新能源汽车市场成为 SiC 半导体应用的主要驱动力

2023-06-20 12:55:26  浏览：590  作者：Mutiger

一、800V高压平台发展趋势推动第三代半导体渗透提速

“SiC”+“800V”组合逐步成为新能源汽车行业的布局热点，加快推动第三代半导体渗透提速。第三代半导体电力电子器件在耐压等级、耐高温、开关频率、开关损耗等方面的性能优势，使其成为800V趋势下最大受益元器件。目前业界已有至少10家车企（大众PPE平台、奔驰EVA、现代E-GMP、通用奥特能、小鹏、比亚迪e平台3.0、东风岚图、吉利SEA浩瀚、广汽埃安、理想）宣传布局800V高压平台，从量产时间来看，各大车企基于800V系统的新车将于近两年陆续上市，但真正800V的产品进入市场预计要到2024年左右。从车型看，高端电动车或电动跑车将采用800V架构，而400V架构仍将是大众化市场的标准。

图表1sic与igbt器件在电动汽车不同工况情况下的比较

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数据来源：英飞凌， CASA Research

车企对半导体供应链重视程度加深， 不少车企开始通过自主研发、投资参股或者建立联盟的方式，沿产业链向上布局 SiC、 GaN，绑定产能并加快研发进展。 广汽、上汽、小鹏、长城、北汽、奇瑞等众多车企参投功率半导体，而比亚迪、吉利、零跑均通过收购开始自主生产 SiC 功率产品。 未来几年， SiC 产业将在电动汽车市场需求推动和产业链厂商积极入局下，不断取得突破性进展。 此外，多家企业开始推动 GaN 在新能源汽车领域的应用， Nexperia、 Transphorm、 GaN Systems 等推出车规级 GaN HEMT 商业化产品。而 GaN 无线感应高频充电方案具有发展潜力，未来将更多地配备在高端电动车上。


二、新能源汽车市场超过 40 亿


新能源汽车进入高速成长期。 据中汽协数据， 2021 年中国新能源汽车产量达到 354.5 万辆，同比增长约 159.52%，市场渗透率达 13.59% （ 2020 年为 5.42%）。 市场普遍预期 2025 年我国新能源汽车销量将在 600 万辆- 900 万辆之间，我国新能源汽车产业进入高速成长期。


SiC 在新能源汽车渗透提速。 据调研， 续航里程 500km 以上车型的电机控制器 SiC 渗透率到 2023 年将到 100%； 续航里程 400km- 500km 新能源汽车车型电机控制器将在 2023 年左右开始使用 SiC 功率半导体，整体渗透率在 40%左右； 续航里程 400km 以下车型电机控制器将在 2025 年以后使用 SiC 功率半导体，整体渗透率小于 10%。而 OBC/DCDC 的市场渗透进度要远远高于电控。 车型应用范围开始从高端车型往下探，如比亚迪新推出的 9 万-12 万元的经济车型中采用 SiC 平台，且支持 800V 的高压快充。


CASA Research 预计， 2021 年车用 SiC、 GaN 市场约为 40.5 亿元，到 2026 年将达到 267.3 亿元，年均增速约 45.9%； 充电站/桩用第三代半导体电力电子市场约 5400 万元， 2026 年约 24.9 亿元，年均增速 115%。 折算成晶圆，国内 2021 年车用 SiC 晶圆需求量（折算 6英寸）超过 15 万片，预计 2026 年需求量将超 100 万片。


图表 2 新能源汽车市场第三代半导体电力电子市场规模（亿元）

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                                                                                                                                                                                                                                                                                                 数据来源： CASA Research

图表 3 新能源汽车市场 SiC 晶圆需求预测（万片）
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                                                                                                                                                     数据来源： CASA Research

三、 PV 光伏高速增长，消费电子持续爆发， 

1） PV 光伏市场近 5 亿，未来五年增速将超过 30%


高效率、高功率密度，高可靠性和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。 近年来光伏电站电压等级从 1000V 提升至 1500V， 未来将进一步提升至 1700V 乃至 2000V， 随着光伏行业迈入“后 1500V” 以及“20A 大电流”时代，要建成更大组串，进一步降低成本， 需要降低组件工作电压和提高电站的电压等级， SiC、 GaN 的性能优势凸显。 据Wolfspeed 数据，采用 SiC 后， 光伏逆变器系统转化效率可从 96%提升到 99%以上，能量损耗降低 30%以上， 功率密度增加 50%， 能显著提高循环设备的使用寿命，降低系统的体积， 节约系统成本 10%。


2021 年，整个光伏市场景气发展，光伏逆变器市场也迎来了发展风口。 据中国光伏协会数据， 2021 前 11 个月， 中国大陆已新增光伏装机 34.83GW，增幅为 34.6％， 预计全年将达 60GW，突破历史新高。 在光伏领域， SiC、 GaN 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%。在“双碳” 背景下，以光伏为代表的新能源未来几年将呈现高速增长，预计光伏用第三代半导体电力电子市场规模将接近 20 亿元，年均增速超过 30%。


2） GaN 快充渗透加速，从手机扩展至其他产品


随着 GaN 电力电子技术在手机、笔记本、平板、充电宝等消费电子快速普及， 其在户外电源、新能源汽车、电动工具、汽车充气泵等产品领域也开始逐步突破。


2021 年 GaN 快充作为手机的标配已经开始成为市场主流， 百瓦级 GaN 快充产品增加。 通过 PFC+LLC 拓扑结构，百瓦级 GaN 快充以 SiC 二极管搭配 GaN 开关管，同时实现提高使用效率和缩减体积，受到广大厂商推崇。 除 PD 快充以外，消费电子市场还有两个趋势值得关注，一是大功率快充产品的前端 PFC 电路中采用了 GaN电力电子器件， 二是苹果、华为、三星等移动设备厂商在研发基于 GaN的高频无线感应充电产品来提升移动产品的无线充电性能。 这两个细分领域，有望成为之后 GaN 功率产品在消费电子领域的新增长点。


图表 4 PD 快充 GaN 电力电子器件市场规模（亿元）

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图表 5 PD 快充 6 英寸 GaN-on-Si 晶圆需求量（万片）

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CASA Research 数据显示， 2021 年国内 PD 快充用 GaN 电力电子器件市场规模约 6.5 亿元，预计 2026 年可达 50 亿元，年均增速约50%， 折算到上游晶圆需求量约为 68 万片。


四、GaN 微波射频市场规模达 73 亿元


据 CASA Research 统计， 2021 年国内 GaN 微波射频市场规模为73.3 亿元，较上年同比增长近 11%。

图表 6 2017-2026 年我国 GaN 射频应用市场规模（亿元）

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图表 7 2021 年我国 GaN 射频应用市场结构

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无线基础设施建设是影响 GaN 微波射频器件市场规模变化的主要因素。 全国各地 5G 宏基站建设在近几年达到高峰，过去两年均超过 60 万站。 2021 年我国 5G 基站用 GaN 射频规模 36.8 亿元。 2023年以后， 毫米波基站部署将成为拉动市场的主要力量，带动国内 GaN微波射频器件市场规模成倍数增长。 折算成晶圆来看， 2021 年国内5G 宏基站生产对 4 英寸 GaN 晶圆需求量约 8.4 万片，未来 5 年总需求将超过 60 万片。若毫米波基站开始部署，其 4 英寸 GaN 晶圆总需求约为 200-400 万片。