光伏逆变器2022年出货量（光伏逆变器份额）
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华为光储，强弩之末与初生牛犊
“我们现在账上还有几十亿现金存着，是安圣给我们的。” 任正非回忆起那次寒冬时说道。
2000年，急剧膨胀的互联网让电信业变得疯狂。“光通信狂人”罗世杰所在的北电网络在当年仅靠卖网络设备就撑起了300亿美元的销售额。
但随之而来的互联网泡沫破裂，电信业过度投资建设带来的苦果是整体供大于求，直到2003年美国的光纤利用率只有10%，运营商由此背上了沉重的包袱。北电网络的股价更是从最高时的124美元下跌到了不足2美元，从此一蹶不振。
彼时，远在东方的华为虽然还未受到波及，但任正非敏锐地嗅到了大洋彼岸传来的血腥气， “这一场网络设备供应的冬天，也会像它热得人们不理解一样，冷得出奇。谁有棉衣，谁就能存活下来。”
在任正非看来，不涉及核心业务，又具有较高价值，华为的这件“棉衣”非华为电气莫属。
于是乎，任正非毫不犹疑地将华为电气更名为深圳市安圣电气有限公司，将其从华为的事业部转变为一个独立核算的公司，并于2001年10月与艾默生电气签署并购协议，拿到60亿元的“过冬钱”。
果不其然，到了2002年，华为作为上游设备供应商，订单受到影响，利润较上一年缩水58%，但穿上“棉衣”的华为挺了过来。
只是对于能源业务的损失似乎一直是任正非心里过不去的坎。2008年，随着与艾默生的竞业限制结束，华为重回电气市场，将光伏作为能源部分的战略方向，并且随着国内光伏产业的第一波东风以及华为在价格、渠道、品牌方面的优势，迅速在逆变器领域做到了全球第一。
但在光伏行业逐渐进入平价时代，且行业加速内卷的当下，即便是华为，也该为曾经的“小棉袄”加一层棉花了。
2013年，当华为以一个“野蛮人”的姿态杀入光伏行业时，震惊四座。
随着国内组串式逆变器市场升温以及华为在国内的品牌影响力，仅仅两年后，华为光伏逆变器设备出货量跃居全球第一并保持至今。
如果单纯从财务角度分析，逆变器是一个很好的赛道，横向对比光伏其他细分赛道，逆变器毛利率、ROE、周转率更高，同时市场规模不大，很难受到资本巨头的冲击，属于优质赛道。
并且在这个赛道中也出现过ABB、施耐德、通用电气、艾默生等世界500强企业，但这些巨头目前却不约而同选择放弃了这一市场。
究其原因，也与逆变器赛道市场规模太小脱不开关系。 据BNEF（彭博新能源金融）消息，预计2025年光伏逆变器出货量将达到327GW，市场空间达到663亿。
也就是说，即便做到行业头部，这块业务能够为公司贡献的收入可能也不足巨头们总营收的1%。 而当下正值华为的至暗时刻，2022年1月4日，华为轮值董事长郭平在致辞中透露，预计2021年，华为实现销售收入6340亿元，同比下降了约28.88%。
在这种情况下，华为想要靠逆变器业务来稳住营收基本不太可能。 并且更要命的是，华为目前还面临随时被替代的风险。
因为在逆变器行业中，各家企业间的技术壁垒并不高，在转换效率上，几乎所有企业的产品最高都能超过98%，差别不大，核心竞争力还是体现在价格、品牌和渠道之上。
由于逆变器的成本在整个光伏系统中占比仅在8%-10%左右，但如果出现故障则会导致系统大面积瘫痪，因此客户会倾向于选择行业应用经验丰富、市场口碑良好的头部品牌。 并且客户接受某一品牌后，会倾向于建立长久、稳定的合作关系，忠诚度较高。
对于华为来说，这看似只有利好。但在近些年，国内市场被中国企业瓜分殆尽后，海外市场已经成为主要的市场增量，并且海外市场有着更高的利润空间。2020年，阳光电源、锦浪 科技 、固德威、上能电气四家主要逆变器上市公司的海外毛利率均显著高于国内，固德威海外毛利率甚至高出国内31.6%之多。
只是在国产逆变器厂商纷纷出海“吃肉”的情况下，华为却由于非市场的原因“吃了瘪”。
2018年华为开始遭遇美国政府打压，2019年开始逐渐削减在美太阳能业务，虽然当年华为逆变器全球市场份额还在22%，保持第一，但第二年华为市场份额仅提升1%，反而千年榜眼的阳光电源从2019年的13%上升到了2020年的19%。显然，在华为遭遇场外因素压制愈演愈烈的情况下，逆变器业务已经增长乏力。
更为致命的是，在全球第三大光伏装机国印度，华为也遇到了问题。 2021年2月1日，印度财政部部长Nirmala Sitharaman在提交2021-2022年国家预算时表示，印度政府将太阳能逆变器关税从5％调高到20％，且立即生效。
对于在印度没有工厂的华为来说，政策的影响也很明显。根据MERCOM报道，2021年H1印度市场的逆变器出货量排名前三分别是：阳光电源、上能电气、特变电工。而这三家的市场份额之和达到56%，超过了印度逆变器市场的一半。 要知道在这之前华为已经连续多年位居榜首，如今却不见踪影。
海外的不顺，极可能让华为在2021年丢掉逆变器全球第一的宝座，短期内如何稳住是个问题。
而在未来，逆变器也将进入技术迭代的时代。 微型逆变器（MLPE）算得上是光伏逆变器下一次迭代的方向，提早布局的企业已经享受到了迭代带来的高利润。
微型逆变器市场龙头Enphase 2020年营业收入7.74亿美元，毛利率高达44.68%。禾迈股份和昱能 科技 微型逆变器毛利率分别为42.00%和38.45%，这一水平明显高于以国内市场为主的光伏逆变器厂商。
微型逆变器与组串式逆变器相比，可以实现组件级MPPT（最大功率点跟踪），带来5%-30的发电增益，但缺点就是成本过高，不过随着渗透率不断提升，微型逆变器的成本也将不断下降。
目前欧美已经成为微型逆变器的主要出货区域，有机构预测，未来微型逆变器市场占比将不断提升，2025年全球微逆市场规模将达到212.13亿元。
而资本市场对微型逆变器的期待更是直接拉满。 抛开纳斯达克中已经出现的SolarEdge和Enphase两支十倍股不谈，前不久国内刚上市的禾迈股份预计发行价为55.8元/股，然而其最终发行价攀升至557.8元/股，上市后市盈率也直接飙升至150倍以上，是当下逆变器上市龙头企业阳光电源的两倍之多。
毫无疑问，随着分布式光伏发展提速，安全性更高、利润更高的的微型逆变器将成为逆变器企业发力的重点， 这个即将到来的风口，华为必须如任正非所说，“扑上去、撕开它。”否则就会掉下来。
当然，光伏逆变器显然不能满足华为在能源领域的野心。自全球限能限电的举措被普及之后，华为开始进军储能领域，为能源业务开辟第二增长曲线。
“哈利法塔又为华为点亮了，这次是祝贺其斩获全球最大储能项目。”王鹏显得有些激动，“这可能是我从业十几年遇到的最兴奋的一件事，当然，结婚除外。”
可以看出，作为此前安圣系的员工，王鹏对华为有着别样的感情。从2008年重新开展能源业务进入光伏逆变器领域，到如今进入储能行业，华为在能源领域的动作总是牵动着王鹏。
事实上，王鹏很早就料到华为会进军储能，只是没想到一切来得如此之快。因为储能与光伏天生就不可分割，没有哪家能做到只发电不存电，也没有哪家能保证发出来的电都能完美分配下去。 简单来讲，储能是光伏发展后的必然延伸，华为进入储能领域也只是早晚问题。
不过，对于华为进入储能领域，王鹏也表达了自己的担忧。 “盯上这块蛋糕的不只有华为一家企业，华为面临的挑战还很多，尤其是要直面特斯拉。”
在B2B领域，马斯克的Powerpack早已占据一席之地，甚至二代产品Megapack在2019年第四季度就开始部署3MWh的项目，根据特斯拉财报表示，到2023年其订单将以数GWh的规模迅速增加；在C端，Powerwall更是完成超过25万台的安装，并且挤压了上万个订单。
并且与特斯拉相比，华为储能产品的整体性并不强。 据报道，今年3月起华为将在日本销售用于可再生能源储存的大型电池系统，而其采购渠道为包括宁德时代在内的电池制造商。华为将小型电池组组合为集装箱大小的单位后出售给日本境内客户。
也就是说，华为本质上是提供储能电池组合解决方案，而反观特斯拉的Megapack，是将所有配套的逆变器、电池模组、热管理系统、电力电子元件等高度整合，甚至光伏发电设备也可以采用自家的，这也使其在能量密度、安全性、易安装等方面会有很大优势。
“一个所有主要零件都是一家的，一个是采购的，显然前者整体性更高，兼容性也更好。”王鹏如是说。
不过即便是这样，在安全性上也会存在问题。 2021年4月，北京丰台区储能电站发生火灾事故；2021年7月，采用特斯拉Megapack系统的澳大利亚最大储能项目发生火灾，这些都是前车之鉴。
因为电池在制造或者是使用过程当中，包括绝缘、异常电流、异常过热引发的短路、漏液等等一系列的问题，都会存在隐患。以及电池风险的可靠性、对环境适应的能力、对整个储能系统、管理性系统的逻辑管理能力，还有硬件故障等均可能导致整个系统失效，引发一些安全风险。
以史为镜，虽然华为拥有强大的技术支撑，但要知道特斯拉这种对储能系统的重视和投入都不容小觑的企业都发生了事故，所以从这个角度看，作为储能行业“新玩家”的华为，想要完全解决安全性的问题，可能还需坚持不懈、长期奋斗。
1996年，任正非对掌管华为电源事业部的李玉琢说，“要在三年内将莫贝克做成国内电源行业的第一。”当时李玉琢连国内电源老大是谁都不知道，对技术和市场更是一无所知，但还是硬着头皮答应了。
没想到两个月后，任正非改口称，“莫贝克要做亚洲第一。”李玉琢纳闷了，“不是国内第一吗？”，随后任正非一句“我说过这样的话吗？”李玉琢被迫接下这个挑战。
2021年深秋，77岁的任正非出现在华为军团组建成立大会上说道，“没有退路就是胜利之路。”语气神态恍如当年“逼迫”莫贝克长大。
在美国的打压和技术封锁下，现在的华为确实已经没有退路， 任正非灵敏的嗅觉已经帮助华为选好了方向，煤矿军团、智慧公路军团、海关和港口军团、智能光伏军团和数据中心能源军团五大军团成了未来的中流砥柱。
或许30年后，华为会如任正非所说，“任何人都不敢再欺负我们”，但在当下，这个故事才刚刚开始。
*文中王鹏为化名。
科士达2021光伏逆变器出货量
2021年，科士达伏逆变器出货量猛增至185GW(AC)，同比增长超过40%。根据美国市场研究机构伍德麦肯兹在六月发布的“2020全球光伏逆变器供应商市场排名”。
光伏逆变器：
光伏逆变器（PV inverter或solar inverter）可以将光伏（PV）太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电（AC）的逆变器，可以反馈回商用输电系统，或是供离网的电网使用。光伏逆变器是光伏阵列系统中重要的系统平衡（BOS）之一，可以配合一般交流供电的设备使用。太阳能逆变器有配合光伏阵列的特殊功能，例如最大功率点追踪及孤岛效应保护的机能。
2022年光伏产业将会发生哪些变化？
人们为什么往往会高估一年发生的变化，但低估五年发生的变化？我认为主要是人的思维容易被当前看到的和听到的“真相”所迷惑！
文 / NE-SALON新能荟 张真人
过去的2021年，刚刚实现平价上网“成人礼”的中国光伏产业迎来了多重挑战：硅料、IGBT、玻璃、EVA、金属、海运的轮番供应紧张和涨价。笔者认为，上述挑战主要是全球疫情、美联储货币超发造成的全球通胀等因素叠加造成的。下面笔者将就自己对中国光伏产业链的理解，逐个分析上中下游未来一年的行情和竞争态势，供读者诸君参考。
一、 上游（工业硅、多晶硅、有机硅）
光伏产业的真正源头不是多晶硅料，而是工业硅。工业硅，又称结晶硅或金属硅，是由石英砂矿（硅石）和碳质还原剂（焦炭等）在矿热炉内冶炼成的产品，主成分硅元素的含量在98%左右（近年来，含Si量99.99%的也包含在金属硅内），其余杂质为铁、铝、钙等。金属硅有三大应用领域：1.特种钢冶炼的脱氧剂（ 汽车 工业等行业应用）；2.硅橡胶、硅树脂、硅油等有机硅（建筑、医疗、新能源等行业应用）；3.进一步提纯为多晶硅（太阳能光伏和半导体芯片等行业应用）
由上可知，随着我国新能源 汽车 、半导体芯片、太阳能光伏、电力电子等产业的快速爆发，工业硅相关产业链将会持续井喷。
1.1 合盛硅业（SH603260）: 目前有80万吨工业硅年产能，工业硅产能全球最大，拥有国内最完整的硅产业链条；
1.2 通威股份（SH600438）： 通威股份旗下的永祥股份目前产能18万吨，2022年硅料总产能将达33万吨，是全球太阳能级多晶硅龙头企业；
1.3 硅宝 科技 （SZ300019）： 硅宝 科技 的有机硅密封胶年产能达20万吨，是亚洲最大的有机硅密封胶生产企业，有望成为建筑和光伏两大领域有机硅密封胶双龙头。
二、 中游（硅片、电池组件、装备）
2022年全球硅片规划产能合计将超过450G，将远远超出下游装机需求。由于硅片领域的技术门槛不高，全球硅片产能将更加分散，因此硅片环节的高毛利时代即将结束，转入到比拼“精耕细作”能力的工业4.0时代。
2021年，由于硅料、玻璃、EVA等原料辅材轮番涨价，缺“料”的专业电池、组件企业生存艰难，毁约不断。但2022年随着硅料等原材料上游产能的释放，电池组件制造企业的盈利能力将得以逐步修复，可谓“利空放尽，苦尽甘来”。
随着近年来全球碳中和进程加速，带来了光伏行业整体景气度上升。再叠加大硅片、HJT/TOPCon等产业链技术快速升级迭代，因此行业领先企业纷纷抛出大规模的扩产计划，并都有垂直一体化产业链布局冲动。“在光伏制造这样一个没有明显护城河的产业，扩产可能是找死，不扩产必然是等死！为了不被上游原材料卡脖子，有时也不得不抢供应商的饭碗，进入自己不擅长的制造领域”，某知名光伏企业负责人向NE-SALON新能荟描述了光伏产业链的无序竞争现状：“行业内卷必然会造成全产业链大规模的产能过剩，但对光伏装备企业或是重大利好！”
2.1 中环股份（SZ002129）: 单晶硅片总产能约88GW，210先进产能超75%，N型硅片全球市场占有率超60%，半导体区熔单晶硅片国内市占率超80%；行业率先导入工业4.0智能制造体系，以出色的成本控制能力拥有行业定价话语权，或将登顶2021年单晶硅片对外出货全球第一宝座。
2.2 爱旭股份(SH600732) : 2021年电池片产能约36GW，专注高效晶硅电池研发、制造与销售，大尺寸出货占比超70%，并创新性推出的双面电池“双面 双测 双分档”，推动双面技术发展。其新一代N型ABC电池平均效率高达25.5%，8.5GW新产能将于今年中期投产。
2.3 东方日升（SZ300118）: 2021年电池产能13.5GW，组件产能达19.1GW，连续多年稳居全球一线组件品牌行列。东方日升作为异质结技术一线企业，在一年内三次刷新自己创造的HJT世界纪录，创新技术潜力值得期待。随着上游原材料供应紧张局面的逐步缓解，该公司2022年盈利能力大概率将强力反弹。
2.4 迈为股份（SZ300751）: 公司主要产品包括全自动太阳能电池丝网印刷生产线、异质结高效电池制造整体解决方案、OLED柔性屏激光切割设备、Mini/Micro LED晶圆设备、半导体晶圆封装设备等，其中太阳能电池丝网印刷生产线自2018年起连续4年全球市占率第一。作为异质结电池产业化技术的主力军，迈为正向千亿市值高端装备企业迈进。
三、 下游（逆变器、电站 投资 、系统集成）
“硅料供应能力决定2022年国内户用光伏装机量的下线，而逆变器的IGBT供应能力则决定了其上线”，山东光伏行业协会秘书长张晓斌对NE-SALON新能荟说到。
受全球疫情、新能源车市场爆发等因素的影响，2021年下半年以来，光伏逆变器IGBT的供应开始出现极度紧张局面。很多逆变器厂商先是涨价，然后是惜售、毁约、断供，特别是IGBT用量特别大的户用光伏市场。据了解，部分光伏逆变器企业已经尝试在低功率产品上使用国产IGBT，而更多逆变器企业也正在马不停蹄对国产品牌IGBT进行测试，预计2022年将会逐步批量导入，逆变器“缺芯”问题或将在今年第二季度后逐步缓解。
前几年国内大型光伏电站投资由央国企主导，分布式光伏电站由民企主导。而在国家碳中和战略的推动下，更多央国企涌入分布式光伏投资领域，甚至是之前看不上的户用光伏市场。央国企携资金成本优势在分布式市场所向披靡，甚至有时为了完成新能源配额任务指标，不断突破投资财务模型底线，让参与竞争的民企投资商只能干瞪眼！而光伏“整县推进”的政策，更让本就热闹的分布式光伏市场掺入地方招商引资的利益诉求，最终在各地上演了一出出“暂停备案”的闹剧。2022年，分布式光伏市场“国进民退”的趋势无疑将愈演愈烈。
“在新能源领域，国进民退或许是一件好事。让大多数电站资产放在央国企手里，我们民营企业应该发挥自己的特长，做好前期开发、产品配套、工程实施、技术方案，以及售后运维等相关服务，这才是最明智的选择！” 某民营光伏企业负责人向NE-SALON说到。
3.1 斯达半导体（SH603290）: 全球IGBT模块市场排名第六，是唯一一家进入全球前十的中国IGBT领军企业，目前其产品已在新能源车、光伏风电等领域规模化应用。
3.2 正泰电器（SH601877）: 正泰电器旗下的正泰新能源公司，累计投建光伏电站达8GW，运维总量超7GW，是中国最大的民营光伏投资运营商。
3.3 天合光能（SH688599）: 天合光能旗下的天合智慧分布式能源公司，行业首创“原装光伏系统”标准，拥有1000+县级经销商，15000+乡镇服务网点，是国内最大的分布式光伏系统集成品牌。
结语
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光伏逆变器龙头
阳光电源：光伏逆变器龙头。光伏逆变器全球第一的龙头公司。公司位于安徽省合肥市，主要从事太阳能、风能、储能、电动汽车等新能源电源设备的研发、生产、销售和服务。阳光电源市盈率为117.44，2020年营收同比增长48.31%至192.9亿，毛利率达到23.07%。
其他光伏逆变器概念股还有： 固德威、茂硕电源、国电南瑞、许继电气、盛弘股份、上能电气、动力源、金杯电工、禾望电气、海陆重工、时代电气等。
拓展资料：
一、捕捉龙头股的准备工作
1、首先要选择在未来行情中可能形成热点的板块。需要注意的是:板块热点的持续性不能太短，板块所拥有的题材要具备想象空间，板块的领头羊个股要具备能够激发市场人气、带动大盘的能力。
2、所选的板块容量不能过大。如果出现板块过大的现象，就必须将其细分。例如深圳本地股的板块容量过大，在一轮中级行情中是不可能全盘上涨的，因此可以根据行业特点将其细分为几个板块，这样才可以有的放矢地选择介入。
3、精选个股。选股时要注意:宜精不宜多，一般每个板块只能选3～6只，多了不利于分析、关注以及快速反应的出击。
4、板块设置。将选出的板块和股票设置到分析软件的自定义板块中，便于今后的跟踪分析。自定义板块名称越简单越好，如A、B、C??看盘时一旦发现领头林小羊启动，可以用键盘精灵一键敲定，节约操盘时间，有条件的投资者可以开启预警功能。
5、跟踪观察。投资者选择的板块和个股未必全部能成为热点，也未必能立刻展开逼空行情，投资者需要长期跟踪观察，把握最佳的介入时机。
二、捕捉龙头股的技巧
1、根据板块个股选龙头股。具体操作方法是密切关注板块中的大部分个股的资金动向，当某一板块中的大部分个股有资金增仓现象时，要根据个股的品质特别留意有可能成为领头羊的品种，一旦某只个股率先放量启动时，确认向上有效突破后，不要去买其它跟风股，而是追涨这只领头羊，这叫"擒贼先擒王"。这种选股方法看上去是追涨已经高涨且风险很大的个股，实际上由于龙头股具有先板块启动而起，后板块回落而落的特性，所以，它的安全系数和可操作性均远高于跟风股，至于收益更是跟风股望尘莫及。
2、追涨龙头股的第一个涨停板。如果，投资者错过了龙头股启动时的买入机会，或者投资者的研判能力弱，没能及时识别龙头股，则可以在其拉升阶段的第一个涨停板处追涨，通常龙头股的第一个涨停板比较安全，后市最起码有一个上冲过程，可以使投资者从容地全身而退。具体的追涨方法有两种:
A、在龙头股即将封涨停时追涨。如:中国联通在2003年1月14日上午开盘45分钟后封上涨停板，投资者可以有充足的时间，在它即将封涨停板时追涨买入。B、在龙头股封涨停后打开涨停时追涨。如:中信证券在2003年1月9日开盘后不到10分钟，即涨停，使投资者来不及介入。但这种快速封涨停的个股，往往一时立足未稳。中信证券在封涨停板后不久，盘中曾经出现5分钟打开涨停的时间，投资者可以乘机买入。
3、在龙头股强势整理期间介入。即使最强劲的龙头股行情，中途也会有强势整理的阶段。这时，是投资者参与龙头股操作的最后阶段，投资者需要把握其休整的机遇，积极参与。但是，这种操作方式也存在一定风险，当市场整体趋势走弱，龙头股也可能会从强势整理演化为真的见顶回落。识别龙头股是见顶回落还是强势整理，主要应用心理线指标PSY:当龙头股进转入调整时，PSY有效贯穿50的中轴线时，则说明龙头股已经见顶回落，投资者不必再盲目追涨买入。如果，PSY始终不能有效贯穿50的中轴线，则说明龙头股的此次调整属于强势整理，后市仍有上涨空间，投资者可以择机介入。
揭秘第三代半导体，三大领域加速爆发！百亿市场火爆
随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。
值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元;
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙;第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙;二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗;
2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化;
3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器;在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域;氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用;外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能;设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大;制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路;封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率;其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化;第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本;第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系;最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等;
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等;
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域;在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1.新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2.光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。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,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3.轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4.智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 ;可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验;产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
