功率器件：新能源產(chǎn)業(yè)的“芯”臟

功率半導體器件，也稱為電力電子器件，主要用于電力設備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件。逆變（直流轉換成交流）、整流（交流轉換成直流）、斬波（直流升降壓）、變頻（交流之間轉換）是基本的電能轉換方式。MOSFET 和 IGBT 是主流的功率分立器件。

一 新能源汽車是功率器件增量需求主要來源

01 下游應用領域廣泛，新能源汽車為主

作為電能轉化和電路控制的核心器件，功率器件下游應用十分廣泛，包括新能源（風電、光伏、儲能和電動汽車）、消費電子、智能電網(wǎng)、軌道交通等，根據(jù)每個細分領域性能要求的不同（頻率、電壓、損耗），選擇不同的功率器件。按照下游應用劃分，汽車領域占比達 40%，其次是工業(yè)占比27%，消費電子占13%，其他領域（如通訊、計算機等領域）占 20%，功率器件在汽車和工業(yè)領域應用較多，需求穩(wěn)定性也較強，消費領域應用相對較少。

02 IGBT、SiC模塊和MOS是主要增量

根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，2021年全球功率半導體器件市場大約175億美元，2026年將增長至 262億美元，復合增速達到6.9%。其中，增量較大的主要是IGBT模塊、SiC 模塊、MOSFET 和 GaN 產(chǎn)品。

其中，硅基 MOS 市場規(guī)模將從2021年的75億美元增長至2026年的94億美元，復合增速為3.8%，IGBT 市場規(guī)模將從54億美元增長至2026年的84億美元，復合增速為7.5%，SiC 模塊市場規(guī)模從2020年的5億美元以下增長至2026年的20億美元以上，而硅基 MOS、IGBT 和 SiC 模塊主要增長的下游驅動均來自于電動車和工業(yè)（主要是光伏、風電和儲能）領域。

功率半導體類別及市場規(guī)模：

資料來源：Omdia

低端產(chǎn)品已實現(xiàn)部分國產(chǎn)替代，高端分立器件國產(chǎn)化空間廣闊。對國內(nèi)市場而言，功率二極管、功率三極管、晶閘管、中低壓MOSFET 等分立器件產(chǎn)品部分已實現(xiàn)國產(chǎn)化，而功率MOSFET 特別是高壓超級結MOSFET、IGBT 等高端分立器件產(chǎn)品由于其技術及工藝的復雜度，還較大程度上依賴進口，國產(chǎn)化率低，未來進口替代空間巨大。

全球功率分立器件市場規(guī)模（左）；全球功率器件各細分領域市場規(guī)模（右）：

資料來源：Omdia

03 受益電動化、高壓化，車用功率器件價值量數(shù)倍提升

車用功率器件快速增長主要來自于電動化。所有汽車都會配備12V平臺，2011年，歐洲車企聯(lián)合推出48V輕混系統(tǒng)，以滿足日益增長的車載負載需求以及排放法規(guī)。在新能源汽車中，為滿足動力高功率需求，400V（或更高電壓）電氣平臺被引入，伴隨著需要使用大量的功率器件。

新能源汽車中，新增功率器件主要用于主驅逆變器、車載充電機（OBC）、直流-直流變換器（DC-DC）等動力系統(tǒng)零部件。除動力系統(tǒng)之外，熱管理系統(tǒng)中的PTC加熱器、壓縮機，水泵和油泵等需要功率器件進行驅動，另外，配套的充電樁也需要使用大量功率器件。功率等級的不同也對應不同功率器件的選擇。

燃油車功率器件價值量大約70美元，插電混動和純電汽車由于新增功率器件具有高壓、大功率的特點，價值量提升較大，根據(jù)英飛凌測算，純電和插電混動汽車半導體價值量834美元，增量438美元中330美元來自于功率器件。在全球市場，特別歐洲地區(qū)，48V混動系統(tǒng)仍有一席之地，其176美元的增量中有90美元來自于功率器件。

高壓化也是汽車電動化之后一個新的趨勢，高壓化指的是將目前電動車的400V電氣平臺升級為800V電氣平臺。高壓化能在降低充電時間、提升電氣平臺效率同時降低整車重量。其中加快充電速度，以減少里程焦慮是下游客戶選擇高壓平臺的主要驅動之一。根據(jù)保時捷測算，在400公里續(xù)航里程的條件下，續(xù)航充電800V平臺可以將充電時間從29分鐘降低至19分鐘，從而大幅減少用戶在充電站的等待時間。

目前國內(nèi)新勢力，傳統(tǒng)整車廠和海外平臺相繼跟進高壓化。高壓電氣平臺也對使用的電力電子設備提出了更高的要求，因此其中的功率器件也需要全面的升級。除了動力電池及 BMS 需要提升外，高壓電路中的主驅逆變器，OBC，DC-DC，電空調(diào)中的功率器件都需要向更高耐壓的型號升級，因此單車價值也會有所提升。

04 風、光發(fā)電配套儲能設備拉動功率器件需求增長

在新能源發(fā)電領域中，風能發(fā)電、光伏發(fā)電市場快速發(fā)展，因為直接產(chǎn)生的電能不能直接并入電網(wǎng)，因此需要通過變流器、逆變器等進行電能轉化，進行儲存或者并入電網(wǎng)，儲能領域也是如此，儲能變流器需要控制儲能電池組的充放電，進行交直流變換，功率器件作為其核心電能變換器件，需求迎來大幅增長。在光伏發(fā)電領域中，光伏逆變器主要分為集中式逆變器、組串式逆變器和微型逆變器，對于不同的應用環(huán)境和功率要求，選擇不同類型逆變器。光伏逆變器中包含升壓模塊和逆變模塊。一般光伏逆變器采用3相全橋形式，逆變模塊需要6組IGBT。以陽光電源的逆變器 SG125HV 為例，使用了3個英飛凌的IGBT模塊，每個模塊中封裝了2組 IGBT。升壓模塊中用到 Boost 電路，會根據(jù)功率需求配置幾組 MOSFET 器件。因為碳化硅器件轉換效率高，逐漸在新能源發(fā)電中被采用。

國產(chǎn)光伏逆變器廠商市占率全球領先，2019年在全球逆變器出貨排名前十中，有六家來自中國的供應商，分別為：華為、陽光電源、古瑞瓦特、錦浪科技、上能電氣和固德威。其中華為和陽光電源市占率分別達22%和13%，位居全球前二。國產(chǎn)逆變器廠商實力雄厚，出貨量穩(wěn)固，也利于國產(chǎn)功率器件進入國際市場。

在風力發(fā)電領域，風電變流器根據(jù)風速大小適應發(fā)電機轉速，使風機實現(xiàn)最佳風能捕獲，風電變流器是關鍵部件之一。風電變流器分為機側和網(wǎng)側兩部分，采用IGBT 模塊。機側和網(wǎng)側的變流器各有6組 IGBT，共計12 組。單個功率模塊功率有限，每組 IGBT 會用多個 IGBT 模塊進行并聯(lián)，以達到需要的電壓和功率。

在碳中和、碳達峰趨勢下，全球風電、光伏新增裝機量持續(xù)快速增長，2021年全球光伏新增裝機達175GW，同比增長超過 21%，風電新增裝機量約94GW，同比基本持平。隨著風力和光伏發(fā)電設備裝機量的增加，電網(wǎng)在輸配、波動性調(diào)控方面難度加大，儲能市場迎來爆發(fā)式增長，預計2025年風電，光伏，儲能總計總新增裝機量將增長至 687GW。結合功率器件每 GW 的價值，根據(jù)測算，2021年全球光伏逆變器、風電變流器、儲能變流器需要的功率器件市場大約114億元，2025年有望增長至255億元（按照 6.7 的匯率折算為38 億美元），復合增速達到22%。

05.超結MOSFET驅動力：直流充電樁/5G/新能源車帶來發(fā)展新機遇

充電樁：高壓超級結MOSFET 順應國內(nèi)直流充電樁“快充”發(fā)展潮流日益提升的快充需求下直流充電樁滲透率提升至四成，功率不斷提升。充電樁可分為公共直流/公共交流/私人樁，高充電功率的直流樁充電速度最快，而私人樁、公共交流樁充電功率低、充電時間長。隨著下游新能源汽車市場的爆發(fā)，國內(nèi)對配套設施充電樁的需求也日益增加。據(jù)Wind數(shù)據(jù)顯示，2021年國內(nèi)公共充電樁保有量114.70萬個，2016-2021 年CAGR 高達 52.02%。其中17 年至19年，直流充電樁的占比從28.7%上升至41.6%，占比提升較快，21 年直流充電樁占比保持約四成左右。直流充電方式相較家用標準交流電充電方式速度大幅提高，一個150kW的直流充電器可以在大約15 分鐘內(nèi)為電動汽車增加200公里續(xù)航，隨著新能源汽車滲透率進一步提高，直流電充電方案需求將同步提升，2020 年國內(nèi)新增直流樁功率達到131KW，未來直流樁新增裝機功率有望進一步提升。此外，Yole預計2020-2025年，全球100kW及以上的大功率直流充電樁數(shù)量將以高達36.85%的CAGR 增長，大功率直流快充呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。

國內(nèi)充電樁保有量結構（左）；國內(nèi)公共充電樁保有量及同比增速（右）：

資料來源：Wind

超級結MOSFET 成快充主流選擇，2025年全球直流樁SJ MOS 市場規(guī)模有望超20億元。直流充電樁則通過自帶的AC/DC充電模塊將輸入的交流電轉為直流電，不通過OBC直接完成變壓整流。超級結 MOSFET 因其更低的導通損耗、開關損耗、高可靠性、高功率密度，已成為主流的大功率充電樁功率器件應用產(chǎn)品。根據(jù)充電樁功率模塊電路結構，隨著平均單樁功率提升，我們預測2025年直流樁單樁 SJ MOS 用量 168 顆，結合IEA 預測2025年全球直流樁新增保有量達84.6萬個，在SJ MOS 單顆售價15.8 元，市場滲透率達90%的假設下，我們預計 2025 年全球直流樁 SJ MOS 市場規(guī)模為20.3億元，對應21-25年CAGR為34.9%，其中22-24 年的CAGR為42.8%；2025年國內(nèi)市場規(guī)模為12.7億元，對應21-25 年CAGR 為60.4%，其中22-24 年的CAGR為56.7%。

全球直流充電樁保有量預測（左）；全球直流充電樁超結MOSFET市場規(guī)模預測(右）：

資料來源：Yole

我國新能源汽車銷量增速有望持續(xù)高企，單車功率半導體用量是傳統(tǒng)燃油車的5倍。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2021年國內(nèi)新能源汽車銷量實現(xiàn)爆發(fā)性增長，全年銷售共計352萬輛，同比增長157.48%。在“碳中和”、“碳達峰”目標下，我國新能源汽車市場高景氣度有望持續(xù)。新能源汽車中的功率半導體含量大大增加，主要增量來源于逆變器中的IGBT 模塊、DC/DC 中的高壓MOSFET、輔助電器中的IGBT 分立器件、OBC 中的超級結MOSFET。據(jù)英飛凌數(shù)據(jù)顯示，一輛電動車的MOSFET分立器件用量接近200個，部分高端新能源汽車車型對MOSFET 的需求可達400個/輛以上。純電動車功率半導體價值量為350美元，是傳統(tǒng)燃油車單車價值量71美元的五倍。

新能源車中OBC、DC/DC 均可采用超級結MOSFET，2025 年全球EV SJ MOS 的市場規(guī)模有望成長至34.65億元。OBC是由PFC和隔離DC-DC組成的AC-DC轉換器，通過將來自地面交流充電樁的交流電進行交直流轉換和高低壓變換，給車載電池充電。此外，DC/DC主要作用是取代傳統(tǒng)汽車中的12V發(fā)電機，將動力電池的高壓電轉換為低壓電，隨后被低壓蓄電池收集，該過程同樣需要超結MOSFET 的參與。根據(jù)Marketline 的預測，2025年全球新能源汽車銷量2121.7萬輛，其中OBC、DC/DC 分別搭載12顆/4顆超結MOSFET，結合17.6 元/顆的單價及滲透率，我們預計2025 年全球EV SJ MOS 的市場規(guī)模有望達到34.7億元，21-25 年CAGR 為30.8%，其中22-24 年CAGR為37.8%；國內(nèi)市場規(guī)模25年有望達到17.7 億元，占全球市場需求超過50%，21-25 年CAGR 為28.2%，其中22-24年CAGR 為35.1%

全球EV銷量預測（左）；全球EV 超結MOSFET市場規(guī)模預測（右）：

資料來源：Marketline

二 國產(chǎn)替代需求強烈

01 國際大廠仍居主導地位，IDM與Fabless并

在主要細分領域中，英飛凌市場份額遙遙領先，在功率MOSFET、IGBT單管、IGBT 模塊市場份額分別為24.4%、29.3%、36.5%，接下來便是安森美、意法、東芝、瑞薩、三菱等歐美日系企業(yè)?？上驳氖?，功率 MOSFET 市場，華潤微、安世、士蘭微躋身前十，IGBT 單管市場士蘭微、IGBT 模塊市場的斯達也都進入全球前十，雖然目前市場占有率還較低，但也說明了產(chǎn)品力在持續(xù)提升。

全球功率器件競爭格局：

資料來源：Omidia

IDM、Fabless 并存，MOSFET 仍由歐美日主導 IDM 與 Fabless 模式并存。目前，半導體企業(yè)采用的經(jīng)營模式主要可以分為 IDM 模式和Fabless 模式。IDM 模式具有技術的內(nèi)部整合優(yōu)勢，有利于積累工藝經(jīng)驗，但資金投入較大，且容易在半導體下行周期中受制于原有產(chǎn)能，陷入被動局面。隨著全球半導體產(chǎn)業(yè)分工的逐步細化，F(xiàn)abless 模式已成為芯片設計企業(yè)的主流經(jīng)營模式之一，行業(yè)整體呈現(xiàn) IDM 與Fabless 共存的局面。

功率器件產(chǎn)業(yè)鏈：

資料來源：各公司公告

02 功率器件壁壘高，國際大廠具先發(fā)優(yōu)勢

功率器件市場長期由國際大廠主導，主要在于行業(yè)壁壘高，特別是在制造、封裝工藝上，需要有深厚的積累，同時又有很高的認證門檻。功率器件在半導體行業(yè)中屬于特色工藝，并不追求先進制程，除了光刻之外，溝槽、減薄、能量注入，背面金屬化等，這些獨有的工藝加深了行業(yè)的壁壘。

功率器件的封裝工藝也十分重要，直接關系到器件性能。優(yōu)秀的封裝工藝能提高器件的最大功率和耐久性，同時也需要長時間的技術積累。未來在SiC被逐漸應用之后，為最大化挖掘其性能，新的封裝形式和封裝技術將會被大量使用，如銀燒結，AMB，轉模封裝等。英飛凌、安森美、意法等國際大廠，在制造、封裝工藝上有著深厚的技術沉淀，并且都是 IDM 模式，工藝經(jīng)驗持續(xù)積累、提升。以英飛凌為例，IGBT產(chǎn)品歷經(jīng)七代升級，從最初的平面柵到溝槽工藝，再到最新的微溝槽，功率密度持續(xù)提升，同時具備更好地開關性能，損耗也持續(xù)降低。

03 功率器件下游認證難度大，鞏固了龍頭的行業(yè)地位

功率器件行業(yè)下游主要為汽車、工控、光伏等工業(yè)領域，相較于消費電子，器件認證難度更大，對產(chǎn)品可靠性，耐久性要求高。特別是汽車行業(yè)，除了標準AECQ 等測試，Tier1 和整車廠都有測試標準。測試要求復雜，難度高，也需要較大資金投入。新廠商的進入門檻較高，也鞏固了龍頭企業(yè)的領先地位。

04 國產(chǎn)廠商實現(xiàn)技術突破

近年來國內(nèi)功率半導體公司成長迅速，有以士蘭微、華潤微、時代電氣、安世為代表的 IDM廠商，也有以斯達半導、新潔能、東微半導為代表的Fabless公司，以及IDM和Fabless 并舉的揚杰科技。產(chǎn)品方面，士蘭微、安世、揚杰科技品類較為齊全，斯達半導、時代電氣聚焦 IGBT，華潤微、新潔能和東微半導聚焦MOSFET，并都有所突破，士蘭微做到了全球前十，斯達半導 IGBT 模塊市場前十，安世MOSFET 市場前十，華潤微MOSFET 市場前十。

在技術方面，國產(chǎn)廠商也在各自優(yōu)勢領域，各有突破。士蘭微完成12 寸功率產(chǎn)線建設并成功量產(chǎn)；斯達半導完成第七代 IGBT 研發(fā)，并進入量產(chǎn)階段，對標英飛凌最新產(chǎn)品；東微半導體推出高功率超級結產(chǎn)品，打破國外廠商壟斷；新潔能的新一代SGT產(chǎn)品，提高轉換效率，步入車規(guī)市場。隨著越來越多國產(chǎn)廠商產(chǎn)品取得突破，進入車規(guī)和風光儲市場，國產(chǎn)替代進入加速期。

在IGBT模塊產(chǎn)品中，選取英飛凌和斯達兩款產(chǎn)品進行對比，分別采用GD1200和 FF1200 系列中高壓、高電流產(chǎn)品，IGBT 芯片也處于同一代工藝技術。這類產(chǎn)品主要應用在UPS系統(tǒng)，風電換流器，電機傳動系統(tǒng)中。這兩個模塊性能耐壓和最大電流分為為 1200V 和 1200A。產(chǎn)品主要性能上，斯達產(chǎn)品的柵極－發(fā)射極峰值電壓（VGES），在各個條件下導通壓降（VCE(SAT)）性能和英飛凌相當。而在一些開關控制特性上如柵極閾值電（VGEth），導通和關斷損耗（Eon，Eoff）這些特性與英飛凌的產(chǎn)品有一些差距。公司的產(chǎn)品與同代的國際龍頭在產(chǎn)品特性上基本達到同一水平。

三 功率半導體供需分析

2022年國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)進入爆發(fā)期，國產(chǎn)IGBT廠商在車載IGBT領域的替代進程會加速。一方面國內(nèi)新能源汽車2022年銷量預期都比較樂觀，市場預期平均增速在50%以上，但是國外IGBT芯片廠商如英飛凌和安森美等大廠的交期平均都在一年以上，同時海外如歐洲和美國的電動車市場也開始進入高速增長期，這些國際大廠會優(yōu)先保障本土供應。在供需偏緊的情況下，國產(chǎn)IGBT廠商對于國內(nèi)電動車主機廠而言成為了最重要的芯片供應保障，而且時代電氣、士蘭微和華虹半導體等廠商的IGBT產(chǎn)能已經(jīng)在2021年底相繼投產(chǎn)，有望成為IGBT芯片國產(chǎn)化最受益的廠商。對于國內(nèi)的IGBT廠商而言，最受益的廠商還是以IDM模式為主的廠商，如比亞迪半導體，時代電氣和士蘭微。

我們認為市場對于IGBT芯片供給大幅開出以后導致IGBT芯片市場競爭加劇的擔憂大可不必，我們梳理了國內(nèi)明年新增的IGBT產(chǎn)能，如果拉平2022年全年的IGBT供應增量，預計為5.04萬片/月，如果考慮良率等問題，預計實際產(chǎn)能不足4萬片/月，對于明年200萬輛電動車的IGBT芯片消耗量就達到2-3萬片/月，如果再考慮光伏和風電等領域用到的IGBT芯片，預計產(chǎn)能供應相對偏緊張。

假設2030年全球汽車銷量達到1億輛，如果50%的燃油車替換為電動車，對應約5000萬輛電動車，按照單車功率半導體價值量為400美元計算，預計全球車規(guī)功率半導體市場規(guī)模達到200億美元，如果國內(nèi)電動車市場占全球的50%，那么2030年國內(nèi)車規(guī)功率半導體市場空間將達到100億美元。存量市場2021年全球功率半導體市場規(guī)模將增長至441億美元，國內(nèi)需求占全球市場份額的36%，2021年市場規(guī)模有望達到159億美元，未來十年按照5%的復合增速測算，存量市場如工控和家電領域的需求在2030年將達到239億美元。光伏領域對于功率半導體市場需求為30億美元，加總以后預計到2030年國內(nèi)功率半導體市場空間達到369億美元，對應2500億人民幣左右的市場空間。

1臺新能源汽車平均消耗一片8英寸硅片，其中分立器件、IGBT消耗0.4片，DMOS占0.1片，IC占了0.5片，主要是MCU和電源管理芯片，2021年新能源汽車銷量為340萬臺，同比增長1.5倍，預計2022年國內(nèi)新能源汽車銷量達到500萬輛，對應的增量需求為160萬片8寸晶圓，折合13~14萬片月產(chǎn)能，如果2025年國內(nèi)電動車銷量達到1000萬輛，對應增量需求為54-55萬片月產(chǎn)能。

截止2020年12年全球晶圓產(chǎn)能約為2082萬片/月（等效8寸），中國大陸晶圓產(chǎn)能占比為15.3%，預計為318.4萬片/月（等效8寸），國內(nèi)主要晶圓廠12寸產(chǎn)能約100萬片/月，8寸產(chǎn)線約為115萬片/月。其中我們統(tǒng)計國內(nèi)所有功率半導體廠商新增產(chǎn)線的產(chǎn)能增量，預計2022年全年新增功率半導體產(chǎn)能為18萬片/月（等效8寸），如果假設2022年國內(nèi)新增電動車銷量為200萬臺，全球新增500萬臺電動車，所需要對應約250萬片8寸的年產(chǎn)能，對應需要新增20.8萬片月產(chǎn)能，而全球功率半導體的新增產(chǎn)能幾乎都在中國，僅僅滿足全球的電動車的需求新增供給尚且不夠，如果考慮光伏需要的產(chǎn)能則供應缺口進一步增加。

結語：

功率器件國產(chǎn)化率僅為 22%，高端產(chǎn)品國產(chǎn)化率更低。據(jù)我們統(tǒng)計 2021 年國內(nèi)主要功率器件上市公司相關收入占國內(nèi)功率器件總市場比重僅 22%，且當前國內(nèi)功率器件仍以二極管、晶閘管等低端產(chǎn)品居多，高端產(chǎn)品如 IGBT、SiC 等國產(chǎn)化率更低。當前國內(nèi)廠商在高性能功率器件持續(xù)發(fā)力，產(chǎn)品性能、可靠性和穩(wěn)定性等已具備對標海外一線龍頭的能力，隨著未來下游需求的持續(xù)增長，功率器件國產(chǎn)化率有望進一步提升。

重視國內(nèi)廠商的產(chǎn)品品類從低端向高端切換，產(chǎn)品下游應用領域優(yōu)化以及晶圓產(chǎn)線的升級節(jié)奏。當前國內(nèi)廠商正在經(jīng)歷幾大重要變化：1）產(chǎn)品品類從過去以二極管、晶閘管、平面型 MOS向性能更加優(yōu)越的超結、屏蔽柵 MOS 升級，同時在 IGBT、SiC 器件加快布局；2）下游需求結構中，新能源行業(yè)的占比快速提升，帶動廠商營收增速和毛利率的進一步上升；3）從6寸到8寸，再到 12 寸晶圓升級，主推產(chǎn)品性能、成本優(yōu)勢進一步提升。