碳化硅行业专题研究报告：新能源车普及加速碳化硅产业迎机遇

碳化硅行业专题研究报告：新能源车普及加速，碳化硅产业迎机遇报告综述：新能源车全球普及加速，功率密度标准持续提升为

SiC产业落地提供契机。欧盟

方面，在民众诉求的推动下，欧盟的碳排放标准日趋严格，现行的碳排放标准要

求

2021

年生产的乘用车碳排放量满足

95g/km，我们认为在此严苛要求下，新能

源汽车或将替代燃油车。美国方面，拜登上台带来美国新能源政策转向，并计划

于

2050

年实现碳中和，我们认为政府方面也希望借助特斯拉等头部企业助力美

国汽车制造业在新趋势下保持领先地位。中国方面，2019

年中国石油对外依存

度超过

70%，我们认为电动车对保障能源安全至关重要，且中国凭借市场空间、

工程师红利等优势，有望借助汽车电动化实现汽车产业发展弯道超车的目标。我

们看到，在各国制定的电动车发展路线图中，功率密度标准逼近主流

Si基器件

的性能极限，SiC器件成为理想替代。我们认为

SiC有望在电动汽车产业加速发

展及渗透率提升的双重推动下迎来需求快速成长。SiC解决电动车三大需求痛点，规模普及即将到来。我们认为，SiC有望从以下三

个方面解决

Si基器件的痛点问题：1）续航里程是电动车的一大痛点，根据英飞

凌数据，SiC器件整体损耗相比

Si基器件降低

80%以上，导通及开关损耗减小，

有助于增加电动车续航里程；2）轻量化的实现。SiC器件具备高饱和速率、高电

流密度、高热导率的特点，有利于实现电控模块小型化、周边系统小型化、冷却

系统简单化，从而减轻整车重量；3）满足

800V高电平要求。为配合快充应用，

车内电平向更高的

800V提高是大势所趋，在

1200VIGBT车规产品难以普及的背

景下，使用

SiCMOSFET是良好的解决方案。我们认为，目前

SiC无法大规模商用

的主要矛盾在于成本高昂，但根据我们的测算，在新能源车平价目标成本假设下

（三电成本与传统动力总成价格相当），若

SiC的器件成本下降至硅基器件的

2

倍时，其经济效益有望助推

SiC在全系列车型全面普及。小器件大市场，中国车用

SiC市场将迎来高速成长。我们测算，2025

年中国电动

车及快充桩将带来

62

亿元/78

亿元的

SiC器件/模块市场空间（模块中包含器件

成本），2021-25

年

CAGR高达

58%/35%。从产业链各环节来看，我们测算

SiC衬

底及外延片价值量合计占比超器件总价值量的

60%，2025

年中国本土导电型衬

底片需求超

100

万片，行业上游重要性强，需求空间广阔。我国企业目前已经能

实现

6

寸片规模量产，8

寸片与海外的技术差距正在缩小。新能源车全球普及加速，碳化硅产业落地迎机遇欧洲：碳排放标准倒逼新能源车对传统燃油车进行替代欧洲推出碳中和时间表。欧洲议会

2019

年

11

月宣布欧洲进入“气候紧急状态”，欧盟委员

会在

2019

年

12

月启动了“绿色新政”，将

2030

年减排目标提升至

50-55%，并确定了

2050

年实现碳中和，碳排放要求日趋严格。欧洲自

2009

年以来多次制定碳排放标准，现行的碳排放标准要求

2021

年生产的乘用车碳

排放量需满足

95g/km。欧盟委员会在

2014

年提出到

2021

年，车企生产的乘用车的碳排放

量需满足

95g/km，不达标的车企将面临巨额罚款。2018

年欧盟委员会进一步明确，在

2021

年的基础上，2025

年的碳排放量减少

15%；到

2030

年，减少

37.5％，分别降至

81g/km及

59g/km。2019

年欧盟确定

2050

年实现碳中和的目标，将进一步推动更加严格的减排目标，

正在推动

2030

年碳排放在

2021

年的基础上减少

60%的标准制定。在日益严格的碳排放标准下，新能源汽车替代传燃油车成为必然趋势。燃油车的发动机难

以进行本质革新，减排空间有限，新车平均碳排放量在

2015

年下降至

119.5g/km后，2019

年反而上升至

122.4g/km。要达到上述

95g/km的碳排放标准，只能大力发展新能源汽车，

提升新能源车的占比。美国：民主党上台或将推动电动车产业链加速升级，促使其重回汽车产业链领导地位拜登就任当日便签署行政命令，表示重新加入《巴黎气候协定》，并计划于

2050

年实现碳中和，有望助推新能源车产业链加速升级。根据拜登竞选推出的《清洁能源革命和环境

计划》2，其在气候领域提出的目标是到

2035

年通过可再生能源过渡实现无碳发电，到

2050

年美国实现碳中和，实现

100%的清洁能源经济。具体措施包括：恢复电动车全额

7,500

美

金的税金抵免，取消目前的企业补贴

20

万辆的销量上限，加快新能源车推广，并计划于

2030

年前在高速公路区域建设超过

50

万个充电桩等。我们认为民主党在新能源领域的转

向有望提升美国对于新能源车的政策支持，助推新能源车产业链加速升级。特斯拉等头部企业有望助力美国重夺电动汽车制造业的制高点。汽车产业作为美国传统制

造业的代表之一，二战以后却从辉煌走向衰落，我们认为主要是其经受了两次冲击：1）20

世纪

70

年代起，全球石油危机使精细化制造的日本汽车市占率迅速提升，以及

2）2010

年

后德国品牌在中国市场的崛起。根据美国商务部统计，美国汽车行业产值占

GDP的比重，

由

1978

年的

1.9%降至

2018

年的

0.8%。我们认为，由于汽车制造业产业链条长、上下游相

关行业丰富，汽车产业对

GDP的贡献远大于增加值本身，行业地位尤为重要。我们认为拜

登政府的新能源政策将成为美国电动汽车市场发展的一大推动力，有助于使其在特斯拉等

电动汽车头部企业的倾力配合下，保持美国高端制造领域的优势地位。中国：电动汽车是我国实现汽车产业弯道超车、保障能源安全的必然选择汽车工业电动化为我国从汽车产业弯道超车提供契机。工信部在《电动汽车安全指南（2019

版）》中指出，汽车行业正在经历百年未有之大变局，电驱动相关技术、人工智能技术和互

联网技术的快速发展为汽车产业的转型升级提供了强大的技术支撑，电动化、智能化、网

联化是汽车产业转型重要的发展方向。对于传统燃油车，中国虽然拥有庞大的汽车供应体

系，但关键零部件技术缺失，发动机、变速箱等设备依赖海外厂商进口，我们认为以电动

汽车为突破口能够推进我国汽车产业转型升级，有望实现汽车产业发展的弯道超车。汽车产业是国民经济中重要的支柱行业，能够拉动国内消费增长，其产业链长、提供就业机会多，对推动经济增长、促进社会就业有重要作用。汽车产业能够拉动我国消费需求及

提供大量就业岗位，根据国家统计局数据，2010

年至

2019

年汽车销售额占中国社会零售

总额比重均维持在

10%以上，2019

年汽车新车零售从业人员达到

120.92

万，占城镇就业人

数的

10%。同时，由于汽车行业具备高度综合性，产业链涉及国家工业的各个方面，上游

包括发动机系配件、制动系配件等汽车零部件生产销售，涵盖了冶金、橡胶、玻璃、化工

等重要的制造业部门，中游包括整车集成制造及销售，下游辐射汽车后维修保养、出行服

务等诸多市场。发展汽车产业能够直接及间接地拉动经济增加，提供就业岗位。中国具备市场空间较大、“工程师红利”等优势，同时政策落地推动电动汽车发展。由于我

国庞大的人口基数及消费升级趋势，电动汽车市场空间较大，根据中金公司研究部预测，

2025

年我国电动汽车的出货量将达到

669

万辆，占全球新能源汽车销量

47%，2021

年至

2025

年年复合增长率达到

35%。同时，中国每年高校毕业生人数持续增长，根据教育部的

数据，2020

年高校毕业生人数达到

874

万人，为中国发展电动汽车提供了“工程师红利”，

向产业微笑曲线的两端延伸。在政府政策的推动下，新能源汽车产业的快速发展成为可能，

根据国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035

年）》，到

2025

年我国新

能源汽车新车销售量占新车总销量的

20%左右，并完善双积分制度以补充财政补贴。中国石油的对外依存度超

70%，能源安全问题有待解决。国际上一般将

50%的石油对外依

存度作为石油能源安全问题的“安全警戒线”3，而根据中国统计局的数据，2019

年中国石

油对外依存度超过

70%，远超能源安全的要求。目前全球石油分配格局基本固定，且国际

形势复杂，我国在自身石油生产无法满足需求的情况下，通过石油贸易和海外份额的方式

获取石油资源的压力越来越大。电动汽车对降低石油依存度，缓解国内石油消耗至关重要。根据自然保护协会数据，2017

年中国道路交通消耗的石油约占石油消费总量

48%，我们认为，减少汽车石油消耗能够降

低我国的石油依存度。若采用天然气能源，我国天然气储量同样较低：根据海关总署数据，

2018

年中国是全球第一大天然气进口国，2019

年对外依存度达到

43%，难以支撑汽车的能

源需求。而相比之下，我国煤炭储量较大，能够实现电力的自给自足，同时还能够通过核

能、太阳能、风能等方式增加电力供给，电动汽车成为解决能源安全问题的必然选择。各国功率密度标准持续提升，碳化硅器件对硅基器件形成替代在即美国能源部旗下的组织

U.S.

Drive在

2017

年发布的《电气电子技术路线图》4中指出，在

2025

年电控的功率密度需达到

100kW/L，效率应大于

98%；而电机的功率密度需达到

50kW/L，

效率应大于

97%。根据我国工信部发布的《<中国制造

2025>重点技术领域路线图（2018

年

版）》，在

2025

年，自主电控产品应实现功率密度不低于

25kW/L。我们认为，这个标准制

定的初衷，是因为体积涉及到了汽车有效空间利用和乘客的体验。目前电动汽车主要采用硅基器件，但受自身性能极限限制，硅基器件的功率密度难以进一

步提高。在电动汽车的动力单元和控制单元中，变换器和逆变器多采用

Si基

IGBT或

MOSFET作为功率器件。但

Si材料在高开关频率及高压下损耗大幅提升，功率密度已经接近了其性

能极限。我们看到，早期的主流混动车型中，其逆变器功率密度基本在

20kW/L以下，而采

用了第三代化合物半导体

SiC材料的逆变器，由于

SiC具有效率高、尺寸更小和重量更低的

优势，可以将功率密度大幅提升，我们认为其是

Si材料未来的理想替代。性能优势助推碳化硅器件快速发展，规模普及即将到来SiC提升电能转换效率，增加续航里程续航里程是电动车的一大痛点。结合英飞凌的研究数据，我们认为

SiC器件可以从导通/开

关两个维度降低损耗，整体损耗相比

Si基器件降低

80%以上，实现增加电动车续航里程的

目的。SiC材料临界击穿电场高，导通电阻低，可降低器件的导通损耗。由于

SiC的禁带宽度

（3.3eV）远高于

Si（1.1eV），因此其漂移区宽度得到大大缩短、可实现的掺杂浓度也

得到提高。在

SiCMOSFET导通时，正向压降和损耗都小于

Si-IGBT。根据英飞凌研究，

当负载电流为

15A时，常温下

SiCMOSFET的正向压降只有

SiIGBT的一半，在

175℃

结温下，SiCMOSFET的正向压降约是

SiIGBT的

80%。SiC-MOSFET不存在拖尾电流，载流子迁移率高，降低器件开关损耗。Si-IGBT模块中会

集成快恢复二极管（FRD），在关断会存在反向恢复电流及拖尾电流，导致其开关速度

受到限制，从而造成较大的关断损耗。而

SiC-MOSFET属于单极器件，更像一个刚性开

关，不存在拖尾电流，且较高的载流子迁移率（约

Si的

3

倍）也减少了开关时间，损

耗因此得以降低。根据英飞凌研究，在

25℃结温下，

SiCMOSFET关断损耗大约是

SiIGBT的

20%；在

175℃的结温下，SiCMOSFET关断损耗仅有

IGBT的

10%。SiC助力新能源车实现轻量化轻量化是整车厂的不懈追求。我们认为

SiC器件具备高饱和速率、高电流密度、高热导率

的特点，有利于新能源汽车零部件轻量化的实现。SiC材料具备更高的电流密度，相同功率等级下封装尺寸更小。SiC具备较高的载流子

迁移率，能够提供较高的电流密度。在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著

小于硅基模块，有助于提升系统的功率密度。以

IPM为例，碳化硅功率模块体积可缩

小至硅功率模块的

2/3-1/3。SiC能够实现高频开关，减少无源器件的体积和成本。SiC材料的电子饱和速率是

Si的

2

倍，有助于提升器件的工作频率；此外，如上文所述，高临界击穿电场（10

倍于

Si）

的特性使其能够将

MOSFET带入高压领域，克服

IGBT开关过程中的拖尾电流问题，开

关损耗低，提升实际应用中的开关频率，减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电

感等的使用，从而减少系统体系和重量。在实现相同电感电流的情况下，开关频率越

高，可以适当降低电感值。SiC禁带宽且具有良好的热导率，可以减小散热器的体积和成本。由于

SiC材料具有宽

禁带宽度且热导率高的特点，更容易散热，器件可以在更高的环境温度下工作。理论

上，SiC功率器件可在

175℃结温下工作。主流电动汽车一般包含两套水冷系统——引

擎冷却系统和电力电子设备的冷却系统，冷却温度分别为

105

和

70℃。如果采用

SiC功

率器件，可以使器件工作于较高的环境温度中，有望实现两套水冷系统合二为一，甚

至采用风冷系统，减少散热器体积及成本。快充使得整车电平提高，IGBT工作电压恐难满足需求实现快充的关键是通过增大电流或提升电压提升充电功率，由于电流提升存在可预见的上

限，高电压是实现快充的必然趋势。根据

e-technology的研究，受到充电插头及电芯的温

度限制，即使采用液冷充电插头，电动车充电也存在

500A的电流上限，要实现

200kW以

上的快充功率，电动车必然会从

400V系统转向

800V系统。同时，达到相同功率的情况下，

提升电压则可以相应降低电流，减少散热及导线横截面。根据

e-technology的估算，以

100kWh的电池为例，从

400V电车系统提升为

800V电车系统，由于电池散热减重及导线

质量降低可以推动电池实现

25kg的重量降低，降低电车能耗，提升电车续航里程。我们认为，若系统电压（总线电压）从

400V提高至

800V，需要同时提高半导体器件的耐

压的水平，650VIGBT将无法工作，SiMOSFET的耐压极限也会明显被超越，若采用

Si基器

件，必须使用

1200VIGBT。受限于体积、功耗、散热等因素，通常情况下

1200V的

IGBT模

块一般服务于工业场景，很难通过车规认证，2018

年英飞凌才推出第七代

IGBT技术，使

1200V模块车用成为可能5。但我们认为，SiC的材料特性优势有望使其在

800V系统部署中

更受整车厂青睐，同时，输出功率的提升也使

SiC材料成为

800V系统的理想选择。成本经济性问题有望在未来解决，车用

SiC需求有望迎来快速成长期目前，由于受到

SiC长晶技术壁垒高（如：需要高温生长及精确控制；长晶速度很慢而不能

像

Si一样拉晶；炉体尺寸限制晶圆尺寸不好做大；材料硬度高韧性差容易断裂）、器件良率

低（如：掺杂工艺要求高、形成欧姆接触困难）等因素掣肘，因此

SiC器件高昂的生产成

本阻止了其初期被整车厂大量采用。以目前的成本来看，新能源车的度电单价（三元、不含税）价格在

900

元人民币左右，而

在

2025

年有望降至

560

元左右。假设

400km续航里程，电池包的价格分别在

42,500

元

/24,000

元左右。若要增加

10%的续航，我们线性外推得到电池包的边际成本为

4,500

元

/2,400

元。目前，SiC器件成本约为硅基器件的

5

倍以上，为当前

SiC器件难以在中低端车型大规模应

用的主要原因。以

A级车为例，主逆变器中

IGBT器件成本约为

1,300

元，若替换为

SiC则

将会带来至少

5,000

元以上的成本增加，而同时带来

5%-10%续航里程的提升。我们测算，

若暂不考虑冷却系统节省的成本及空间节约带来的附加值，在新能源车平价目标下，若

SiC能换取

5%-10%的续航里程增加，则当

SiC的器件成本将下降至硅基器件的

1

倍时，其经济

效益有望助推

SiC在全系列车型全面普及；如图

18

所示，若采用

SiC材料能增加电动车

10%

的续航里程，对于车厂来讲，单车成本的节约在

1,100

人民币左右。小器件大市场，中国车用

SiC将迎高速成长我们测算，2021

年国内

SiC器件/模块市场规模为

10

亿元/24

亿元，2025

年有望达到

62

亿

元/78

亿元，年复合增速达

58%/35%，迎来高速增长期功率开关器件在新能源汽车中的应用范围很广，其中主要包括主逆变器、直流

DC/DC转换

器、车载充电机等。我们以自上而下的方式，以新能源车出货量为基础，配合渗透率、SiC模块/器件单车价值等假设测算，得出

2025

年中国新能源车及周边应用将带来

62

亿元的

SiC器件市场空间，78

亿元的

SiC模块市场空间（包含器件成本），2021-2025

年复合增速达

58%/35%。

其中我们的关键假设如下：第一，从成本下降曲线来看，我们认为

SiC本身的成本下降曲线是线性的，但由于整

体市场需求高涨，上游扩产积极，成本下降可能会呈现加速趋势，年同比降幅将有望

从低双位数加速至近

20%；第二，从车型来看，我们认为到

2025

年

SiC成本仍然难以下降至

A级车

Si基器件的

2

倍水平。中高级乘用车由于具有品牌溢价，成本上升带来的续航里程增加、轻量化等

附加体验也更容易被消费者所接受，我们认为

B/C级车大规模采用

SiC器件的可能性

大，其中

Tesla及比亚迪作为现有整车厂中最为积极两方（根据公开资料，Model3

及

比亚迪汉车型已经搭载了

SiC模块的主逆变器），未来

SiC器件渗透率有望继续加速。

未来华为、苹果等大厂及小鹏、蔚来等高端造车新势力设计的整车也有望大量采用

SiC。

而非豪华品牌

A级（包含）及以下车型采用

SiC的可能性很小。考虑到成本更高，对

空间和续航里程敏感度更低等因素，在商用车方面，我们预计

SiC渗透率将整体低于

乘用车；第三，从零部件种类来看，主逆变器（Inverter）会先进行

SiC替换，由于车载充电机

（OBC）、直流转换器（DC-DC）、快充（Booster）等工作频率高，从

SiC高频性能来看

要优于

Si基材料，同样存在较大替换空间；第四，从器件类型及价值量来看，主逆变器中由于搭载

SiC模块，半导体价值量最高，

而车载充电机、直流转换器等部分仅搭载单管器件，整体价值量不及主逆变器。SiC衬底及外延合计价值量占比超

60%，在产业链中地位至关重要以

65nm制程为例，目前

12

英寸硅片（抛光片）售价仅在

100

美元左右，而最终的晶圆售

价高达

1,500

美元，原因在于

Si集成电路工艺历经多次刻蚀、光刻、清洗等前道处理步骤，

在硅片表面制作器件的附加价值量高。而

SiC仅被用于制造分立器件，其本身工艺难度并不

大（SiCMOSFET仍是横向平面工艺器件），衬底及外延质量则从很大程度上决定了最终的器

件性能。根据我们的产业链调研，由于

SiC衬底及外延生长温度高、速度慢、良率低等原因，

从价值量上看，2020

年

2,500

美元售价的

SiC晶圆成品中，衬底片价值量约

1,100

美元，外

延片价值量约

500

美元，合计价值量达

1,700

美元，约占整体晶圆成品价值量的

63%。因

此，我们认为

SiC产业链的上游环节地位至关重要，且从投资回报情况来看，SiC基衬底的投入产出比要优于

Si，部分企业的投入产出比可以接近

1：1

水平（1

元人民币的投资对应

1

元年收入），是一个优良的赛道。结合我们对

SiC器件市场规模的测算及对衬底/外延部分价值量的假设，我们预计

2025

年中

国本土新能源车用

SiC衬底/外延片市场规模将达到

26

亿/39

亿人民币。国产厂商全面布局导电型机高纯半绝缘两类衬底，正努力追赶与海外差距SiC衬底主要分为导电型和半绝缘型两类，新能源车用半导体器件基于导电型碳化硅衬底制

造。具体应用形式来看，导电型

SiC衬底一般会再生长

SiC外延层得到

SiC外延片，主要用

于制造耐高温、耐高压的功率器件，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、

航空航天等领域；而在半绝缘型

SiC衬底上，通常会上生长

GaN外延层，制得

SiC基

GaN外延片，可进一步制成微波射频器件，应用于

5G通讯、雷达等领域。导电型及半绝缘型

SiC衬底在制作工艺上存在较大差异。在主流的物理气相传输法（PVT）

长晶工艺中，半绝缘型

SiC衬底的生长对原材料碳化硅粉末纯净度要求高，同时需要在生长

过程中加入钒杂质，掺杂工艺难度大。而导电型衬底相对容易获得，但需要对掺杂有较好

的控制，且功率器件需要在较大衬底上生产才具备经济效益，SiC单晶扩径问题也是壁垒。

除了主流

PVT生长方法外，我们也看到一些新工艺的进步，目前日本电装（DENSO）等企

业正在利用高温化学气相沉积方法（HTCVD）将高纯气态碳源和硅源在高温结合，来得到

高阻值的碳化硅单晶，且生长速率能达到

1.0mm/h-3.0mm/h，值得长期关注。但综合考虑

成本、良率及工艺成熟度等问题，我们认为目前

PVT方法仍为市场主流技术。碳化硅衬底市场以海外厂商为主导，中国企业市场份额现较小。碳化硅衬底产品的制造涉

及设备研制、原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测等诸多环节，需要长

期的工艺技术积累，存在较高的技术及人才壁垒。自

1955

年首次在实验室成功制备碳化硅

单晶以来，美国、欧洲、日本等发达国家与地区不断创新碳化硅晶体的制备技术与设备，

形成了较大优势；而中国碳化硅晶体的研究从

2