新能源“东风”下的第三代半导体
过去一段时间，尽管全球消费电子市场持续低迷，存储芯片等各类半导体零部件的需求明显减少，但广泛用于光伏、风电等领域的功率半导体市场却异常热闹。特别是在能源转型的巨大需求之下，围绕第三代半导体的加码与争夺愈演愈烈，原有巨头纷纷扩产，新势力试图涌入。
所谓第三代半导体，指的是以碳化硅（SiC）、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，与前两代半导体材料相比，具备高频、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，因此在新能源车、光伏、风电、5G基站、高铁等领域有着很大应用潜力。
以SiC为例，从发电到输配电以及储能再到用电的能源转换链视角来看，其在光伏发电方面能够降低系统成本，减小系统体积，提升输出功率；在轨道牵方面能够实现10% 节能，提高系统效率；对于储能系统，也能够降低损耗，提升电池系统的能量密度。
“不管是哪个应用领域，以SiC为代表的第三代半导体应用逻辑是相通的：虽然单个器件成本提高，但同时带来体积重量减小、系统成本降低以及性能提升，而在最主要的新能源车行业和更广泛的工业领域，目前SiC都是供不应求的状态，如果看未来的需求增长，首先车规市场的体量肯定要远大于工业市场，但在增长率上，包含新能源领域在内的工业市场可能更快。”近日，英飞凌科技高级副总裁、零碳工业功率事业部大中华区负责人于代辉在接受21世纪经济报道记者专访时表示。
今年以来，尽管半导体行业处于逆周期，但800V汽车电驱系统、高压快充桩、消费电子适配器、数据中心及通讯基站电源等细分市场的快速发展，持续推升着第三代功率半导体的市场需求。
“低碳化与数字化浪潮是未来十年重塑世界的主要力量，高能效和互联世界将持续推动对半导体的需求，很多终端市场都能够看到强劲的结构性增长，比如在能源效率领域，以光伏、风电为代表的可再生能源发电，以充电桩、储能为代表的电力基础设施，以及以高铁、新能源汽车、电动卡车为代表的交通等。”于代辉对记者表示。
其中，新能源车是第三代半导体材料需求量最大的应用市场，例如在800V汽车电驱系统、高压快充桩等场景中，SiC功率半导体器件可以大大减小电机控制器的体积和重量，提升能量转换效率，尤其在特斯拉“吃螃蟹”地将碳化硅模组应用到Model 3车型的逆变器和车载充电器后，其它电动汽车厂也纷纷跟进。
不过由于产能受限，今年3月，当特斯拉宣布下世代电动车将大砍75%的SiC用量，作为行业风向标的特斯拉无疑是向市场抛出了一个重磅炸弹，不过在SiC优异性能和供不应求的市场表现下，这并没有撼动SiC的“明日之星”身份。
与此同时，更耐高温、更耐高压以及更优的性能也让更多的工业领域向SiC迭代。例如光伏、风电和储能逆变器，耐高压的SiC器件有望大量应用于大功率组串和集中式逆变器当中，GaN功率器件则更多应用于至高5kW的住宅用微型逆变器中，两者都可以有效提升能量转换效率，提升设备循环寿命。
要指出的是，由于传统硅基器件价格仅为宽禁带材料的1/4到1/3，对于许多把顶尖性能和外形因素放在次要位置的应用，硅基半导体仍然颇具竞争力。
于代辉告诉记者，在硅基功率半导体芯片等应用领域，伴随着芯片和封装技术不断进步，硅器件的性能和功率密度越来越高，并且在针对不同应用开发产品时，可以进行特别优化处理以提升其在系统中的表现，从而更进一步地提高系统性能和性价比。
“因此第三代半导体的发展进程，必然是与硅器件相伴而行，在技术发展的同时，还有针对不同应用的大规模商业化价值因素的考量，期望第三代器件很快在所有应用场景中替代硅器件是不现实的。”于代辉表示。
相比于话题感拉满的新能源车，第三代半导体在新能源领域的讨论略显低调。
不过这并不影响新能源领域应用的火热。以英飞凌为例，根据最新的2023财年第二季度财报，截至2023年3月31日，英飞凌当季收入同比增长25%达到41.19亿欧元，其中，汽车和工业电源市场作为主要支撑，已经帮助英飞凌业绩却连续多个季度保持坚挺，也因此在消费电子市场持续未见回暖的情况下，英飞凌还是将2023年的收入预期从155亿欧元提升至165亿欧元。
今年4月，英飞凌将四大业务部门之一的工业功率控制事业部更名为零碳工业功率事业部，作为该部门大中华区负责人的于代辉也向记者直言道，绿色能源是其业务增长的关键驱动力，覆盖了从发电到输电、再到储能和用电的电力行业产业链各环节，应用领域涉及可再生能源、电动汽车充电、工业电源、列车、电动商用车辆和家用电器等。
他介绍道：“据估算，在风电领域，英飞凌的产品在国内超过87,000台风力发电机上都有应用，这些风力发电机的年发电量可满足4.7亿人的居民用电需求，大概是占1/3的总人口。在太阳能发电领域，英飞凌的产品也运用于总计超过160GW的光伏发电机组中，装机容量约等于7座三峡水电站。”
根据国际能源署在《2023年电力市场报告》，尽管全球电力需求持续提速上升，但全球与发电相关的碳排放量在2023～2025年间将趋于平稳，可再生能源和核能将满足90%以上的增量电力需求。其中，可再生能源在全球电力结构中的占比将从2022年29%上升到2025年35%。
爆发的可再生能源如何更好地融入减碳规划，实际上对从能源生产、运输、储存到使用的各个环节都提出更高的要求。“碳化硅器件的应用潜力贯穿于整个能源转换链，可以为链条中的诸多应用，提供性能改善的空间，为实现长期的全球节能目标做出巨大贡献。”于代辉分析指出。
国际能源署预测，2030年全球光伏能源会达到5000GW。现在全球的装机容量不到1000GW。这意味着在未来的七八年内，平均每年光伏能源的装机容量要达到500GW，风电大概在2030年实现3000GW，未来新能源领域的投资预计会达到6000亿美金。另外在储能需求上，国际能源署预估在到2030年就会有660GW的储能需求，同时随着新能源车的不断普及，还会建设超过3200万的充电桩，这也意味着第三代半导体在新能源领域有足够大的市场需求承接。
行业机构CASA Research数据显示，2020年碳化硅功率器件在光伏逆变器的渗透率为10%，随着光伏电压等级的提升，碳化硅功率器件的渗透率将不断提高，预计2048年将达到85%的渗透率。
市场研究机构TrendForce也在《2023 SiC功率半导体市场分析报告》指出，头部半导体厂商等与汽车、能源厂商合作项目明朗化将推动2023年整体SiC功率元件市场规模达22.8亿美元，年成长41.4%。同时，受惠于下游应用市场的强劲需求，TrendForce预期，至2026年SiC功率元件市场规模可望达53.3亿美元，其主流应用仍倚重电动汽车及可再生能源。
而在谈到部门更名时，于代辉则对记者表示，“能源供给和出行的低碳化将进一步加速可再生能源、电网扩展和充电基础设施的增长，我们在风能和太阳能领域处于领先地位，公司的功率半导体为整个能源转换链树立了更高的效率标准。这代表着巨大的增长潜力，我们也正借助此次更名为这一潜力正名。”
值得注意的是，不管是新能源车，还是风光储能，中国都是最大的市场，而这也同样反映在第三代半导体需求上。
例如，在英飞凌的全球营收结构中，大中华区成为英飞凌业务增长的主要贡献力量，其2022财年142亿欧元收入中，大中华区贡献37%，是英飞凌营收占比最高的区域。
“中国在新能源汽车、风电、光伏等诸多新兴行业领跑市场，而英飞凌的定位是提供系统解决方案，因此我们会密切关注市场涌现的新应用机会，并通过整合全球资源和组建本地化的应用系统方案团队，帮助本土客户把握市场机会快速成长。”于代辉对记者表示。
同时，包括英飞凌、意法半导体、安森美在内的各大半导体厂商都纷纷加紧布局和扩大相关产能，轰轰烈烈的SiC扩产之风仍在持续席卷全球。此外，各大半导体巨头纷纷牵手国内供应商，多元化供应链成为SiC晶圆和晶锭的稳定供应的保障。
“我们对中长期的需求有信心，并且它超过了行业目前可用和长期预测产能，我们客户当前的需求以及预期需求也远远超过了我们目前的产能。”于代辉表示。英飞凌计划到2027年SiC产能增长10倍，SiC业务销售额将增长至约30亿欧元，并在未来十年内将公司在碳化硅领域的市场份额提高到30%。
在实际业务布局上，2022年，英飞凌宣布马来西亚居林工厂投资逾20亿欧元建造第三个厂区，扩大碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体的产能，新工厂计划于2024年投产。同时，位于奥地利的菲拉赫工厂将通过对现有硅设备进行改造等方式，将现有的150毫米和200毫米硅生产线转换为碳化硅和氮化嫁生产线。
今年5月，英飞凌还分别与国内碳化硅材料供应商天科合达、天岳先进签订长期协议，以获取高质量且具有竞争力的6英寸SiC晶圆和晶锭，两家公司的供应量皆预计将占到英飞凌长期需求量的两位数份额。
“相比于传统硅基芯片，SiC是最近二十年才出现的新技术，市场需求乃至格局也还在变化中，包括国内厂商也可以有一些后发优势，而未来SiC市场的竞争，首先还是围绕技术创新，其次就是产能的灵活度，比如疫情中新能源车的消费需求下滑时，企业可能就需要将产能切换到诸如居家场景中的一些产品，当新的需求出现，企业的产能能不能跟上，规模效应就是一个很重要的优势。”于代辉对记者表示。
“我们也会根据市场的动态变化不断调整本土策略，以适应市场和客户发展的需求。只有真正成为碳化硅技术的创新合作伙伴，针对市场需求和客户遇到的挑战提供最终的解决方案才能走的更远。”于代辉补充道。
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