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SiC如何為“新基建”提供Power

3月4日,在中共中央政治局常務委員會召開的會議上,決策層強調,要加快推進國家規劃已明確的重大工程和基礎設施建設,其中要加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度——這短短的一句話,讓“新型基礎設施建設”再次成為熱詞。
新型基礎設施建設是指發力于科技端的基礎設施建設,主要包含5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城際軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網等七大領域,涉及到通信、電力、交通、數字等多個社會民生重點行業。
SiC是第三代半導體材料的代表。以硅而言,目前SiMOSFET應用多在1000V以下,約在600~900V之間,若超過1000V,其芯片尺寸會很大,切換損耗、寄生電容也會上升。SiC器件相對于Si器件的優勢之處在于,降低能量損耗、更易實現小型化和更耐高溫。
SiC功率器件主要定位于功率在1kw-500kw之間、工作頻率在10KHz-100MHz之間的場景,特別是一些對于能量效率和空間尺寸要求較高的應用。如電動汽車車載充電機與電驅系統、直流充電樁(快充樁)、光伏微型逆變器、高鐵、智能電網、工業級電源等領域,可替代部分硅基MOSFET與IGBT。 
▼SiC應用領域及其市場空間(百萬美元)


據IHS數據顯示,2017年全球SiC功率器件市場空間約為3.99億美元,預計整體需求規模2017-2023年復合增速約為26.6%,2023年全球需求有望達到16.44億美元。下游主要應用場景,包含UPS電源、電動車、充電樁、電機、光伏、軌交以及航天軍工等領域,其中電動車、充電樁等領域增長強勁,預計CAGR有望達81.4%/58.0%;此外,UPS、光伏等市場空間亦相對較大。
Cree發布于2019年5月的SiC產能擴大計劃

資料來源:Cree,Astroys,中信建投證券研究發展部

EV:車型商用逐步開啟,增長動力充足
TeslaModel3開始采用意法半導體(STM)定制的SiC-MOSFET,參數為650V/100A,每一輛Model3搭載24個650V/100ASiC-MOSFET模塊,每個模塊中2片SiC芯片并聯。

TeslaModel3逆變器結構


資料來源:《TeslaModel3動力系統(主逆變器)解析(二)》(楊逸軒)

結合Model3對于MOSFET(SiC)(STM配套)的應用,綜合考慮使用MOSFET(SiC)帶來的電池成本、磁材成本和其他成本的系統經濟性,經測算得到當電池容量達到75kWh時,使用MOSFET(SiC)可在系統單位成本上獲得正向經濟性。若結合不同的SiC-MOSFET成本降速,中性假設下,SiC-MOSFET在系統成本上實現經濟性在未來3-4年內是可期的。 
2月28日,比亞迪公布了自主研發并制造的高性能SiC-MOSFET控制模塊。據新聞報道,比亞迪的SiC模塊能夠降低內阻,增加電控系統的過流能力,大幅提升電機的功率與扭矩,該模塊將搭載在比亞迪漢EV車型上。目前看,全球領先的EV主機廠商正全面加速SiC器件在具體車型的商業化應用。
軌道交通:能效優勢顯著
軌道交通行業也是碳化硅功率器件主要指標應用行業之一。未來軌道交通對電力電子裝置,比如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率,將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統。目前,受限于碳化硅功率器件的電流容量,碳化硅混合模塊將首先開始替代部分硅IGBT模塊。未來隨著碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模塊將在軌道交通領域發揮更大的作用。SiC器件可以實現設備進一步高效率化和小型化,在軌道交通方面具有巨大的技術優勢。
使用SiC-PE的列車直流系統中的能源流

資料來源:橡樹嶺國家實驗室
其一,SiC器件可以將功率損耗從5-6%減少到2-3%。其二,SiC良好的高溫性能可以減少冷卻系統體積,高頻的特性可以減少30%的逆變器重量,因此節約了3.2-8.6%能源。其三,高頻也使得逆變器和發動機可以快速響應,進一步提高效率。
分類別軌道交通功率半導體情況

資料來源:Yolo,中信證券研究部
從相關制造商布局來看,SiC在軌道交通市場的滲透以日本廠商為主,整體呈現由混合SiC產品到全SiC產品過渡的趨勢。
企業布局和產品進展情況

資料來源:日立官網,Electronicsmedia,Railwaytechnology,Powerpulse,中信證券研究部
通信:5G產業化孕育巨大空間
2001年,Infineon將600V的SiC二極管與硅基器件組合用于PFC通訊電源中,打開了SiC功率器件的市場。目前,數據中心和通訊電源市場是SiC功率器件的最大下游應用市場。
通訊電源是服務器,基站通訊的能源庫,為各種傳輸設備提供電能,保證通訊系統正常運行,通信電源系統在整個通信行業中占的比例比較小,但它是整個通信網絡的關鍵基礎設施,是通信網絡上一個完整而又不可替代的關鍵部件。
SiC-MOSFET的高頻特性使得電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕,SiC-JBS反向恢復時間“零”特性使得電路的開關損耗大幅度降低,在數據中心和通訊電源中具有巨大優勢前景。
其中,通信電源主要由可控PFC、逆變和整流三部分組成,以Wolfspeed為例,其在PFC中采用6個1200V/50A的SiC-MOSFET模塊。
通信電源主要由可控PFC、逆變和整流組成

資料來源:英飛凌
根據RichardsonRFPD的數據,10kW交錯升壓轉換器中,功率半導體價值量如下表所示,SiC器件的用量基本為160-170美元。
10kW交錯升壓轉換器功率半導體價值量(美元)

資料來源:RichardsonRFPD,中信證券研究部
預計2020-2028年,5G產業化中僅中國市場就將帶動超450萬座基站建設,潛在需求空間巨大。
2019-2028年中國5G基站集采規模測算(萬站)

光伏:全生命周期優勢明顯,降本速度將深度影響初始投資
目前,光伏行業是SiC功率器件的第二大應用市場,占SiC功率器件市場超過30%以上。SiC光伏逆變器效率可以達到99%以上,能量轉換損耗可以降低50%以上,可極大地降低逆變器的成本和體積。
光伏逆變器正持續向高效、高可靠和高功率密度方向發展,而SiC功率器件可以憑借低通導、開關損耗,無Si基器件的電流拖尾現象,高開關頻率實更高效發電;SiC更高的效率可降低損耗、減少溫度循環、提升器件壽命,實現安全可靠;高開關頻率減小無源器件體積,縮小逆變器的體積和重量;全生命周期角度可節省投資。
中國及海外市場當年新增光伏裝機規模(MW,左軸)及IGBT采購需求(億元、右軸)

過去兩年,光伏(PV)逆變器市場經歷了IGBT/SiC混合升壓模塊的加速推出,并在2019年開始逐步應用全SiC模塊,目前看制約大規模應用SiC功率器件的主要因素,仍是SiC價格導致的較高的初始采購成本,預計有望隨著SiC單位成本的下降而逐步改善。


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