全球碳化硅功率半导体器件行业产业链、市场规模及发展趋势
思瀚产业研究院 瀚天天成    2025-04-11

碳化硅功率半导体概览

功率半导体（亦称功率电子器件）是电子装置中实现电能转换与电路控制的核心元件。它们能够实现精确的电压和频率调节，以及高效的交流(AC)与直流(DC)转换。通过整流、逆变、功率放大、功率开关和电路保护等功能，这些器件有效调控能量流动并确保系统稳定性，被誉为电力电子的“心脏”。根据所用材料，功率半导体可分为两大类，即传统硅基半导体与宽禁带半导体。

前者包括由硅(Si)等元素构成的半导体，而后者则包括碳化硅及氮化镓等化合物。传统硅基半导体器件受固有物理特性的限制，难以满足人工智能算力与数据中心、智能电网及储能系统等新兴应用对高性能的需求。

相比之下，以碳化硅及氮化镓为代表的宽禁带半导体在材料及器件层面均展现出显著的性能优势。其中，碳化硅功率半导体器件凭藉优异的击穿电压、热导率、电子饱和速率及抗辐射能力等特性脱颖而出。与氮化镓相比，碳化硅在中高压应用领域具有更广泛的适用性，在600V以上的应用市场中佔据主导地位，市场规模亦更为庞大。近年来，碳化硅功率半导体器件已在多个行业获得广泛应用，并有望在功率半导体行业的持续变革中发挥关键作用。

碳化硅功率半导体器件的生产工艺

碳化硅目前是晶体生长技术及器件制造方面最成熟的宽禁带半导体材料。碳化硅功率半导体器件的生产工艺涉及以下步骤。首先，碳化硅粉料经过长晶、切割、研磨及晶片抛光制成碳化硅衬底，其后在衬底上生长单晶外延材料。晶片经过一系列複杂工艺（包括光刻、清洗、刻蚀、沉积、减薄、封测）最终形成碳化硅功率半导体器件。

碳化硅功率半导体器件行业的产业链

产业链的上游分部涉及碳化硅衬底及碳化硅外延晶片的制备。作为产业链中的关键材料，碳化硅外延晶片的质量至关重要并且外延层制造的价值约佔整个碳化硅功率器件价值链的25%。与传统硅基功率半导体器件不同，碳化硅功率半导体器件不能直接在碳化硅衬底上制造；而是需要在衬底上沉积高质量的外延层。由于制造高质量碳化硅外延晶片的技术壁垒较高，其供应相对有限。

随著全球对碳化硅功率半导体器件需求的持续增长，高质量外延晶片将在产业链中发挥日益重要的作用。中游分部包括碳化硅功率半导体器件的设计、制造、封测。碳化硅功率半导体器件制造商使用碳化硅外延晶片作为基础材料，通过複杂的制造工艺制造碳化硅半导体器件。器件制造商通常分为三种类型：IDM、器件设计公司及晶圆代工厂。

IDM集成碳化硅功率半导体的设计、制造、封测等产业链。器件设计公司仅负责碳化硅功率半导体的设计及销售，而晶圆代工厂则仅负责制造、封测。下游分部涉及电动汽车、充电基础设施、可再生能源、储能系统等应用以及家电、人工智能算力与数据中心、智能电网、eVTOL等新兴行业。

全球碳化硅功率半导体器件行业的市场规模

全球碳化硅功率半导体器件市场于2020年至2024年呈现显著增长，销售额由2020年的6亿美元增至2024年的26亿美元，年複合增长率为45.4%。预计到2029年，全球碳化硅功率半导体器件行业的销售额将达到136亿美元，2024年至2029年的年複合增长率为39.9%。

全球碳化硅功率半导体器件在全球功率半导体市场中的渗透率由2020年的1.3%增至2024年的4.9%，并预计到2029年将达到17.1%。碳化硅功率半导体器件广泛应用于电动汽车、充电基础设施、可再生能源、储能系统及新兴行业。其中，电动汽车领域是应用最广泛的领域。于2024年，电动汽车使用的碳化硅功率半导体器件佔全球市场的74.4%。

其次是充电基础设施领域，其于2024年的市场份额为7.8%。可再生能源及储能系统领域亦呈现增长势头，预计2024年至2029年的年複合增长率分别为28.7%及44.1%。新兴行业预计将增加碳化硅功率半导体器件的价值，2024年至2029年的年複合增长率为56.4%。

全球碳化硅功率半导体器件行业的市场驱动因素

受益于下游应用的快速发展以及对更高性能及能源效率功率器件的持续追求，全球碳化硅功率半导体器件的渗透率预计将大幅提升，推动市场的快速增长。以下为主要下游推动因素：

电动汽车应用：随著电池容量的增加、行驶里程的延长、成本的下降、充电基础设施的成熟与便利化，以及消费者环保意识的增强，电动汽车的渗透率预计将持续上升。预计到2029年，全球电动汽车销量将达到48.1百万辆，2024年至2029年的年複合增长率为21.2%。

与硅基功率半导体器件相比，碳化硅功率半导体器件具有显著优势，包括较低的导通电阻、更小的芯片尺寸、更高的运作频率及优越的高温耐受性。例如，同规格的SiCMOSFET与Si MOSFET相比，前者将导通电阻降至后者的1/100，尺寸缩小至1/10，并将电动汽车的行驶里程延长5-10%。因此，前者广泛应用于电力转换器、主驱逆变器、车载充电器、电池充电器、双向DC/DC转换器（高压）及电机驱动等关键组件中。

充电基础设施应用：随著全球充电基础设施的加速发展，特别是快速充电器及超快充电器的广泛应用与升级，碳化硅功率半导体器件在充电领域的渗透率预计将持续上升。随著电动汽车电气系统由400V转向800V架构，充电器功率模块的功率水平及功率密度亦将增至40kW/50kW及以上，以满足高压电动汽车的需求。与传统硅基功率半导体器件相比，碳化硅功率半导体器件可将充电器的输出功率提高近30%，并减少约50%的功率损耗。此外，碳化硅材料显著较低的导通电阻确保充电器可提供更宽、更高的输出电压范围，满足各种电动汽车电池类型的充电需求。随著预期成本的下降，碳化硅在充电基础设施领域的全球渗透率预计到2029年将达到30%以上。

可再生能源应用：碳化硅功率半导体器件广泛应用于光伏系统组件，如微型逆变器及DC/DC转换器，通过提高能量转换效率及减少能量损耗大幅提升系统性能。预计全球光伏新装机容量将于2024年至2029年以15.4%的年複合增长率增长。这将推动碳化硅功率半导体器件在该领域的销售额于2024年至2029年以28.7%的年複合增长率增长。

储能系统(ESS)应用：碳化硅技术推动了储能转换器向更高容量及模块化设计的发展。随著全球工业、商业及住宅用户对储能系统需求的增加，储能电池已成为电力系统中最重要的组件之一。预计全球电化学储能的新增装机容量将于2024年至2029年以33.4%的年複合增长率增长，这将推动碳化硅功率半导体器件市场的扩张。

新兴行业应用：在人工智能算力与数据中心领域，碳化硅功率半导体器件在相同输出功率条件下，比传统硅基功率半导体器件能量转换效率更高，允许数据中心减少功率模块的数量，降低运营成本。预计于2024年至2029年，全球算力将以65.0%的年複合增长率增长，而全球数据中心的电力消耗预计到2029年将超过2,676 TWh。

在智能电网领域，由于碳化硅技术优越的热管理及电子性能，提升了电网效率及稳定性，对促进固态变压器及灵活的AC/DC传输系统的发展而言至关重要。预计于2024年至2029年，碳化硅功率半导体器件在智能电网领域的销售额将以51.0%的年複合增长率增长。碳化硅功率半导体器件在家电领域亦具有巨大潜力。该等器件的高效率及紧凑尺寸使其在家电中实现节能及性能提升，符合全球能源效率及可持续发展趋势。在eVTOL领域，碳化硅的高热稳定性及功率密度支持轻量化、可靠的动力系统，并延长飞行时间。

全球碳化硅功率半导体器件行业的市场趋势

在现有领域的渗透率增长及向新兴应用领域的扩展。随著制造技术的进步及成本的降低，全球对碳化硅功率半导体器件的需求持续增长，且其应用场景迅速扩大。一方面，碳化硅功率半导体器件正加速渗透至电动汽车、充电基础设施、可再生能源及储能系统等应用场景。在电动汽车领域，碳化硅器件大幅提升电驱系统的效率，延长汽车行驶里程，并缩短充电时间。

在可再生能源及储能系统领域，碳化硅器件的高能量转换效率减少系统损耗，并提升光伏发电及储能系统的整体效率。另一方面，随著碳化硅功率半导体器件成本的降低及性能的提升，碳化硅功率半导体器件在家电、人工智能算力与数据中心、智能电网及低空经济应用等新兴应用领域亦拥有巨大的潜力。

技术进步拓宽应用的电压范围。碳化硅功率半导体器件已应用于中低压（600V至1,700V）领域及一些低压应用，如家用电器。未来，随著成本效益的提高及碳化硅材料技术的进步，碳化硅功率半导体有望实现在低压应用中的广泛使用，并向中高压及超高压应用扩展。例如，传统电网正向智能电网转型。作为智能电网核心组件的功率电子变压器(PET)亦需要超高压及高功率器件。

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