电机驱动系统 图 10：电驱系统示意图 资料来源：英飞凌官网，安信证券研究中心 资料来源：巨一科技官网，安信证券研究中心 OBC（车载充电系统）：车载蓄电池充电机可将来自电池子系统的 DC 电源转换为主
29、驱动电机的 AC 电源，通常采用硅基 IGBT 方案，由于 SiC 器件可使得 OBC 减少能耗、改善散热情况，全球范围内汽车厂商陆续采用 SiC 功率器件代替硅器件。 AC/DC：车载 AC/DC 变换器可将高压直流电逆变成交流电来驱动电动机、空调工作，通常采用硅基 IGBT 方案。 DC/DC：车载 DC/DC 变换器可将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电。从车载动行业深度分析/半导体 10 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 力电池取电，给车载 12V 或 24V 低压电池充电，并为整车提供全部的低压供电，通常采用硅基 IGBT 方案。 图 11：车载D
30、C-DC 资料来源：东芝电子官网，安信证券研究中心 1.5. 800V 电压平台下的电动车部件升级 实现 800V电压平台，需要面对元器件重新开发、电池模组安全性能提高以及半导体器件路线改变等难题。就电池包而言，4C以上充电倍率以及电压和电流的增大会极大的影响电池的稳定性和使用寿命，需在 BMS 和电池材料电导率上进一步改善 。此外，更大的充电功率对电池系统的冷却提出较大挑战，需对发热较为集中的电芯正极区域进行针对性冷却和热管理，保障电池在理想温度区间内工作。 图 12：电池包 图 13：方形锂电池发热分布 资料来源：汽车之家，安信证券研究中心 资料来源：汽车之家，安信证券研究中心 电压平台的
31、升高要求电动车的三电系统以及空调压缩机、DC/DC、OBC 等部件在 800V 甚至1000V的电压下正常工作，即需要各部件耐高压、耐高温。 电控：800V 平台要求电机控制器采用碳化硅 MOSFET 代替硅基 IGBT。硅基 IGBT 在450V平台下耐压为 650V，汽车电压平台升高至 800V后，要求功率半导体耐压等级达到 1200V，硅基 IGBT 的开关/导通损耗将大幅升高。而 800V 下的碳化硅器件在耐压、开关频率、损耗等多个维度表现优异，高电压平台将推动碳化硅MOSFET 发展。 行业深度分析/半导体 11 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 电机：
32、800V 逆变器导致电压变化频率高，轴电流增大，轴承防腐蚀要求增加，同时，由于电压/开关频率增加，800V电机内部的绝缘/EMC 防护等级要求提升 OBC+DC/DC：OBC/DCDC 等功率器件集成化趋势明显。电压升高 800V后，充电机 OBC将不会使用目前的 650V的硅基方案，变为使用碳化硅的方案；考虑高频特性，DC/DC 不会使用 1700V的 IGBT，效率比较低。据产业调研，电压平台从400V升高至 800V后，充电机 70%以上的功率器件将换为碳化硅方案。 连接器+线束：平台架构从 400V 升级至 800V 要求连接器重新选型，为增加大功率快充借口，连接器数量可能增加；在同等
33、功率条件下，电压提高，电流减小，线束材料用量更少，但对耐压、绝缘要求更高。 图 14：400V-800V 需要升级的零部件和元器件 资料来源：电子发烧友，安信证券研究中心 2. 碳化硅物理特性优良，适合制备高温、高压、高频器件 2.1. 碳化硅：第三代半导体材料，具备耐高压、高温等优点 碳化硅光电特性优越，耐高温、高压、高频，是 800V电压平台下功率器件的首要选择。碳化硅属于第三代半导体材料，与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度，保证了其可击穿更高的电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件。 表 3：半导体材料的指标参数对比 Properties Si 4H-SiC GaAs G
34、aN Energy gap （eV） 1.12 3.26 1.43 3.5 Electron Mobility （cm2/Vs） 1400 900 8500 1250 Hole Mobility （cm2/Vs） 600 100 400 200 Breakdown Field (V/cm)106 0.3 3 0.4 3 Thermal Conductivity (W/cmOC) 1.5 4.9 0.5 1.3 Saturation Drift Velocity (cm/s)107 1 2.7 2 2.7 Relative Dielectric Constamt 11.8 9.7 12.8 9.
35、5 资料来源：ROHM公开资料，安信证券研究中心 SiC 适合制备高压器件。SiC 的绝缘击穿场强是 Si 的 10 倍，较大的绝缘击穿场强使碳化硅行业深度分析/半导体 12 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 能够以更高的掺杂浓度并且膜厚更薄的漂移层制作出 600V数千 V 的高压功率器件。高压功率器件的电阻成分主要由该漂移层的电阻所组成，因此使用 SiC 材料可以实现单位面积导通电阻非常低的高压器件。理论上当耐压相等时，SiC 在单位面积下的漂移层电阻可以降低到 Si 的 1/300。使用碳化硅材料，可避免硅基 IGBT 开关损耗大、高频驱动发热等问题。SiC
36、材料能够以具有快速器件结构特征的多数载流子器件（肖特基势垒二极管和 MOSFET）实现高压化。 SiC 可以在高温场景下应用。SiC 的带隙宽度大约为 Si的3 倍，可以在较宽范围内实现必要的 P 型、N 型控制，超越 Si 器件的物理极限。因此，SiC 可以在高温条件下稳定工作。根据罗姆官方SiC 功率器件-模块应用笔记显示，目前由于受到封装的耐热可靠性的制约，只保证到 150175，但是随着封装技术的发展，将来也可能达到 200以上的保证温度。 2.2. 碳化硅二极管可替换快速恢复二极管，在高频高压情况下表现优异 碳化硅肖特基势垒二极管具有恢复损耗小、开关电源高频、减小元件体积、降低噪音等
37、优点。SiC 能够以具有 Si 快速器件结构特征的肖特基势垒二极管（SBD）结构，制作出 1200V 以上的高耐压二极管（Si SBD 的最高耐压为 200V 左右）。 图 15：Si和 SiC的额定电压范围（二极管） 资料来源：ROHM公开资料，安信证券研究中心 碳化硅肖特基二极管的正向特性使其适合并联使用。SiC SBD 的开启电压与 Si FRD 为同等水平，都小于 1V。开启电压是由肖特基势垒的势垒高度所决定的，若降低 VF值，则需要减薄肖特基势垒的高度，但这会使器件反向偏压时的漏电流增大。“降低开启电压”和“控制漏电流”存在折中关系。SiC SBD 的温度特性与 Si FRD 不同，
38、当温度升高时，随着工作电阻的增加，VF值也上升，不易发生热失控，因此 SiC SBD 更适合并联使用。同等温度条件下，IF=10A 时碳化硅与硅二极管正向导通电压比对，碳化硅肖特基二极管的导通压降为1.5V，硅快速恢复二极管的导通压降为 1.7V, 碳化硅材料性能好于硅材料。 行业深度分析/半导体 13 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 16：SiC Forward Current IF versus VF (650V/10A) 图 17：Si Forward Current IF versus VF (600V/10A) 资料来源：基本半导体官网，安信证券研
39、究中心 资料来源：基本半导体官网，安信证券研究中心 由于碳化硅肖特基二极管的恢复特性，SiC SBD可大幅减少损耗，稳定实现器件的正反切换。硅快速恢复二极管在从正向导通状态切换到反向截止状态的瞬间，会产生极大的反向瞬态冲击电流，器件从正压导通转向反压截止偏压状态。此过程时间长，电流大，会产生较大的损耗，当器件正向电流越大及温度越高时，恢复时间和恢复电流就越大，损耗也就越大。而碳化硅肖特基二极管是一种多数载流子导电器件（单极性器件），在工作过程中不会发生少数载流子存储的现象，也不会产生过大的正反向切换瞬态冲击电流，只有结电容放电的小电流，因此碳化硅肖特基二极管的开关损耗比硅快速恢复二极管更低。根
40、据 ROHM 测试结果，无论使用温度和正向电流如何改变，SiC 的反向恢复电流都得到了大幅减小。 图 18：Si FRD温度依存性 图 19：SiC SBD温度依存性 资料来源：ROHM公开资料，安信证券研究中心 资料来源：ROHM 公开资料，安信证券研究中心 行业深度分析/半导体 14 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 20：Si FRD正向电流依存性 图 21：SiC SBD正向电流依存性 资料来源：ROHM公开资料，安信证券研究中心 资料来源：ROHM 公开资料，安信证券研究中心 2.3. 碳化硅MOSFET 在性能上优于IGBT 硅基 IGBT 与 S
41、iC MOSFET 在电气参数上存在较大差异。 表 4：IGBT和碳化硅MOSFET电气特性参数 特性 硅基 IGBT 碳化硅MOSFET 开关频率 30kHz 50-500kHz 阈值电压 5-6V 1.6-4.5V 开关时间（tr,tf） 300ns 50ns 开通电压 15V 15-22V 关断电压 -15-5V -5-0V 短路耐受时间 10s 2-5s CMTI 15kV/s 100kV/s 资料来源：基本半导体官网，安信证券研究中心 与硅基 IGBT对比，SiC MOSFET不仅耐压性更好，而且可有效减少开关损耗。虽然 IGBT器件可应用于 600V以上的电压场景，但是由于少数载流
42、子的积聚，在关断时会产生拖尾电流，产生较大的开关损耗。 而 SiC 器件的漂移层电阻比 Si 器件的要小，不必使用电导率调制，就能够以具有快速器件结构特征的 MOSFET 同时实现高耐压和低导通电阻。采用SiC MOSFET 可以达到开关损耗减小、散热器小型化的效果。并且，SiC MOSFET 可实现IGBT 无法进行的高频驱动，有助于实现被动器件的小型化。 行业深度分析/半导体 15 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 22：Si MOSFET、 SiC MOSFET、IGBT 的额定电压范围对比 资料来源：ROHM公开资料，安信证券研究中心 SiC MOSF
43、ET 可以在更宽的电流范围和温度范围内稳定工作。SiC MOSFET 不存在像 IGBT 那样的开启电压，因此从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现较低的导通损耗。另外，Si MOSFET 在 150时的导通电阻会上升为室温时的2 倍以上，但是 SiC MOSFET 的上升率相对较低，因此热设计更加容易、高温下也能够实现较低的导通电阻。 图 23：各器件的 VDS-ID 特性（常温条件下 25） 图 24：各器件的 VDS-ID 特性（高温条件下 150） 资料来源：ROHM公开资料，安信证券研究中心 资料来源：ROHM 公开资料，安信证券研究中心 SiC MOSFET在温度升高时，其导通电
44、阻上升率低于 Si MOSFET和 IGBT，耐高温程度高。这是因为在器件的导通电阻中，漂移层电阻的占比较小，其他电阻成分的占比较大。沟道电阻 RCH 在高温时会稍微下降，n+基板的电阻 RSUB 几乎没有温度依存性。650V 产品的漂移层电阻成分较小，因此温度系数非常小；1200V 产品的漂移层会变厚，电阻成分较大，SiC MOSFET 的优势更加显著。 行业深度分析/半导体 16 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 25：SiC MOSFET、Si MOSFET 、 Si IGBT 的标准化 RDS(on) 温度特性 资料来源：ROHM公开资料，安信证券研究
45、中心 3. 碳化硅在高压车型渗透率提升趋势明显 3.1. 高压车型不断推出，碳化硅渗透趋势明显 800V方案中快充功率可以达到 400-500kW，如小鹏 G9充电十分钟续航 400公里。目前市面新能源汽车主流电压平台介于 400V-500V 之间，理想 ONE 、小鹏汽车和蔚来汽车的换电方案都在尝试解决里程焦虑和充电速度慢的问题，未来 800V快充趋势明显。 表 5：国内车企布局碳化硅器件进展 序号 公司名称 碳化硅器件布局情况 1 蔚来 计划 2022 一季度开始交付的蔚来首款轿车 ET7，该车将是全球首批应用碳化硅功率模块的电动车之一。在新技术的帮助下，ET7的续航里程能够超过 1000
46、 公里。 2 江淮汽车 2021 年 4月江淮汽车与博世动力总成系统中国区在上海签订了SiC逆变器方面的战略协议 3 比亚迪 比亚迪扩建模块生产线，对外招标采购“SiC分选机”和“SiC测试机”；公司计划到 2023年，在旗下所有电动车中用 SiC功率半导体全面替代 IGBT。2020 年 12 月，比亚迪半导体公布目前在规划自建 SiC 产线，预计 2021 年建成自有 SiC产线。 4 一汽集团 一汽集团合资企业苏州亿马半导体的碳化硅模块项目正式投产，一期投资 2 亿元。 5 吉利汽车 2021 年 8月，吉利汽车宣布采用罗姆SiC器件。吉利将利用罗姆的先进 SiC功率解决方案，开发高效电
47、控系统和车载充电系统，以延长电动汽车的续航里程，降低电池成本并缩短充电时间。5月透过旗下威睿电动汽车与SiC功率厂商芯聚能合资成立广东芯粤能半导体，布局车规级功率半导体，与芯聚能产业链上下形成联动。 6 鸿海 鸿海以 25.2 亿台币（约合 5.87 亿人民币）收购旺宏位于竹科的6英寸晶圆厂。鸿海方面透露，买这个厂将用来开发与生产第三代半导体，特别是电动车使用的SiC功率器件。 资料来源：公司官网，公司公告，安信证券研究中心 搭载高压架构的车型逐渐趋向经济型下沉，推动碳化硅市场渗透率提升。碳化硅在高压方面有先天性能优势，只要车企用的是高压、650V 以上的电池，电压越大，碳化硅的优势越明行业深
48、度分析/半导体 17 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 显；在车的续航能力方面，续航要求越高，碳化硅越有优势。就乘用车而言，300km以上续航，碳化硅具备优势，电池需求越大，碳化硅优势越明显。目前在高续航和快充的市场需求下，新能源汽车由 400V向 800V架构升级趋势已成大局，未来随着电池、器件车成本的降低，经济型电动车也有望搭载高压方案。随着碳化硅尺寸的增大、产业链的完善，碳化硅衬底成本下降，碳化硅器件会逐渐扩展至中低端车市场，SiC 市场空间将被进一步打开。据CASA 预测，到 2025 年新能源汽车中 SiC 功率半导体市场预计将以 38的年复合增长率增长
49、。 图 26：400V 过渡至800V 的架构 资料来源：汽车 ECU开发，安信证券研究中心 行业深度分析/半导体 18 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 27：碳化硅在电动汽车中的应用 资料来源：电力电子网，安信证券研究中心 碳化硅方案能提升电驱系统性能，减小器件体积，提高 30%左右功率密度：碳化硅功率器件主要应用于新能源汽车电机驱动系统中的电机控制器。2020 年比亚迪汉 EV 车型电机控制器使用其自主研发制造的 SiC MOSFET 控制模块，使得其可以在更高的电压平台下工作，从而减少设备电阻损失。比亚迪汉在电力电子系统实现了更小的体积，同功率情况下，
50、体积缩小 30%，即功率密度也将提升 30%左右，功率达到了更高的 363kW；车辆的加速性能提升明显，实现了 3.9s 内 0-100 公里的加速；延长汽车的续航里程至 600km以上；这均得益于碳化硅低开关、耐高压、耐高温、导热率高的优良特性。 图 28：比亚迪汉采用SiC MOSFET模块 图 29：碳化硅电机体积对比 资料来源：汽车之家，安信证券研究中心 资料来源：汽车之家，安信证券研究中心 碳化硅器件可使 OBC体积减少 60%，能量损耗减少 30%：根据 Wolfspeed 数据，OBC 采用碳化硅器件与硅器件相比，其体积可减少60%，并减少 30%的能量损耗，SiC 的峰值效率可
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