在世界各国针对脱碳、可再生能源需求不断增加以及提高电源效率的背景下，功率半导体市场持续增长，据Yole Group报告显示，2022年全球功率半导体市场规模达到209亿美元，2022年至2028年将以8.1%的复合年增长率（CAGR）增长，意味着到2028年将达到333亿美元。
中国是全球最大的功率半导体消费国，近年来在碳达峰、碳中和发展规划等政策驱动以及产业投资增加多重因素推动下，功率半导体产业链日渐完善，下游应用市场加速拓展，特别是新能源汽车、光伏、储能等新兴产业的崛起，成为拉动功率半导体持续增长的新引擎，未来市场前景十分广阔。
在功率半导体市场，IGBT是主要代表器件，占据了绝大部分市场，虽有说法基于硅基的IGBT正在达到其性能极限，潜力愈来愈小，但短时间来看其地位依旧不可动摇，一方面是技术仍在突破，目前主流迭代的技术是第七代，但实际第八代技术也已开发完成，只是尚未大规模推广市场；另一方面则是还有汽车、光伏、储能以及新兴消费电子等领域，对IGBT的应用需求在持续增长，可以说IGBT的整体潜力还有较大的挖掘空间。
此外，则是以第三代半导体材料碳化硅为代表的宽禁带功率半导体器件，正凭借其耐高压高温、低导通电阻、低能量损耗等优异性能，开始广泛应用于大功率电力电子场景，特别是在新能源汽车上正快速渗透，呈现爆发式的增长态势，是功率半导体市场未来增长的主要动力。
不久前，由艾邦智造主办的第二届功率半导体 IGBT/SiC 产业论坛在深圳顺利举行，围绕功率半导体行业的各方面问题，多家产业链企业及科研院所在会上发表了自己的见解，本文参考各嘉宾的演讲内容，对目前IGBT、SiC等产业发展状况进行深入探讨，助力功率半导体行业的健康持续发展。
新能源市场需求旺盛，IGBT发展空间依然广阔
IGBT作为一种新型功率半导体器件，是电力电子行业的核心元器件，其能够根据工业装置中信号指令来调节电路中电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的，因此被称为电力电子行业里的“CPU”，被广泛应用于新能源汽车、工业控制、白色家电、新能源发电、轨道交通等领域。
自问世以来，IGBT技术不断迭代，路径方向主要是降低导通损耗、降低开关损耗以及提高在更大电压、电流、温度范围内稳定工作的能力，其纵向结构、栅极结构以及硅片加工工艺等方面也在持续升级改进，到如今已经历了七次大型技术演变，从核心指标来看，功率密度至少提高了3倍，能耗也降低到了刚开始的1/3。
另外，如英飞凌等国外巨头还完成了第八代IGBT技术的开发，据了解，1200V整流器第8代IGBT采用IR最新一代有沟槽栅、场终止技术以及工业标准TO-24封装，能提供软关断特性，尽量减小dv/dt来降低EMI和过电压，提高了可靠性和耐用性，拥有同类型最佳性能；国内企业也有相关的技术储备，如林众电子表示，其第八代IGBT正在预演，明年或可面世。
不过新技术能出来不代表就能适用，就像IGBT虽然经过了多次迭代，但目前应用最广泛的依然是第四代产品，就用户而言，自然希望IGBT有更高的功率密度、更低的损耗，还有更小的体积等等，然而这些需求根本是相互矛盾的，技术迭代确实是沿着这一理想状态前进，在实际应用中，却要在真实需求、价格成本、产业供应等方面觅得平衡，这也是新一代IGBT尚未推广的主要原因，但从另一个角度来看的话，也意味着IGBT还有较大的潜力没有被完全挖掘。
电动汽车及光伏是IGBT主要增量市场
目前市场上IGBT依然处于供不应求的状态，这一轮IGBT需求的高涨，主要是靠电动汽车、光伏储能等行业的带动，在消费电子应用市场尚未回暖的当下，只有这些新兴领域需求保持旺盛。
电动汽车将是未来IGBT应用的最大市场，IGBT主要应用于电机驱动的主逆变器、充电相关的车载充电器（OBC）与直流电压转换器（DC/DC），另外还在一些辅逆变器中完成小功率DC-AC转换。据了解，一辆电动汽车使用的IGBT数量高达上百颗，是传统燃油车的七到十倍，能占到整车成本的7%-10%。
据中国汽车协会数据，2022年中国新能源汽车销量达688.7万辆，同比增长 95.60%，预计2023年销量将超过850万，而整车预计是2700万，占比已超过30%，以目前IGBT新能源汽车单车价值量1900元计算，今年我国新能源汽车IGBT市场规模可达161.5亿元，可以预见，未来几年我国新能源车市场将继续保持高景气度，预计到2025年，IGBT市场规模可翻一倍，达到320亿元。
IGBT是光伏逆变器、储能变流器的核心半导体部件，对电能起到整流、逆变等作用，以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能。其中光伏逆变器是主要应用场景，光伏IGBT占到逆变器成本的10%-15%，基本发电并网的需求，光伏IGBT对可靠性的要求非常高，光伏电池板发出的电能要输入到电网中，需要最大化的发挥出IGBT模块的性能以保持电网的稳定性。
光伏也将是IGBT的第二大增量市场，根据国家能源局数据，2023年前三季度，全国光伏新增装机12894万千瓦，同比增长145%，远超过去年全年，以0.16元/W价格来计算的话，光伏逆变器IGBT市场规模已达20.63亿元，未来随着光伏装机量的增长，对IGBT的需求也将继续攀升，另外，光伏逆变器中IGBT等电子元器件使用年限一般为10-15年，而光伏组件的运营周期是25年，意味着在生命周期内至少要更换一次，这也进一步扩大了IGBT在光伏上的使用量。
受益于新能源汽车和新能源发电的需求大幅增加，中国IGBT市场规模将持续增长，据东海证券报告，到2026年，中国IGBT市场规模有望达到685.78亿人民币，年复合增长率达21.48%，从下游占比来看，2026年预计新能源汽车、工业控制、变频白电、新能源发电、轨道交通分别为60%、18%、15%、6%以及 1%，工业控制与变频白电市场虽大，但已然发展成熟，成长空间有限，而轨道交通则市场太小影响有限。
国产IGBT产能快速上涨，自给率已达三成
目前全球IGBT市场的集中度较高，海外厂商英飞凌、富士电机、三菱共占据了超过50%的市场份额，根据Omdia数据，2021年全球IGBT单管市场中，中国大陆企业只有士兰微以4%的市场份额进入前十；在模块市场，则有斯达半导和中车时代进入前十大厂商，分别占据3%和2%的市场。
这主要是国内企业起步较晚，几大厂商基本在2000年左右进入IGBT赛道，而IGBT拥有较高的技术壁垒，芯片设计、晶圆制造、封测与模块设计三大主要环节都各有难点，想要突破并不容易，国内厂商也基本集中在中低压领域，只有时代电气和斯达半导有高压3300V及以上的产品应用。
近年来国内厂商也在加快IGBT的技术迭代，同时积极扩张产能，据中商产业研究院预计，2023年中国IGBT产量有望快速增长达到3624万只，自给率将达到32.90%，已逐步突破产能受限问题。
下游应用市场也从消费电子拓展到工控，并瞄准光伏需求，包括斯达半导、比亚迪半导体、新洁能等都已实现了在光伏领域的批量供货，车规级IGBT则由于认证周期长暂时没有太大进展，综合来看，国内厂商基于本土优势，售价较海外可降低20%左右，拥有价格优势，如今在产能不缺的情况下，将进入加快国产替代的增长阶段。
碳化硅市场产销增长，注意供需结构性失衡
随着市场对高频、大功率电力电子需求的快速增长，硅基半导体器件的物理极限瓶颈逐渐凸显，由此以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料逐渐走向产业化。从材料性能来看，碳化硅拥有3倍于硅材料的禁带宽度、10倍的临界击穿电场强度、3倍的热导率，因此碳化硅功率器件适合于高频、高压、高温等应用场合，有助于提高电力电子系统的效率和功率密度。
目前SiC二极管以及 SiC MOSFET已逐步走向市场，有了较为成熟的产品，其中SiC二极管因为不存在反向恢复电荷的优点，在一些领域开始替代硅基二极管得到广泛应用；SiC MOSFET也逐渐应用于汽车、储能、充电桩、光伏等领域；在汽车应用领域，模块化趋势越发凸显，SiC的优越性能需要依靠先进的封装工艺来实现，技术上以相对成熟的壳封为主流，未来或向塑封发展，其定制化开发的特性更适合SiC模块。
碳化硅价格下降速度或超想象
碳化硅器件的应用主要受到成本高昂的限制，同一级别下SiC MOSFET的价格比Si基IGBT高4倍，这是因为碳化硅的工艺复杂，其中单晶与外延的生长不仅对环境要求苛刻，而且生长速度慢，单晶加工成衬底又要经过切抛磨环节，基于自身材料特性和加工技术不成熟，国内衬底的良率还不到50%，种种因素导致衬底、外延价格居高不下。
然而碳化硅器件与硅基器件的成本构成又截然相反，前道的衬底、外延成本分别占整个器件的47%、23%，合计约70%，后道的器件设计、制造、封测环节仅占30%，硅基器件生产成本则主要集中在后道的晶圆制造约50%，衬底成本反而只占7%，碳化硅产业链价值量倒挂的现象意味着上游衬底外延厂商掌握着核心话语权，是国内外企业布局的关键所在。
从市场上的动态来看，降低碳化硅成本，除了改进碳化硅长晶及切片工艺外，就是扩大晶圆尺寸，这也是过往半导体发展的成熟路径，Wolfspeed数据显示，碳化硅衬底从6英寸升级到8英寸，合格芯片产量可以增加 80%-90%，并且有助于提高良率，可以将单位综合成本降低50%。
2023年被称为“8英寸SiC元年”，今年国内外碳化硅厂商都在加快对8英寸碳化硅的布局，如Wolfspeed疯狂的投资了145.5亿美元用于碳化硅扩产，其中重要部分就是建设8英寸SiC衬底制造工厂，以保障未来对多家企业的200毫米SiC裸片供应；国内天岳先进和天科合达也都与英飞凌签订了长期协议，未来将供应8英寸碳化硅衬底。
从今年开始，碳化硅将加速从6英寸迈向8英寸，Wolfspeed预计到2024年，8英寸衬底带来的单位芯片成本相较于2022年6英寸衬底的单位芯片成本降低超过60%，成本的下降将进一步打开应用市场，集邦咨询研究数据指出，目前8英寸的产品市占率不到2%，预计到2026年市场份额将增长到15%左右。
事实上，碳化硅衬底价格的下降速度或许超乎很多人的想象，当前市场上6英寸衬底的报价是4000-5000元/片，较年初已下降许多，预计明年可降至4000元以下，值得注意的是，有些厂商为了抢先获得市场，已将销售价格降至成本线以下，开启了价格战的模式，主要集中在碳化硅衬底供货已经相对充足的中低压领域，国内外厂商都在大肆扩张的产能，或让碳化硅衬底供过于求阶段来的比想象中更早。
电动汽车是碳化硅主要应用领域，占比最高能达8成
电动汽车领域会是未来导电型碳化硅器件的主要应用场景，包括主驱逆变器、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（DC/DC）和非车载充电桩等，碳化硅器件也非常适合电动汽车，其能在更高的温度下实现高功率密度，提高汽车系统工作效率，同时超低的RDSon能有效降低功率损耗，并且还能显著降低电力电子系统的体积、重量，综合起来能提高电动汽车续航里程达10%左右。
目前各大主流新能源汽车厂商都在积极布局碳化硅车型，如比亚迪汉EV、蔚来ES6、理想L9、小鹏G9、保时捷Tayan和现代ioniq5等车型都已经采用了碳化硅器件，据不完全统计，截至2023年上半年，全球已有40款SiC车型进入量产交付，可查到交付数据的SiC车型上半年累计销售达118.7万辆。
此外，电动汽车想要全面普及，目前的充电速度是完全不够的，就像手机一样，加快充电速度是必然的趋势，可以看到如今许多厂商都在推出支持800V高压快充的车型，据不完全统计，已有超过20家汽车品牌或计划或已经推出了800V高压平台，比较知名的有比亚迪e平台3.0、小鹏扶摇架构、吉利SEA浩瀚架构等。高压快充技术不管是对汽车本身的零部件质量，还是对充电桩设备的高效性和安全性，都提出了更高的要求，传统的IGBT很难满足要求，只有碳化硅器件能解决行业痛点，这也将大幅提高碳化硅在电动汽车领域的应用规模。
根据Yole的预测，2027年全球导电型碳化硅功率器件市场规模有望达62.97亿美元，2021-2027年复合增长率达34%；其中汽车市场导电型碳化硅功率器件规模有望达49.86亿美元，占比达79.2%，是导电型碳化硅功率器件第一大应用市场。
光伏储能是碳化硅应用的另一重要领域，如今光伏电站直流端电压等级逐渐从1000V提升到1500V，未来甚至有望提升到2000V，光伏大功率高电压的发展趋势非常明显，传统硅基器件无法满足要求，因此各方面性能更优越的碳化硅器件脱颖而出，碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点，使得光伏逆变器在系统转换效率方面能够很好的保持在96%以上，甚至可以达到99%，从而减少能量损耗以及提高设备使用寿命。
虽然碳化硅器件可以有效提高光伏的整体性能，但目前碳化硅价格还处于较高位置，SiC SBD价格比同等级硅基二极管高3倍，SiC MOS更是在5倍以上，而光伏产业经过近几年的大力发展成本几乎降无可降，利润空间狭小导致光伏逆变器对价格也非常敏感，是以应用SiC MOS还比较少，未来如果价格逐步降低至硅基器件的2倍左右，将能有足够的性价比，预计要到2025年才能开始放量。
图源：东吴证券
碳化硅规划产能暴增，供需结构性失衡难避免
新能源车、光伏等行业的发展将持续加大对碳化硅的需求，由于各种因素的影响，想要得到精确的数字较为困难，各大券商机构给出的预测也各有说法，国泰君安预计至2026年全球碳化硅衬底市场需求为455万片，其中新能源需求347万片，光伏领域需求108万片；东吴证券预计到2025年，全球6英寸衬底片需求量为475万片，中国需求量为197万片，综合来看，到2025年，全球折合6英寸碳化硅衬底片需求量是400-500万片。
基于未来需求的高景气预期以及供不应求的现状，国内外厂商都在大幅投资扩张碳化硅产能，如英飞凌要在2030年占据全球30%的碳化硅市场份额；安森美计划将碳化硅晶圆产能扩大4倍；罗姆则打算到2025年碳化硅产能增至2021年时的6倍；Wolfspeed更是想到2026年实现导电型衬底的产能超百万片；国内企业同样激进，据不完全统计，如今至少有超40个碳化硅项目在建设，包括了衬底、外延和器件、模块等环节，国内碳化硅产业链正在加速完善、成长。
根据已发布的公告统计，到2026年，国内外厂商拟建设的碳化硅衬底产能，折合6英寸合计超1000万片/年，其中海外400-500万片/年，国内500-600万片/年；在碳化硅外延方面，截至目前国内产能约为45万片/年，到2025年，将扩大至300万片，其中瀚天天成产能将达140万片/年，天域半导体在建项目2025年竣工，2028年全面达产后产能100万片/年。
可以看到关于碳化硅衬底的产能规划还是非常巨大的，不过由于技术工艺不成熟等原因，良率始终难以提升，海外厂商碳化硅衬底良率在70%左右，而国内一线衬底厂商的良率则仅在50%左右，未来良率即使能有提高，但综合来看规划的产能并未超出实际需求太多，如果再算上规划的产能大概无法全部如期完成建设，则基本可以算作供需平衡。
不过这并不是说就万事大吉了，碳化硅最大的应用市场是电动汽车，而车载碳化硅器件对衬底有着更高的要求，国内目前真正可用于车载碳化硅器件的衬底良率甚至只在10%左右，国外相关的衬底良率也提升艰难，因此可以预见，未来碳化硅衬底供需将出现结构性失衡，用于电动汽车的碳化硅衬底长期缺货，而中低端的碳化硅衬底则会产能过剩，此现象最快明年就会出现，这大概也是前文所述出现价格战迹象的原因所在。
未来几年，碳化硅都将是一个快速增长的市场，有望进入包括电动汽车在内的越来越多的应用领域，带来无限的市场机遇，而站在目前的时间节点上，中国企业想要抓住这些机会，需要有足够长远的视野，不断提高技术创新的同时，也要及时根据市场变化调整发展战略，如此才能在竞争中立于不败之地。
原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：深度 | SiC、IGBT市场发展现状解析