充电桩行业专题报告从高压快充看碳化硅在电力设备中的运用

充电桩行业专题报告从高压快充看碳化硅在电力设备中的运用（报告出品方/作者：长城证券，于夕朦、于振洋、张靖苗）1.充电桩行业趋势：高压快补授大势所趋电池时长成电动汽车痛点之一，提高电池速度迫在眉睫根据麦肯锡发布的《2023麦肯锡中国汽车消费者洞察》，电动汽车消费者最高度高度关注的问题就是续航里程与补授电时间，高达56%的受访者都表示此非常关键，远大于第二、第三高度高度关注因素的动态体验（48%）和用车成本（46%）。基于此，提高充电桩的电池速度迫在眉睫。高压大功率比大电流方案更有效率基于“电池电池电量=电池功率x时间”的电池原理，我们所述电池功率越大，电池时间越短。根据P=UI（功率=电压x电流），同时同时实现大功率电池可以通过增大充电电流和提高电压两种方式：增大充电电流：即为为提高单体电芯的最轻充电电流，仍须对电芯的材料体系和结构进行升级，增加电池在快补授过程中产热和析锂，避免引起热失控等安全问题。以特斯拉Mode13为代表，最轻充电电流可以少于至700A,可实现31分钟补授80%的电量1。提高电池系统电压：以保时捷为代表，电压平台从400V提升至800V,最轻电流仅为334A的情况下，同时同时实现22.5分钟从5%电池至80%的电量2。由于增大电流可以并使能量损失轻微，转型效率高，且对热管理系统引致非常大经济负担，因此高压大功率更有效率率仅。车企不断提升车辆电压平台，高压快补授将变为未来趋势在电动推广初期，消费者对电动汽车电池速度高度高度关注不多，电动汽车补能方式以慢补授居多，直流电池的电压/电流广为在350V/125A以下。随着电动汽车快速上量，旧有补能效率已无法满足用户市场需求。2015年发布的GB/T20234.3《电动汽车传导电池用相连接装置第3部分直流电池USB建议》，将直流电池USB电流从原来的125A提升至上限250A,以满足用户电池容量增加平添的电池功率增加。随后车企主要通过提升车辆电压平台，回去同时同时实现基于250A电流下的慢补授。电压平台由350V逐步向450V、750V演进，同时同时实现电池倍率1-2C。当前部分车企通过提升电流至500A回去同时同时实现3-4C的慢补授。随着耐高压、低损耗、高功率密度的SiC功率器件的逐步深入细致应用领域，950V左右的的电压平台逐步被车企加之日程，并将变成未来3-5年的关键趋势。950V/500A的高压快充桩仅约480kW的电池功率，同时同时实现5min左右的快速补能，真正同时同时实现“电池像助威一样方便快捷”。国家有关部门已将1000V列为乘用车大功率快补授电池接口标准中，以适应环境未来“千伏”高压平台的落地。主流车企纷纷布局高压快补授车型2020年保时捷首次面世大力支持800V高压快补授的Tycan后，全球车企大力大力推进研发高压快补授车型，补电时间向10min以内迈进。广汽、小鹏、北汽、东风、长安等均已面世基于800V及以上高压平台的高端车，且慢补授性能可以少于至“电池10min续航增加200km左右”。比如说广汽埃安在2021年4月发布的6C瞬时补授系统，最轻电压少于800V，最轻电流大于500A，只需8min即可顺利完成0%-80%SOC的电池。目前800V高压平台车型已经变成当前头部车企布局的主力，据我国主要车企规划2002年逐步量产，2023年满肢3C以上高压快补授的高端车型将密集上市，2025年主流车型均将大力支持高压快补授。根据华为发布的《高压快补授产业发展报告2023-2025》预测，预计至2026年底，大力支持高压快补授车型的市场保有量将少于1300万辆以上。为适应环境高压快补授车型，高压快充桩不断布局根据华为测算，必须同时同时实现5min以内快补授，充电桩功率仅须向480kw演进。为适应环境未来大功率高压快补授发展趋势，主流车企及电池运营商已经已经已经开始布局大功率快充桩。比如：国网快充桩招标中，80kw电池桩占比已从2020年的63%下降至2022年的37%，而160kw和240kw分别从35%和1%上升至57%和4%，并已已经已经开始布局480kW的大功率快充桩，此外广汽埃安的A480超级充电桩最轻补授电功率亦就是达致480kW。2.碳化硅为高压快充桩发展平添新机遇碳化硅作为第三代半导体材料前景宽阔半导体材料的发展历程可以分为三代，首先就是以硅、锗为代表的第一代半导体，发展最明朗，应用领域相对广为，主要应用于扰动、低频、中低功率晶体管领域；其次就是以GaAs、InP等化合物为代表的第二代半导体材料，通常应用于微波通讯、光通讯等特色芯片领域；最新问世的第三代半导体材料，以SiC、GaN等化合物为代表，由于材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、踢穿电压高、热传导率仅高等特性，妍再分后应用领域在高压，高频、高温、抗炎紫外光等领域，在轨道交通，新能源汽车，特高压电网、大功率电源及电驱应用领域中具有宽阔的应用领域前景。碳化硅产业链以衬底生产为核心碳化硅的产业链从上游的衬底和外延，至中游的器件和模块生产(涵盖器件设计、生产和封测等)，最后就是下游的终端应用领域。碳化硅产业链价值量相差悬殊，关键部分主要集中在上游端的，其中衬底生产成本占到至动力系统本的47%，外延环节成本占23%，合计上游成本占至碳化硅生产链总成本的约70%5。其中衬底生产技术壁二垒最高、价值量最轻，既同意了上游原材料制备的方式及有关参数，同时也同意着下游器件的性能，就是未来碳化硅大规模产业化大力大力推进的核心。碳化硅衬底根据技术路径相同，应用于相同领域半绝缘型：碳化硅的耐热性和导热性都较好，可以弥补氮化镓器件耐热性极差的缺点。因此业界推行半绝缘型碳化硅搞出衬底，在衬底上生长氮化镓外延层，制备碳化硅基为氮化镓外延片后进一步制成半绝缘型碳化硅基为射频器件，主要用做5G通信、车载通信、国防应用领域、数据传输、航空航天等领域。导电型：通过在导电型衬底上生长碳化硅外延层，赢得碳化硅外延片后进一步加工制成导电型碳化硅功率仅器件，品种涵盖所造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等。导电型碳化硅功率器件具备耐高压、耐高温、低能量损耗等性能优势，主要用做电动汽车、光伏发电、轨道交通、数据中心、电池等基础建设。碳化硅对照传统硅材料优势著重碳化硅半导体控制器的禁带宽度就是普通硅质控制器器件的3倍左右，临界踢穿电场强度更是高少于硅质半导体控制器的10倍以上，因此所，大力支持功率电子电路在距强于100V/ns和10A/ns的电压和电流摆率下工作。能顺受的峰值电压更高，输出功率更大。增加导通电阻，就是增加器件损耗的必要条件。对于高压硅基功率器件来说，为了维持比较高的射穿电压，通常仍须使用较低掺杂率仅以及比较宽的漂移区，因此漂移区电阻在总电阻中占比较大。而碳化硅材料高临界电场强度的特性意味著，单位面积下碳化硅器件的导通电阻更高，即为为相同电压等级下，碳化硅半导体控制器仍须的漂移区厚度比硅质半导体控制器器件更薄，并使功率模块整体尺寸更大，从而能够非常大提高整个模块的功率密度。碳化硅引入充电桩，快速电池再升级电池模块就是充电桩的核心零部件，约占充电桩总成本的50%；其中，半导体功率器件又占到电池模块成本的30%，即为为半导体功率模块约占充电桩成本15%。在高压快补授的趋势下，碳化硅器件的运用能有效率解决充电桩设备目前亟须采用更耐磨高压、耐高温、安全的新型器件的痛点，降本增效同时同时实现电动车快速电池。从效率角度来看，SiCMOSFET和二极管产品依赖其耐磨高压、耐高温、控制器频率快的特性，可以较好地用做充电桩模块。与传统硅基器件较之，碳化硅模块可以增加充电桩近30%的输出功率，并且减少损耗高达50%左右。同时，碳化硅器件的抗辐射特性还能够进一步进一步增强充电桩的稳定性。从成本角度来看：碳化硅的优秀特性能够有效率提高单位功率密度，减小模块体积并精简电路设计，对增加充电桩产品成本功不可没至关重要的促进作用。3.碳化硅在其他电力设备中亦被广为运用碳化硅亦被广为运用在其他电力设备中中国碳化硅功率器件应用领域市场规模飞速快速增长，从2017年的18.5亿元快速增长至2021年的71.1亿元，CARG少于40.01%。鉴于碳化硅材料在低电压下的优良性能，碳化硅材料在新能源汽车、光伏逆变器等产业都存极为理想的应用领域前景。截至2021年碳化硅器件在新能源汽车/消费类电源/光伏逆变器/机车除雪/风力发电产业的应用领域占比分别为40%/19%/15.50%/12.00%/6.50%8。未来随着新能源汽车以及光伏产业高压驱动，碳化硅器件市场规模除了非常小脱胎换骨空间，在电力设备行业中将存更大的应用领域。新能源车：“千伏”电驱动直流电打翻平台，运用SiC成趋势鉴于SiC的性能等各方面明显优于传统材料，国内外知名零部件及整车企业均在积极推动碳化硅器件的应用。其中，特斯拉是全球第一家将SiCMOSFET应用于乘用车主逆变器的厂商。随后国内厂商迅速跟进，比亚迪在汉EV上搭载了自主研发的SiC功率模块，东风岚图亦于2019年发布基于SiC的800V高压平台。此外，头部零部件企业德尔福等均已发布基于SiC的800V高压逆变器或电驱动系统。从车规器件层面来看，1200V的SiCMOS已成为当前应用主力。从SiC模块来看，1200V的SiC模块已成为当前的主流成熟产品，可以较好满足800V电压平台的批量应用。但目前碳化硅基功率器件市占率仅约5%，行业仍处于发展的早期，相关技术选型、工艺路线、客户绑定以及电动车格局等远未定型，也给国内企业留下了足够的空间和时间。光伏：逆变器布局SiC优势著重，市场渗透率不断增加光伏装机快速增加，驱动逆变器市场需求快速增长。据中国光伏行业协会数据说明，2022年全球光伏新增装机230GW，同比快速增长35.3%，预计2023年全球新增光条叶装机量将超过至280-330GW，逆变器作为光伏发电系统中的关键组件之一，光伏行业的高速快速增长也必然可以发推喊叫逆变器的市场需求大幅增加。光伏行业趋势明确，逆变器应用领域碳化硅优势著重。随着光伏行业迈入“后1500V”以及“20A大电流”时代，必须投入使用更大组串，进一步降低成本，仍须增加组件工作电压和提高电站的电压等级，采用SiC后，光伏逆变器系统转型效率可以从96%提升至99%以上，能量损稀增加30%以上，功率密度增加50%，能显著提高循环设备的使用寿命，增加系统的体积，节约系统成本10%。多家逆变器企业布局SiC，市场渗透率不断增加。基于碳化硅的优良性能，多家光伏逆变器企业布局SiC领域，跨国企业英飞凌、安森美、富士电机等已经实现规模化应用，国内企业阳光电源推出第一款采用SiCMOSFET器件的光伏逆变器，于2017年规模化应用。CASAResearch数据显示，2020年碳化硅功率器件在光伏逆变器的渗透率为10%，仍处于低位，随着光伏电压等级的提升，碳化硅光伏逆变器的渗透率将不断提高，预计2048年将达到85%。4.投资分析盛弘股份：应用碳化硅技术，引领电能质量新时代聚焦充电模块核心技术，领先电能质量领域。盛弘股份以电能质量设备起家，逐步拓展储能、充电桩、电池化成领域，始终坚持技术革新以及产品优化，引领行业产品向“高端化、智能化”发展。公司业务主要聚焦于工业配套电源、新能源电能变换设备、电动汽车充电设备、电池检测及化成设备，目前近60万套充电模块及6万套充电桩在线运行，产品覆盖全球50多个国家及地区。公司电能质量产品已经覆盖谐波治理、无功补偿、地铁储能、电压暂降、保障用电安全的工业UPS等领域。布局大功率超充，引领充电“分钟级”时代。2022年8月，盛弘股份推出40KWSiC高效充电模块，显著降低电源损耗，提高开关频率、延长桩的使用寿命；2022年11月，盛弘股份坚持高效“智”造，推出50kW直流充电模块，最高效率超过97%，是目前行业内实测效率最高的一款50kW模块；2023年2月，盛弘股份持续聚焦碳化硅产品创新，发布APF碳化硅P5系列；2023年6月，盛弘股份宣布与Wolfspeed合作，携手开发新碳化硅产品。英杰电气：新能源业务拓展迅速，电源引入碳化硅新工艺主营工业电源构筑平台优势，新能源业务发展十分迅速。公司作为国内综合性工业电源研发及生产领域具有较强实力和竞争力的企业之一，著眼于电力电子技术在工业各领域的应用领域，主要专门从事以功率掌控电源、特种电源为代表的工业电源设备的研发、生产和销售。在绿色经济趋势下，公司基于自身工业电源技术的平台优势，开拓了新能源汽车充电桩电源模块及充电桩/东站研发及生产业务，并自主设计研发了一系列满足用户相同功率市场需求的电动汽车电池设备。亮相上海光伏展，新工艺引入碳化硅器件。公司携前沿电源系统解决方案亮相上海于2023年5月24-26日举行的“SNEC第十六届(2023)国际太阳能光伏与智慧能源(上海)大会暨展览会”向外界展出了太阳能光伏产业链一体化电源解决方案，其中应用的高性能射频电源，结合