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硅是制造半导体芯片及器件的主要原材料,但其性能已经难以满足高功率及高频器件的需求,碳化硅材料有望在高功率和高频领域部分替代硅。

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图:碳化硅器件产业链

来源:东兴证券研究所

根据 Yole 报告,2019年全球碳化硅功率器件市场规模为 5.41 亿美元,预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元,年化复合增速约30%。

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图:2019-2025 年碳化硅功率器件市场规模(单位:美元)

来源:Yole Development,东兴证券研究所

优异的性能使得碳化硅材料应用领域广阔,需要高压和高频器件的应用场景,都是碳化硅潜在替代的市场。

一、电动车逆变器及充电桩。电动车逆变器是碳化硅功率器件的主要市场,在相同功率下,碳化硅模块封装尺寸更小,损耗更低。在动力电池性能提升已经有限的情况下,碳化硅功率器件将成为提升电动车延长行驶里程、缩短充电时间及增大电池容量的重要手段。

根据英飞凌、Fraunhofer 研究,在城市工况,全碳化硅模块比 Si 基 IGBT模块多续航 10%。

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图:20KW/H的续航里程比较

来源:英飞凌、Fraunhofer、国金证券研究所

由于车用需求快速增加,并且碳化硅在工业和新能源领域替代 IGBT 和高压 MOSFET,Wolfspeed 预计到 2026 年碳化硅功率器件市场规模由 2022 年的 22 亿美元增加到 60 亿美元,复合增速达到 28%,其中车用占比达到 77%。

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图:碳化硅功率器件市场规模预测(百万美元)

来源:Wolfspeed,国金证券研究所

二、光伏逆变器。光伏发电系统中,硅基逆变器成本占系统的 10%,但却是系统能量损耗的主要来源。使用碳化硅 MOSFET 功率模块的光伏逆变器,转换效率可从 96%提升至 99%以上,能量损耗降低 50%以上,设备循环寿命提升 50 倍,从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。光伏逆变器中碳化硅渗透率有望在 2025 年达到 50%。

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图:光伏逆变器中碳化硅功率器件渗透率预测

来源:CASA,东兴证券研究所

三、轨道交通。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件,其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。轨道交通中碳化硅渗透率将在 2050 年达到 90%。

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图:轨道交通中碳化硅渗透率

来源:CASA,东兴证券研究所

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