新能源“東風”下的第三代半導體

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新能源“東風”下的第三代半導體

1年前

新能源“東風”下的第三代半導體

來源/21tech（News-21）

作者/李強

編輯/林曦

圖源/圖蟲

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減碳趨勢下的節能、高效需求同樣給第三代半導體的登場搭好了舞台。

過去一段時間，盡管全球消費電子市場持續低迷，存儲芯片等各類半導體零部件的需求明顯減少，但廣泛用於光伏、風電等領域的功率半導體市場卻異常熱鬧。特別是在能源轉型的巨大需求之下，圍繞第三代半導體的加碼與爭奪愈演愈烈，原有巨頭紛紛擴產，新勢力試圖湧入。

所謂第三代半導體，指的是以碳化硅（SiC）、氮化鎵爲代表的寬禁帶半導體材料，與前兩代半導體材料相比，具備高頻、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優越性能，因此在新能源車、光伏、風電、5G基站、高鐵等領域有着很大應用潛力。

以SiC爲例，從發電到輸配電以及儲能再到用電的能源轉換鏈視角來看，其在光伏發電方面能夠降低系統成本，減小系統體積，提升輸出功率；在軌道牽方面能夠實現10% 節能，提高系統效率；對於儲能系統，也能夠降低損耗，提升電池系統的能量密度。

“不管是哪個應用領域，以SiC爲代表的第三代半導體應用邏輯是相通的：雖然單個器件成本提高，但同時帶來體積重量減小、系統成本降低以及性能提升，而在最主要的新能源車行業和更廣泛的工業領域，目前SiC都是供不應求的狀態，如果看未來的需求增長，首先車規市場的體量肯定要遠大於工業市場，但在增長率上，包含新能源領域在內的工業市場可能更快。”近日，英飛凌科技高級副總裁、零碳工業功率事業部大中華區負責人於代輝在接受21世紀經濟報道記者專訪時表示。

並行發展

今年以來，盡管半導體行業處於逆周期，但800V汽車電驅系統、高壓快充樁、消費電子適配器、數據中心及通訊基站電源等細分市場的快速發展，持續推升着第三代功率半導體的市場需求。

“低碳化與數字化浪潮是未來十年重塑世界的主要力量，高能效和互聯世界將持續推動對半導體的需求，很多終端市場都能夠看到強勁的結構性增長，比如在能源效率領域，以光伏、風電爲代表的可再生能源發電，以充電樁、儲能爲代表的電力基礎設施，以及以高鐵、新能源汽車、電動卡車爲代表的交通等。”於代輝對記者表示。

其中，新能源車是第三代半導體材料需求量最大的應用市場，例如在800V汽車電驅系統、高壓快充樁等場景中，SiC功率半導體器件可以大大減小電機控制器的體積和重量，提升能量轉換效率，尤其在特斯拉“喫螃蟹”地將碳化硅模組應用到Model 3車型的逆變器和車載充電器後，其它電動汽車廠也紛紛跟進。

不過由於產能受限，今年3月，當特斯拉宣布下世代電動車將大砍75%的SiC用量，作爲行業風向標的特斯拉無疑是向市場拋出了一個重磅炸彈，不過在SiC優異性能和供不應求的市場表現下，這並沒有撼動SiC的“明日之星”身份。

與此同時，更耐高溫、更耐高壓以及更優的性能也讓更多的工業領域向SiC迭代。例如光伏、風電和儲能逆變器，耐高壓的SiC器件有望大量應用於大功率組串和集中式逆變器當中，GaN功率器件則更多應用於至高5kW的住宅用微型逆變器中，兩者都可以有效提升能量轉換效率，提升設備循環壽命。

要指出的是，由於傳統硅基器件價格僅爲寬禁帶材料的1/4到1/3，對於許多把頂尖性能和外形因素放在次要位置的應用，硅基半導體仍然頗具競爭力。

於代輝告訴記者，在硅基功率半導體芯片等應用領域，伴隨着芯片和封裝技術不斷進步，硅器件的性能和功率密度越來越高，並且在針對不同應用开發產品時，可以進行特別優化處理以提升其在系統中的表現，從而更進一步地提高系統性能和性價比。

“因此第三代半導體的發展進程，必然是與硅器件相伴而行，在技術發展的同時，還有針對不同應用的大規模商業化價值因素的考量，期望第三代器件很快在所有應用場景中替代硅器件是不現實的。”於代輝表示。

新能源東風

相比於話題感拉滿的新能源車，第三代半導體在新能源領域的討論略顯低調。

不過這並不影響新能源領域應用的火熱。以英飛凌爲例，根據最新的2023財年第二季度財報，截至2023年3月31日，英飛凌當季收入同比增長25%達到41.19億歐元，其中，汽車和工業電源市場作爲主要支撐，已經幫助英飛凌業績卻連續多個季度保持堅挺，也因此在消費電子市場持續未見回暖的情況下，英飛凌還是將2023年的收入預期從155億歐元提升至165億歐元。

今年4月，英飛凌將四大業務部門之一的工業功率控制事業部更名爲零碳工業功率事業部，作爲該部門大中華區負責人的於代輝也向記者直言道，綠色能源是其業務增長的關鍵驅動力，覆蓋了從發電到輸電、再到儲能和用電的電力行業產業鏈各環節，應用領域涉及可再生能源、電動汽車充電、工業電源、列車、電動商用車輛和家用電器等。

他介紹道：“據估算，在風電領域，英飛凌的產品在國內超過87,000台風力發電機上都有應用，這些風力發電機的年發電量可滿足4.7億人的居民用電需求，大概是佔1/3的總人口。在太陽能發電領域，英飛凌的產品也運用於總計超過160GW的光伏發電機組中，裝機容量約等於7座三峽水電站。”

根據國際能源署在《2023年電力市場報告》，盡管全球電力需求持續提速上升，但全球與發電相關的碳排放量在2023～2025年間將趨於平穩，可再生能源和核能將滿足90%以上的增量電力需求。其中，可再生能源在全球電力結構中的佔比將從2022年29%上升到2025年35%。

爆發的可再生能源如何更好地融入減碳規劃，實際上對從能源生產、運輸、儲存到使用的各個環節都提出更高的要求。“碳化硅器件的應用潛力貫穿於整個能源轉換鏈，可以爲鏈條中的諸多應用，提供性能改善的空間，爲實現長期的全球節能目標做出巨大貢獻。”於代輝分析指出。

國際能源署預測，2030年全球光伏能源會達到5000GW。現在全球的裝機容量不到1000GW。這意味着在未來的七八年內，平均每年光伏能源的裝機容量要達到500GW，風電大概在2030年實現3000GW，未來新能源領域的投資預計會達到6000億美金。另外在儲能需求上，國際能源署預估在到2030年就會有660GW的儲能需求，同時隨着新能源車的不斷普及，還會建設超過3200萬的充電樁，這也意味着第三代半導體在新能源領域有足夠大的市場需求承接。

行業機構CASA Research數據顯示，2020年碳化硅功率器件在光伏逆變器的滲透率爲10%，隨着光伏電壓等級的提升，碳化硅功率器件的滲透率將不斷提高，預計2048年將達到85%的滲透率。

市場研究機構TrendForce也在《2023 SiC功率半導體市場分析報告》指出，頭部半導體廠商等與汽車、能源廠商合作項目明朗化將推動2023年整體SiC功率元件市場規模達22.8億美元，年成長41.4%。同時，受惠於下遊應用市場的強勁需求，TrendForce預期，至2026年SiC功率元件市場規模可望達53.3億美元，其主流應用仍倚重電動汽車及可再生能源。

而在談到部門更名時，於代輝則對記者表示，“能源供給和出行的低碳化將進一步加速可再生能源、電網擴展和充電基礎設施的增長，我們在風能和太陽能領域處於領先地位，公司的功率半導體爲整個能源轉換鏈樹立了更高的效率標准。這代表着巨大的增長潛力，我們也正借助此次更名爲這一潛力正名。”

加速產能布局

值得注意的是，不管是新能源車，還是風光儲能，中國都是最大的市場，而這也同樣反映在第三代半導體需求上。

例如，在英飛凌的全球營收結構中，大中華區成爲英飛凌業務增長的主要貢獻力量，其2022財年142億歐元收入中，大中華區貢獻37%，是英飛凌營收佔比最高的區域。

“中國在新能源汽車、風電、光伏等諸多新興行業領跑市場，而英飛凌的定位是提供系統解決方案，因此我們會密切關注市場湧現的新應用機會，並通過整合全球資源和組建本地化的應用系統方案團隊，幫助本土客戶把握市場機會快速成長。”於代輝對記者表示。

同時，包括英飛凌、意法半導體、安森美在內的各大半導體廠商都紛紛加緊布局和擴大相關產能，轟轟烈烈的SiC擴產之風仍在持續席卷全球。此外，各大半導體巨頭紛紛牽手國內供應商，多元化供應鏈成爲SiC晶圓和晶錠的穩定供應的保障。

“我們對中長期的需求有信心，並且它超過了行業目前可用和長期預測產能，我們客戶當前的需求以及預期需求也遠遠超過了我們目前的產能。”於代輝表示。英飛凌計劃到2027年SiC產能增長10倍，SiC業務銷售額將增長至約30億歐元，並在未來十年內將公司在碳化硅領域的市場份額提高到30%。

在實際業務布局上，2022年，英飛凌宣布馬來西亞居林工廠投資逾20億歐元建造第三個廠區，擴大碳化硅和氮化鎵等寬禁帶半導體的產能，新工廠計劃於2024年投產。同時，位於奧地利的菲拉赫工廠將通過對現有硅設備進行改造等方式，將現有的150毫米和200毫米硅生產线轉換爲碳化硅和氮化嫁生產线。

今年5月，英飛凌還分別與國內碳化硅材料供應商天科合達、天岳先進籤訂長期協議，以獲取高質量且具有競爭力的6英寸SiC晶圓和晶錠，兩家公司的供應量皆預計將佔到英飛凌長期需求量的兩位數份額。

“相比於傳統硅基芯片，SiC是最近二十年才出現的新技術，市場需求乃至格局也還在變化中，包括國內廠商也可以有一些後發優勢，而未來SiC市場的競爭，首先還是圍繞技術創新，其次就是產能的靈活度，比如疫情中新能源車的消費需求下滑時，企業可能就需要將產能切換到諸如居家場景中的一些產品，當新的需求出現，企業的產能能不能跟上，規模效應就是一個很重要的優勢。”於代輝對記者表示。

“我們也會根據市場的動態變化不斷調整本土策略，以適應市場和客戶發展的需求。只有真正成爲碳化硅技術的創新合作夥伴，針對市場需求和客戶遇到的挑战提供最終的解決方案才能走的更遠。”於代輝補充道。