一个板块涵盖所有人气赛道：风电，光伏，电动车，机器人，半导体-风暴投资多少钱

资料整合：暴风眼投研部

前言

1. IGBT是什么？

学术定义

：IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）双极型三极管和绝缘栅型场效应管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）组成的复合

全控

型电压

驱动

式功率半导体器件, 兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管（Giant Transistor，GTR）的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

（Reference：

百度百科

）

通俗理解

：由一个MOSFET和一个BJT组成。MOSFET低压（仅承受20-800V）、IGBT高压（可承受1000V以上）。主要通过

脉宽调制（MCU发出的电子脉冲）

，把输入的直流电变成交流电、交流电变成直流电。在半导体行业分类中属于分立器件（半导体行业分类分为四种：集成电路、分立器件、传感器、光电子）。但一般来说，IGBT的产品形式不是以分立器件的形式出现，而是以封装后的模块形式出现（可以理解为CPU与SOC的类似形式）。

（Reference：

盘点国内IGBT企业

）

换句话说，IGBT是“非通即断”的开关，它可以将直流电压逆变成频率可调的交流电，主要用于变频逆变和其他逆变电路，被称为是“电力电子装置的CPU”。

（Reference：

大火的IGBT到底是什么？一文帮你弄明白

）

2. 发展历程

IGBT不追求摩尔定律

。发展趋势是降低损耗与生产成本（即

降本

）。

从材料角度来看分为三个阶段：

阶段

材料

特点

第一代

Ge、Si

适用于数据的运算和存储

第二代

GaAs、InP III-V族化合物

主要解决信息通信

第三代

SiC、GaN III-V族化合物

在电和光的转化方面性能突出，在微波信号输出方面效率更高

（Reference：三分钟了解第三代半导体材料：碳化硅）

从技术面角度来看分为三个阶段：

阶段

技术形式

特点

在售情况

一

平面栅型

第一、二代归属此类。工艺复杂、成本高。

第二代在售

二

沟槽栅型

第三、四、五、六代归属此类。减少体积、功耗。包括Trench Stop

均在售

三

微沟槽型

第七代归属此类。更大程度减少了体积、功耗。

英飞凌在售

（Reference

：

盘点国内IGBT企业

）

（Reference：

大火的IGBT到底是什么？一文帮你弄明白

）

3. 应用场景

（Reference：

一篇文章看懂国内外IGBT产业链

）

应用领域排序：新娘能源汽车>消费电子>工业控制>新能源发电

4. 明确IGBT的产业链模式是否遵循半导体产业链模式（即生产的流程是否一致）？

一致；IGBT行业根据芯片制造的工序，又可依次划分为芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试三个环节。相较于手机芯片的制造工艺及设备来说，要求没有这么高。

（Reference：

国产高铁IGBT芯片技术崛起，打破国外多年垄断！

）

IGBT 行业产业链包括芯片设计、芯片制造和模块的设计、制造和测试，其中 IGBT 芯片是 IGBT 行业的核心。

IGBT 行业产业链示意图：

（Reference：斯达半导-首次公开发行股票招股说明书）

芯片产业链

IGBT产业链沿用半导体中芯片的产业链（泛指）。因此，用芯片产业链进行切入，同时，也是对半导体行业芯片产业链的回顾。

设计-制造-封测

（Reference：

史上最全的半导体产业链全景!

）

生产芯片的成本划分：

设计：较难估算

制造

：设备成本-按折旧估算-无确切数值、材料成本（硅、掩模版、光刻胶等）（约20%）

（Reference：

芯片需要哪些材料？制造芯片要用到什么？

）

封测：一般占比约20%

（Reference：

封测成本占据芯片成本多大的比例？

）

用公式表达为：

芯片成本

=芯片硬件成本+芯片设计成本

设计成本难以进行估算，能量化的费用如IP授权费（但IGBT不是IC设计，门槛较低不涉及架构体系）。

（Reference：

芯片的成本包括芯片的硬件成本和芯片的设计成本

）

芯片硬件成本

=(晶片成本+测试成本+封装成本+掩膜成本)/最终成品率

从二氧化硅到市场上出售的芯片，要经过制取工业硅、制取电子硅、再进行切割打磨制取晶圆。晶圆是制造芯片的原材料，晶片成本可以理解为每一片芯片所用的材料(硅片)的成本。

（Reference：

芯片的硬件成本构成

）

掩模版成本是按产量进行分摊的，如果掩模版在芯片成本中占比较大，那么就是芯片的产量不足（或者说需求不足），产出较少，均摊成本较高。

（Reference：

芯片的成本包括芯片的硬件成本和芯片的设计成本

）

（Reference：

史上最全的半导体产业链全景!

）

相互佐证之下，芯片设计的成本可能最低（难以估算），但收入最高；芯片制造的成本可能最高，但收入最低；芯片封装的成本可能第二，收入第二。

按生产环节成本推算：

制造>封测>设计

；

按生产环节收入推算：

设计>封测>制造

。

因此，最不存在投资价值的环节是芯片制造商。但相对的，具备投资价值的是设备、材料提供商，出钱的是制造商，赚钱的是材料、设备商。

芯片制造流程：

（Reference：

史上最全的半导体产业链全景!

）

芯片制造商-设备成本：

（Reference：

中国半导体设备现状

）

半导体设备位于整个半导体产业链的上游，在新建晶圆厂中半导体设备支出的占比普遍达到 80%。一条晶圆制造新建产线的资本支出占比如下：厂房 20%、晶圆制造设备 65%、组装封装设备 5%，测试设备 7%，其他 3%。其中晶圆制造设备在半导体设备中占比最大，进一步细分晶圆制造设备类型，光刻机占比 30%，刻蚀 20%，PVD15%，CVD10%，量测 10%，离子注入5%，抛光 5%，扩散 5%

二者都是薄膜淀积设备，分为物理气相沉积（PVD)和化学气相沉积（CVD），其中CVD工艺设备占比更高。

物理气相沉积（PVD）指将材料源表面气化并通过低压气体/等离子体在基体表面沉积，包括蒸发、溅射、离子束等；

化学气相沉积（CVD）是指通过气体混合的化学反应在硅片表面沉积一层固体膜的工艺，根据反应条件（压强、前驱体）的不同又分为常压CVD（APCVD）、低压CVD（LPCVD）、等离子体增强CVD（PECVD）、高密度等离子体CVD（HDPCVD）和原子层沉积（ALD）。

（Reference：

薄膜沉积设备解析——PECVD/LPCVD/ALD设备的原理和应用

）

P.S.：设备各环节涉及厂商可以参考资料：

Reference：

中国半导体设备现状

Reference：

薄膜沉积设备解析——PECVD/LPCVD/ALD设备的原理和应用

芯片制造商-材料成本：

（Reference：

策略研究深度报告-俄乌冲突结果预演以及对各行业影响分析

）

芯片封测商-设备成本：

（Reference：

半导体封测设备行业深度研究——后道测试设备

）(2018年数据)

芯片封测商-材料成本：

封装材料包括封装基板、引线框架、键合丝、包装材料、陶瓷基板、芯片粘结材料等，其中封装基板是目前所有封装材料中最为紧缺的产品，也是封装市场占比最大的原材料，占封装材料比重达40%。其次便是引线框架，作为是半导体封装的重要材料，其占比仅次于封装基板，约为15%的份额。

（Reference：

原材料全球紧缺，封测产能紧缺到2022年

）

半导体封装用PCB，其基板材料，若是单面、或双面板所采用的是覆铜板。

IGBT产业链

半导体/电子元器件的直观分类图：

（Reference：

半导体产业链最强全面解析

）

（Reference：

一篇文章看懂国内外IGBT产业链

）

前置问题：

功率半导体的种类？

（Reference：

大火的IGBT到底是什么？一文帮你弄明白

）

前置问题：

什么是IGBT单管、芯片、模块？

IGBT由芯片和封装构成的（即我们一般理解的IGBT模块），芯片也称为晶圆，也是IGBT最核心的东西，实现IGBT电气开关功能，封装是给芯片搞个外壳，再把门极，集电极，发射极引出来。

IGBT根据功率大小一般分为分立器件和模块，分立器件可以直接焊接在PCB上，封装有to247-3，-4等，里面一般只包含一个芯片，也可以称为单管。IGBT模块功率比较大，里面有很多IGBT芯片串，并联组成，可以焊接，压接，或螺栓固定外部端子。有些模块内部芯片如果存在串联，这样就可以实现半桥结构，当然还有全桥结构，里面有6个IGBT，也有其它结构的，总之非常灵活，要看具体的电路功能，怎么封装都可以，这类器件就不能称为单管了。

（Reference：

IGBT芯片、单管、模块、器件的区别

）

生产流程即：IGBT设计-IGBT芯片（单管）制造-IGBT模块（集成/组装、封测）

IGBT生产流程：

（Reference：

IGBT功率半导体研究框架

）

斯达半导披露的IGBT芯片/模块生产流程图：

（Reference：斯达半导-首次公开发行股票招股说明书）

阶段一：芯片和模块设计。公司产品设计包含

IGBT 芯片

、

快恢复二极管芯片的设计

和

IGBT 模块的设计

。本阶段公司根据客户对 IGBT 关键参数的需求，设计出符合客户性能要求的芯片；根据客户对电路拓扑及模块结构的要求，结合IGBT 模块的电性能以及可靠性标准，设计出各满足各行业性能要求的 IGBT 模块。

阶段二：芯片外协制造。公司根据阶段一完成的芯片设计方案委托第三方晶圆代工厂如

上海华虹、上海先进

等外协厂商外协制造自主研发的芯片，公司在外协制造过程中提供芯片设计图纸和工艺制作流程，不承担芯片制造环节。

阶段三：模块生产。模块生产是应用模块原理，将单个或多个如 IGBT 芯片、快恢复二极管等功率芯片用先进的封装技术封装在一个绝缘外壳内的过程。由于模块外形尺寸和安装尺寸的标准化及芯片间的连接已在模块内部完成，因此和同容量的器件相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高、外接线简单、互换性好等优点。公司主要产品 IGBT 模块集成度高，内部拓扑结构复杂，又需要在高电压、大电流、高温、高湿等恶劣环境中运行，对公司设计能力和生产工艺控制水平要求高。本阶段公司根据不同产品

需要采购相应的芯片、DBC、散热基板等原材料

，通过芯片贴片、回流焊接、铝线键合、测试等生产环节，最终生产出符合公司标准的 IGBT 模块。

公司外协加工主要存在于 IGBT 模块材料准备阶段，除了自制 IGBT 芯片及快恢复二极管芯片通过芯片代工厂进行外协制造之外，一些非核心部件的加工环节如功率端子电镀等交由外协厂商进行加工生产。

（Reference：斯达半导-首次公开发行股票招股说明书）

IGBT模块竖截面图：

（Reference：

IGBT功率半导体研究框架

）

IGBT芯片设计流程图：

（Reference：斯达半导-首次公开发行股票招股说明书）

IGBT芯片设计考虑因素：

（Reference：

IGBT功率半导体研究框架

）

三角为：通态损耗、开关损耗、稳定性

。增加掺杂浓度-降低通态损耗，提高开关损耗。降低掺杂浓度-提高通态损耗，降低开关损耗。降低漂移层-降低通态损耗，降低开关损耗。

P.S.：通态损耗功率是器件在导通状态时的稳态损耗。

IGBT损耗研究：

（Reference：

英飞凌小课堂 | 如何判断IGBT模块的寿命和可靠性？

）

没有通用固定的损耗，不同功率、不同使用场景、甚至不同使用习惯都能导致寿命的变化。图形可以看出故障率在早期和损耗期较高，在中间较低。一般来说，IGBT设计寿命均较高（3年以上），但实际寿命较难统计。

IGBT芯片制造工艺：

（Reference：

IGBT功率半导体研究框架

）

IGBT模块封装设备：

（Reference：

IGBT功率半导体研究框架

）

（Reference：

IGBT功率半导体研究框架

）

IGBT模块

封装工艺

封装材料

高压

标准焊接封装

液态金属或者液态合金

低压

烧结、压力接触、无基板封装

烧结-细银粉、压力连接-压力

IGBT行业状况

竞争格局：

（Reference：

2021年全球及中国IGBT行业发展现状分析，国产替代为行业发展重点目标

）

在各领域的应用：

（Reference：中金-斯达半导-国产IGBT模块龙头，受益于新能源汽车行业高速增长2020.10.12）

1）新能源汽车

IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用，是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。

IGBT模块

占电动汽车成本将近10%

，

占充电桩成本约20%

。IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面：

A）电动控制系统-大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机；

B）车载空调控制系统-小功率直流/交流(DC/AC)逆变，使用电流较小的IGBT和FRD；

C）充电桩-智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用；

（Reference：

太厉害了，终于有人能把IGBT讲得明明白白

）

（Reference：

IGBT功率半导体研究框架

）

电动车半导体

单车价值量激增，

逆变器用功率半导体

占比最高。据英飞凌，电动车的半导体单车价值量较燃油车增长约950美元，其中约900美元来自功率半导体的使用，而

逆变器使用的功率半导体

，

占单车功率

半导体总价值量75%左右

。功率器件（IGBT和碳化硅MOS）是逆变器核心器件，也是车辆性能的主要保证方式之一。

（Reference：中航证券-行业报告-汽车功率半导体深度2022.08.05）

（Reference：中航证券-行业报告-汽车功率半导体深度2022.08.05）

部分主机厂、Tier合作方：

（Reference：中航证券-行业报告-汽车功率半导体深度2022.08.05）

2022Q1国内车载IGBT出货情况：

（Reference：中航证券-行业报告-汽车功率半导体深度2022.08.05）

（Reference：中航证券-行业报告-汽车功率半导体深度2022.08.05）

（Reference：中航证券-行业报告-汽车功率半导体深度2022.08.05）

在网上进行搜索，能够搜索到第七代IGBT斯达半导的消息，目前拥有IGBT第七代技术的仅英飞凌。

Reference：

一个器件卖出500亿！IGBT国产厂商纷纷加速“上车”

、

斯达半导(603290)：第七代IGBT即将量产 SIC电控持续突破（2021.08.30）

2）智能电网

IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端：

从发电端来看，风力发电、光伏发电中的

整流器和逆变器

都需要使用IGBT模块。

从输电端来看，特高压直流输电中FACTS

柔性输电技术

需要大量使用IGBT等功率器件。

从变电端来看，IGBT是

电力电子变压器

（PET）的关键器件。

从用电端来看，

家用白电、 微波炉、 LED照明驱动

等都对IGBT有大量的需求。

（Reference：

太厉害了，终于有人能把IGBT讲得明明白白

）

3）轨道交通

IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件，而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一。

（Reference：

太厉害了，终于有人能把IGBT讲得明明白白

）

（Reference：

IGBT功率半导体研究框架

）

中国IGBT公司产业链分布：

（Reference：

IGBT功率半导体研究框架

）

IGBT-SiC技术迭代

分为：碳化硅材料、碳化硅功率器件

碳化硅材料

碳化硅材料优势：

（Reference：中金公司-碳化硅材料-乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追2022.01.13）

（Reference：中航证券-行业报告-汽车功率半导体深度2022.08.05）

新能源车+快充充电桩：

为了

延长电动车的续航里程

，

缩短充电时间

，我们看到整个

车内高压系统逐渐由 400V 到 800V 演进

，充电桩端电压也逐渐升级。因此，我们认为，在技术层面上急需耐高压、低损耗的新型功率器件。相较硅基器件，

碳化硅器件损耗低，可以提高整体功率电子的效率和降低体积

，更满足 800V 高压下新能源车对

电能转换效率

的要求。近年来，新能源车厂商响应下游需求，纷纷推出应用碳化硅器件的新车型，为碳化硅带来增长机遇。

（Reference：中金公司-碳化硅材料-乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追2022.01.13）

光伏发电：

光伏逆变器通过切换直流输入电流的极性来工作，使其接近交流输出。为了提高效率、工作电压和功率容量，逆变器需要平衡开关频率。根据中商情报网数据，光伏发电中，基于硅基器件的传统逆变器

成本约占整体的 10%

，却

产生了大量系统能量损耗

。根据中国汽车工业信息网数据，搭载 SiC MOSFET 或相关功率模块的光伏逆变器，

转换效率可由 96%提高到超过 99%

，

能量损耗将降低 50%以上

，

设备使用寿命延长 50 倍

，有利于缩小系统体积、提高功率密度和降低生产成本。由于功率转换效率与开关频率直接相关，

碳化硅既可以处理比硅更高的电压

，

又可以确保转换效率所需的超高转换频率

，更适用于光伏发电。根据我们整理，英飞凌在 2012 年便推出第一款 CoolSiC 系列器件，随后富士电机、三菱电机、西门子等厂商也纷纷推出各自的碳化硅功率器件/逆变器，提升能量转换能效（如图 8）。2021 年，世界三大再生能源研究机构之一的德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）研发出一款“高阻 SiC 逆变器”，为公用事业规模的光伏项目提供中压系统连接解决方案。

（Reference：中金公司-碳化硅材料-乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追2022.01.13）

碳化硅衬底生产流程：

（Reference：中金公司-碳化硅材料-乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追2022.01.13）

与传统硅基器件不同

，

碳化硅器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上

，需要对碳化硅衬底进行外延

。外延是指

在碳化硅衬底的基础上，经过外延工艺生长出特定单晶薄膜，衬底晶圆和外延薄膜合称外延片

，碳化硅器件只能在碳化硅外延片的基础上进行制作，因此对外延层质量要求非常高。随着耐压能力的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备难度也随之增加。电压在 600V 左右时，所需要的外延层厚度约 6 微米；电压在 1200-1700V 之间时，所需要的外延层厚度达到 10-15 微米；若电压达到一万伏以上时，需要 100 微米以上的外延层厚度。目前，

在

低、中压领域

，碳化硅外延技术相对成熟

；但

在高压领域，我们认为 SiC 材料需要攻克的难关还很多，主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等

。

（Reference：中金公司-碳化硅材料-乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追2022.01.13）

衬底和外延是碳化硅器件生产过程中附加值最高的两大工序。根据 CASA Research 数据，碳化硅器件的成本构成中，

衬底占比 47%

，

外延占比 23%

，二者合计约 70%，是碳化硅器件制造产业链的重要组成部分。我们认为，随着衬底及外延技术不断成熟，未来碳化硅器件前端工艺的价值量占比有望提升，但由于其材料生长工艺壁垒高，所包含必要劳动时间长，长期来看衬底及外延层的价值量有望明显高于硅材料（12 英寸硅晶圆衬底+外延的价值量占比约为 11%）。

（Reference：中金公司-碳化硅材料-乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追2022.01.13）

在 SiC 材料的相关研究报告（碳化硅材料：乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追）中我们指出，

目前

上游获得近乎完美的

高质量 SiC 衬底难度依然较大

，且由于缺陷在晶圆中一般会均匀分布，因此面积越大的 SiC 器件的良率也就越低

，即便是其单位面积导通电阻大幅低于 Si 基器件，目前单颗 SiC MOSFET 的电流输出能力依然有限。我们看到，为使更加系统稳定、可靠地达到更大的输出电流，多个 SiC MOSFET 器件并联后封装成模块（模组）的出货形式也非常普遍。Wolfspeed，Rohm，STMicro，On Semi，Infineon 及 Semikron 等海外知名厂商均推出了不同种类的 SiC MOSFET 模块产品，从半桥模块到三相全桥模块均有涉及，以灵活满足不同应用的需求。

（Reference：中金公司-碳化硅器件-百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章2022.06.30）

（Reference：中金公司-碳化硅材料-乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追2022.01.13）

目前，国内衬底企业在逐步向

6 英寸生长技术

的过渡过程中，商业化衬底已实现微管密度小于1 个/cm2， 95%的衬底可用面积，位错约在 1×103/cm2。研发水平上，实现了高质量 6 英寸SiC 衬底材料的制备，微管密度为 0.5 个/ cm2，螺位错密度为 1200 个/ cm2。但国内 SiC 衬底单晶质量与国外差距明显，存在单晶性能一致性差、成品率低、成本高等问题。在良率与长晶速率方面，作为国内领先的半导体衬底企业，根据天岳先进招股书显示，其 2020 年平均长晶周期为 7 天，2021 年上半年晶棒良率 50%，衬底良率 75%，与国外先进厂商 Cree, II-VI 等在良率上还存在一定差距。根据我们的产业链调研，部分厂商由于技术仍在积累期，导致

良率相对更低，在 10%-20%左右

，也间接导致了碳化硅衬底的成本较高。

（Reference：中金公司-碳化硅材料-乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追2022.01.13）

碳化硅材料相关公司：

公司名称

碳化硅材料相关业务

三安光电

是国内化合物半导体晶圆代工的领军企业。除晶圆代工环节外，三安光电的化合物半导体业务还布局了衬底、外延、封装等多个环节，具备全产业链优势。

露笑科技

2019年11月，露笑科技与中科钢研、国宏中宇签署了碳化硅项目战略合作协议，共同研发碳化硅长晶设备。2020年募集资金3.15亿元进行碳化硅衬底片的研发及生产，目前已经在浙江诸暨市完成6英寸碳化硅衬底生产线建设，开始投产。

晶盛机电

2018年完成6英寸碳化硅晶体生长炉的研发，采用物理气相沉积法生长碳化硅单晶，2019 年碳化硅单晶炉已实现销售。同年，完成6英寸碳化硅外延设备的研发，兼容4英寸和6英寸碳化硅外延生长。

凤凰光学

2021年9月全资收购国盛电子及普兴电子-处于国内硅外延材料供应商第一梯队

天岳先进

2020年，天岳先进在半绝缘型碳化硅衬底的全球市场份额已达30%，同比增长12%，位居世界第三。

未上市

天科合达、山西烁科、东莞天域、瀚天天成

碳化硅功率器件

碳化硅的物理特性优势：

（Reference：中金公司-碳化硅器件-百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章2022.06.30）

更高的漂移层（通态损耗、开关损耗下降）、更高的掺杂浓度（通态损耗下降、开关损耗上升）。

碳化硅器件（单管）的主流形态：二极管及 MOSFET

二极管方面：

碳化硅二极管主要包括肖特基势垒二极管（SBD），结势垒肖特基二极管（JBS），PiN 二极管（PND 型）等。我们认为，

器件结构

来看碳化硅相比硅基器件

并无创新

，但

材料的优异特性

为碳化硅制造的产品带来了竞争优势

。

（Reference：中金公司-碳化硅器件-百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章2022.06.30）

SiC二极管与Si IGBT结合使用

，有利于扩展IGBT技术的能力，使得混合功率开关器件可以达到更高的效率水平。CoolSiC™混合单管的性价比介于纯 Si IGBT和高性能的全SiC MOSFET设计之间。

（Reference：

CoolSiC™混合单管 - Infineon Technologies

）

碳化硅肖特基二极管不存在反向恢复电荷Qr，因此当关断时不会产生(相关的)反向恢复峰值电流IRM。因此利用这类二极管

作为IGBT的续流二极管

，一方面可以减少IGBT的开通损耗，另一方面可以提高IGBT的开通速度(反过来又会降低IGBT的损耗)。当使用硅续流二极管时，IGBT的开通速度受限于该二极管，如果IGBT开通过程中出现太高的电流变化率di/dt，二极管可能会在换流关断中损坏。然而，如果使用碳化硅肖特基二极管，IGBT理论上可以最大电流变化率di/dt开通，比如栅极电阻RGon为0Ω。

（Reference：

集成碳化硅二极管的IGBT模块

）

MOSFET方面：

我们认为平面型 SiC MOSFET 结构与硅基 MOSFET 产品类似，主要分为

平面型和沟槽型

两类，并拥有高耐压、开关损耗低、导通损耗低、体二极管续流特性好、温度稳定性高等特点，其高电压下依然能保持高速度、高效率的特点使其向原有耐压较高，但频率特性较差的 Si-IGBT 产品发起竞争，并在未来有望对 Si IGBT 形成全面替代。目前，

市场中

相对成熟

的

仍然是

在硅基领域较为落后的

平面型

（DMOS）结构，其主要原因是平面型器件工艺简单、单元一致性较好，而沟槽结构单元一致性差，且垂直型 SiC MOSFET 内部电场强度较大，容易发生局部击穿，可靠性不足的问题抑制了其短期内的大规模应用

。但是，我们看到沟槽型 SiC MOSFET 在导通电阻、以及开关损耗上的优势明显（根据罗姆数据，其第三代沟槽型产品比第二代平面型产品导通电阻降低 50%，开关损耗降低 30%），

英飞凌、罗姆等企业都在积极推进改进结构的

沟槽型 SiC MOSFET 研发

。我们认为 SiC 的材料优势有望在沟槽型结构大规模应用后得到进一步释放。

（Reference：中金公司-碳化硅器件-百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章2022.06.30）

碳化硅器件在新能源车领域的应用：

（Reference：中金公司-碳化硅器件-百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章2022.06.30）

根据假设推理，单车成本上升2000元，450V系统使用SiC能提高效率5%，那么在5%这一档是亏本的。800V系统使用SiC能提高效率7.6%，那么在7%这一档电池要达到80度以上才能正收益。

（Reference：中金公司-碳化硅器件-百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章2022.06.30）

碳化硅器件在光伏领域的应用：

近年来，由于整体上网电价呈现下滑趋势，光伏逆变器需不断提高运行效率，降低系统度电成本，而配备碳化硅器件的光伏逆变器凭借其优良的物理特性有望满足上述需求，并在光伏逆变器应用中全面普及。由于更常见的组串式光伏逆变器电路拓扑结构中，存在二极管及 IGBT 两种器件类型，因此，我们认为未来 SiC 二极管及 MOSFET 有望对 Si 二极管及 IGBT 形成全面替代。

具体来看，SiC 二极管相比硅基器件恢复损耗小，SiC MOSFET 具有更低的导通损耗、更低的开关损耗等优点，使光伏逆变器的效率呈现优化。根据 Simon Wall 等人在《采用 SiC 技术的高效光伏逆变器》的研究，在 50KW 的组串式逆变器中，前级电路的 Si 二极管被 SiC 二极管替代后，有望实现 0.3%的系统效率提升；而根据 Electronic Products 的研究数据，在 50KW组串式逆变器电路中，若采用全 SiC MOSFET 器件，光伏逆变器系统的效率有望实现 1%的提升，峰值效率有望突破 99%。若我们假设 50KW 光伏逆变器中全 SiC 的升级成本为 1,047元，

目前若仅采用 SiC 二极管替换 Si 二极管，

成本约增加 72 元

，

若将 Si-IGBT 也替换成 SiC MOSFET 替换，

成本约 975 元

。因此，考虑到逆变器 10 年的使用寿命，每日有效发电时间 7小时，光伏上网电价 0.4 元/千瓦时，

仅替换 Si 二极管的情况下由于系统效率提升，每年约能

实现 1,533 元

的经济效益

，而

采用 SiC MOSFET 器件，每年系统效率提升有望

带来 5,110 元

的经济效益

，碳化硅器件在光伏逆变器应用中落地已经具有经济性。此外，由于 SiC 器件特性受温度影响较小，温度循环次数较少，其使用寿命也有望高于目前配备 Si-IGBT 为主要功率器件的光伏逆变器产品。我们认为 SiC 器件延长逆变器使用寿命也同样是降低系统全生命周期内度电的单位成本的方式，未来 SiC 器件有望在光伏逆变器领域迎来规模落地；另外，SiC 可以在高频领域的工作特性也使配备 SiC 器件的光伏逆变器体积、重量大大减小，增加了其在相对苛刻环境中安装的可能性和便捷性，同时降低安装维护成本。

碳化硅器件在轨道交通领域的应用：

碳化硅 MOSFET 可用于高压、高温环境的特性使其在轨道交通牵引逆变器中拥有较好的应用前景。尽管 SiC 器件的成本明显高于 Si-IGBT，但与传统的主电路相比，搭载 SiC 牵引逆变器的机车不但部件数量有所减少，而且车载系统总能耗大幅下降。由下图可以看出，

采用 SiC 功率器件用于 1700V 轨道交通牵引逆变器后，功率器件的

开关损耗降低约 84%

，

变流器体积降低 27%

，

重量降低约 38%

，系统谐波含量也有所改善，系统性能的提升幅度较为可观。细分来看，碳化硅用于轨交牵引逆变器，所带来的优势主要有：（1）体积和重量的改善，提高系统整体性能。SiC 功率器件开关损耗大幅降低，功率模块发热量减少，将降低器件对功率模块散热器的要求以及对整个变流器冷却系统的要求，带来体积和重量的减少；此外功率器件可以在更高频率下切换，将降低电路中变压器、电容、电抗器等无源元件的体积和重量。而变流器总体体积和重量的改善，将有利于车辆的重量管理及设备布置，提高车辆的整体性能；（2）系统谐波的改善，提升系统效率。与采用硅基功率器件的变流器相比，SiC 功率器件功耗的降低以及开关频率的提高，将带来系统谐波电流的减小，从而减少对电网的谐波干扰，提高系统效率。机车也可以在更宽的速度范围内实施电制动，向电网回馈更多的电制动能量。

尽管在上文中，我们提及了碳化硅器件相比硅基产品的优势所在，但我们认为目前抑制下游客户大量采购碳化硅二极管/MOSFET 来替代硅二极管/IGBT 的核心因素在于明显的成本上升。由于碳化硅衬底制造良率、效率依然较低，以及器件加工、模块封装侧依然存在较高壁垒，目前碳化硅器件生产成本较高，推动其售价走高，给市场目标客户造成了较大的成本压力。举例来看，1）

二极管产品方面，目前主流 SiC 二极管产品的价格是同规格 Si 二极管的

1.3倍

起

；2）MOSFET 产品与 IGBT 产品对比方面，由于硅 IGBT 标称参数为电流，而 SiC MOSFET 标称参数为导通电阻，需经过一系列的复杂换算才能得到对标产品，且对于工作频率、温度等环境参数的未知性，我们在此只能近似挑选相近规格的产品做对比（如 10mohm 的 SiC MOSFET 产品大概对应 100A 的 Si-IGBT），

目前 SiC MOSFET 的价格大约为可比 Si IGBT 器件的

3-4倍

。

碳化硅器件相关公司：

公司名称

碳化硅器件相关业务

三安光电

截至 2021 年末公司已导入碳化硅功率器件客户 549 家，量产交付产品 66 款，产能爬坡正稳步推进中。

斯达半导

2020 年至今公司已经定点多个使用全 SiC MOSFET 模块新能源汽车主电机控制器项目，预计将在 2022 年至 2028 年持续上量。器件制造和设计方面，公司 2021 年 11 月定增募集资金计划投资的 6 英寸 SiC 生产线落地。

时代电气

2022 年 4 月 12 日，公司发布公告，其控股子公司株洲中车时代半导体有限公司拟投资 4.62 亿元进行碳化硅芯片生产线技术能力提升建设项目。

华润微

2021 年 12 月，公司召开新品发布会，正式推出自主研发量产的平面型 SiC MOSFET 新品。

长飞光纤

2022 年 3 月，公司发布公告称出资约人民币 7.80 亿元，参与在安徽长江产权交易所公开挂牌的《芜湖太赫兹工程中心有限公司与芜湖启迪半导体有限公司合并重组整体交易方案》，中标了芜湖启迪半导体有限公司（碳化硅和氮化镓半导体产品的工艺研发和代工制造）及芜湖太赫兹工程中心有限公司收购交易（碳化硅的外延生长、芯片制造、器件制造和模组封装测试等四条生产线）。

未上市

瞻芯电子、泰科天润、森国科、派恩杰、基本半导体、百识电子、芯塔电子、锴威特

碳化硅降本重点跟踪：

（1）衬底良率提升（目前国内厂商10-20%良率）。

（2）8寸晶圆，有望大幅降低 SiC 制造成本，但规模落地仍需至少2年时间，在 2024 年开始具有成本经济性优势。

设备迭代

1. 制造设备

制作碳化硅器件的大部分设备与传统硅的生产设备相同，但由于碳化硅材料硬度高、熔点高等特性，需要一些特殊的生产设备与工艺。

SiC 所需的特定设备包括高温退火炉、高温离子注入机、SiC 减薄设备、背面金属沉积设备、背面激光退火设备、SiC 沉底和外延片表面缺陷检测和计量设备等

。以下是生产 SiC 器件的部分核心设备与工艺：

（Reference：中金公司-碳化硅器件-百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章2022.06.30）

2.封装设备

从分立器件和混合模块（SiIGBT+SiC 二极管）来看，SiC的封装与 Si基器件封装并无明显差异化、而为了发挥全SiC功率模块的特性优势，半导体厂商投入于研发新型功率模块封装技术，电学性能、耐高温、性价比、小体积、可靠性是碳化硅模块封装的痛点。

（Reference：中金公司-碳化硅器件-百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章2022.06.30）

（Reference：中金公司-碳化硅器件-百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章2022.06.30）

主要参考资料：

Reference：

盘点国内IGBT企业

Reference：

一篇文章看懂国内外IGBT产业链

Reference：斯达半导-首次公开发行股票招股说明书

Reference：中金-斯达半导-国产IGBT模块龙头，受益于新能源汽车行业高速增长2020.10.12

Reference：中航证券-行业报告-汽车功率半导体深度2022.08.05

Reference：中金公司-碳化硅器件-百亿美元赛道，谱写后硅基IGBT时代电力电子应用新篇章2022.06.30

Reference：中金公司-碳化硅材料-乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追2022.01.13

（审核人:林岑）

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