功率器件：新能源产业的“芯”脏

功率器件：新能源产业的“芯”脏

转自：半导体在线，来源：云创投资

功率半导体器件，也称为电力电子器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件。逆变（直流转换成交流）、整流（交流转换成直流）、斩波（直流升降压）、变频（交流之间转换）是基本的电能转换方式。MOSFET 和 IGBT 是主流的功率分立器件。

一、新能源汽车是功率器件增量需求主要来源

01.下游应用领域广泛，新能源汽车为主

作为电能转化和电路控制的核心器件，功率器件下游应用十分广泛，包括新能源（风电、光伏、储能和电动汽车）、消费电子、智能电网、轨道交通等，根据每个细分领域性能要求的不同（频率、电压、损耗），选择不同的功率器件。按照下游应用划分，汽车领域占比达 40%，其次是工业占比27%，消费电子占13%，其他领域（如通讯、计算机等领域）占 20%，功率器件在汽车和工业领域应用较多，需求稳定性也较强，消费领域应用相对较少。

02.IGBT、SiC模块和MOS是主要增量

根据 Yole 的数据，2021年全球功率半导体器件市场大约175亿美元，2026年将增长至 262亿美元，复合增速达到6.9%。其中，增量较大的主要是IGBT模块、SiC 模块、MOSFET 和 GaN 产品。

其中，硅基 MOS 市场规模将从2021年的75亿美元增长至2026年的94亿美元，复合增速为3.8%，IGBT 市场规模将从54亿美元增长至2026年的84亿美元，复合增速为7.5%，SiC 模块市场规模从2020年的5亿美元以下增长至2026年的20亿美元以上，而硅基 MOS、IGBT 和 SiC 模块主要增长的下游驱动均来自于电动车和工业（主要是光伏、风电和储能）领域。

功率半导体类别及市场规模：

资料来源：Omdia

低端产品已实现部分国产替代，高端分立器件国产化空间广阔。对国内市场而言，功率二极管、功率三极管、晶闸管、中低压MOSFET 等分立器件产品部分已实现国产化，而功率MOSFET 特别是高压超级结MOSFET、IGBT 等高端分立器件产品由于其技术及工艺的复杂度，还较大程度上依赖进口，国产化率低，未来进口替代空间巨大。

全球功率分立器件市场规模（左）；全球功率器件各细分领域市场规模（右）：

资料来源：Omdia

03.受益电动化、高压化，车用功率器件价值量数倍提升

车用功率器件快速增长主要来自于电动化。所有汽车都会配备12V平台，2011年，欧洲车企联合推出48V轻混系统，以满足日益增长的车载负载需求以及排放法规。在新能源汽车中，为满足动力高功率需求，400V（或更高电压）电气平台被引入，伴随着需要使用大量的功率器件。

新能源汽车中，新增功率器件主要用于主驱逆变器、车载充电机（OBC）、直流-直流变换器（DC-DC）等动力系统零部件。除动力系统之外，热管理系统中的PTC加热器、压缩机，水泵和油泵等需要功率器件进行驱动，另外，配套的充电桩也需要使用大量功率器件。功率等级的不同也对应不同功率器件的选择。

燃油车功率器件价值量大约70美元，插电混动和纯电汽车由于新增功率器件具有高压、大功率的特点，价值量提升较大，根据英飞凌测算，纯电和插电混动汽车半导体价值量834美元，增量438美元中330美元来自于功率器件。在全球市场，特别欧洲地区，48V混动系统仍有一席之地，其176美元的增量中有90美元来自于功率器件。

高压化也是汽车电动化之后一个新的趋势，高压化指的是将目前电动车的400V电气平台升级为800V电气平台。高压化能在降低充电时间、提升电气平台效率同时降低整车重量。其中加快充电速度，以减少里程焦虑是下游客户选择高压平台的主要驱动之一。根据保时捷测算，在400公里续航里程的条件下，续航充电800V平台可以将充电时间从29分钟降低至19分钟，从而大幅减少用户在充电站的等待时间。

目前国内新势力，传统整车厂和海外平台相继跟进高压化。高压电气平台也对使用的电力电子设备提出了更高的要求，因此其中的功率器件也需要全面的升级。除了动力电池及 BMS 需要提升外，高压电路中的主驱逆变器，OBC，DC-DC，电空调中的功率器件都需要向更高耐压的型号升级，因此单车价值也会有所提升。

04.风、光发电配套储能设备拉动功率器件需求增长

在新能源发电领域中，风能发电、光伏发电市场快速发展，因为直接产生的电能不能直接并入电网，因此需要通过变流器、逆变器等进行电能转化，进行储存或者并入电网，储能领域也是如此，储能变流器需要控制储能电池组的充放电，进行交直流变换，功率器件作为其核心电能变换器件，需求迎来大幅增长。在光伏发电领域中，光伏逆变器主要分为集中式逆变器、组串式逆变器和微型逆变器，对于不同的应用环境和功率要求，选择不同类型逆变器。光伏逆变器中包含升压模块和逆变模块。一般光伏逆变器采用3相全桥形式，逆变模块需要6组IGBT。以阳光电源的逆变器 SG125HV 为例，使用了3个英飞凌的IGBT模块，每个模块中封装了2组 IGBT。升压模块中用到 Boost 电路，会根据功率需求配置几组 MOSFET 器件。因为碳化硅器件转换效率高，逐渐在新能源发电中被采用。

国产光伏逆变器厂商市占率全球领先，2019年在全球逆变器出货排名前十中，有六家来自中国的供应商，分别为：华为、阳光电源、古瑞瓦特、锦浪科技、上能电气和固德威。其中华为和阳光电源市占率分别达22%和13%，位居全球前二。国产逆变器厂商实力雄厚，出货量稳固，也利于国产功率器件进入国际市场。

在风力发电领域，风电变流器根据风速大小适应发电机转速，使风机实现最佳风能捕获，风电变流器是关键部件之一。风电变流器分为机侧和网侧两部分，采用IGBT 模块。机侧和网侧的变流器各有6组 IGBT，共计12 组。单个功率模块功率有限，每组 IGBT 会用多个 IGBT 模块进行并联，以达到需要的电压和功率。

在碳中和、碳达峰趋势下，全球风电、光伏新增装机量持续快速增长，2021年全球光伏新增装机达175GW，同比增长超过 21%，风电新增装机量约94GW，同比基本持平。随着风力和光伏发电设备装机量的增加，电网在输配、波动性调控方面难度加大，储能市场迎来爆发式增长，预计2025年风电，光伏，储能总计总新增装机量将增长至 687GW。结合功率器件每 GW 的价值，根据测算，2021年全球光伏逆变器、风电变流器、储能变流器需要的功率器件市场大约114亿元，2025年有望增长至255亿元（按照 6.7 的汇率折算为38 亿美元），复合增速达到22%。

05.超结MOSFET驱动力：直流充电桩/5G/新能源车带来发展新机遇

充电桩：高压超级结MOSFET 顺应国内直流充电桩“快充”发展潮流日益提升的快充需求下直流充电桩渗透率提升至四成，功率不断提升。充电桩可分为公共直流/公共交流/私人桩，高充电功率的直流桩充电速度最快，而私人桩、公共交流桩充电功率低、充电时间长。随着下游新能源汽车市场的爆发，国内对配套设施充电桩的需求也日益增加。据Wind数据显示，2021年国内公共充电桩保有量114.70万个，2016-2021 年CAGR 高达 52.02%。其中17 年至19年，直流充电桩的占比从28.7%上升至41.6%，占比提升较快，21 年直流充电桩占比保持约四成左右。直流充电方式相较家用标准交流电充电方式速度大幅提高，一个150kW的直流充电器可以在大约15 分钟内为电动汽车增加200公里续航，随着新能源汽车渗透率进一步提高，直流电充电方案需求将同步提升，2020 年国内新增直流桩功率达到131KW，未来直流桩新增装机功率有望进一步提升。此外，Yole预计2020-2025年，全球100kW及以上的大功率直流充电桩数量将以高达36.85%的CAGR 增长，大功率直流快充呈现高速增长态势。

国内充电桩保有量结构（左）；国内公共充电桩保有量及同比增速（右）：

资料来源：Wind

超级结MOSFET 成快充主流选择，2025年全球直流桩SJ MOS 市场规模有望超20亿元。直流充电桩则通过自带的AC/DC充电模块将输入的交流电转为直流电，不通过OBC直接完成变压整流。超级结 MOSFET 因其更低的导通损耗、开关损耗、高可靠性、高功率密度，已成为主流的大功率充电桩功率器件应用产品。根据充电桩功率模块电路结构，随着平均单桩功率提升，我们预测2025年直流桩单桩 SJ MOS 用量 168 颗，结合IEA 预测2025年全球直流桩新增保有量达84.6万个，在SJ MOS 单颗售价15.8 元，市场渗透率达90%的假设下，我们预计 2025 年全球直流桩 SJ MOS 市场规模为20.3亿元，对应21-25年CAGR为34.9%，其中22-24 年的CAGR为42.8%；2025年国内市场规模为12.7亿元，对应21-25 年CAGR 为60.4%，其中22-24 年的CAGR为56.7%。

全球直流充电桩保有量预测（左）；全球直流充电桩超结MOSFET市场规模预测(右）：

资料来源：Yole

我国新能源汽车销量增速有望持续高企，单车功率半导体用量是传统燃油车的5倍。据中国汽车工业协会统计，2021年国内新能源汽车销量实现爆发性增长，全年销售共计352万辆，同比增长157.48%。在“碳中和”、“碳达峰”目标下，我国新能源汽车市场高景气度有望持续。新能源汽车中的功率半导体含量大大增加，主要增量来源于逆变器中的IGBT 模块、DC/DC 中的高压MOSFET、辅助电器中的IGBT 分立器件、OBC 中的超级结MOSFET。据英飞凌数据显示，一辆电动车的MOSFET分立器件用量接近200个，部分高端新能源汽车车型对MOSFET 的需求可达400个/辆以上。纯电动车功率半导体价值量为350美元，是传统燃油车单车价值量71美元的五倍。

新能源车中OBC、DC/DC 均可采用超级结MOSFET，2025 年全球EV SJ MOS 的市场规模有望成长至34.65亿元。OBC是由PFC和隔离DC-DC组成的AC-DC转换器，通过将来自地面交流充电桩的交流电进行交直流转换和高低压变换，给车载电池充电。此外，DC/DC主要作用是取代传统汽车中的12V发电机，将动力电池的高压电转换为低压电，随后被低压蓄电池收集，该过程同样需要超结MOSFET 的参与。根据Marketline 的预测，2025年全球新能源汽车销量2121.7万辆，其中OBC、DC/DC 分别搭载12颗/4颗超结MOSFET，结合17.6 元/颗的单价及渗透率，我们预计2025 年全球EV SJ MOS 的市场规模有望达到34.7亿元，21-25 年CAGR 为30.8%，其中22-24 年CAGR为37.8%；国内市场规模25年有望达到17.7 亿元，占全球市场需求超过50%，21-25 年CAGR 为28.2%，其中22-24年CAGR 为35.1%

全球EV销量预测（左）；全球EV 超结MOSFET市场规模预测（右）：

资料来源：Marketline

二、国产替代需求强烈

01.国际大厂仍居主导地位，IDM与Fabless并

在主要细分领域中，英飞凌市场份额遥遥领先，在功率MOSFET、IGBT单管、IGBT 模块市场份额分别为24.4%、29.3%、36.5%，接下来便是安森美、意法、东芝、瑞萨、三菱等欧美日系企业。可喜的是，功率 MOSFET 市场，华润微、安世、士兰微跻身前十，IGBT 单管市场士兰微、IGBT 模块市场的斯达也都进入全球前十，虽然目前市场占有率还较低，但也说明了产品力在持续提升。

全球功率器件竞争格局：

资料来源：Omidia

IDM、Fabless 并存，MOSFET 仍由欧美日主导 IDM 与 Fabless 模式并存。目前，半导体企业采用的经营模式主要可以分为 IDM 模式和Fabless 模式。IDM 模式具有技术的内部整合优势，有利于积累工艺经验，但资金投入较大，且容易在半导体下行周期中受制于原有产能，陷入被动局面。随着全球半导体产业分工的逐步细化，Fabless 模式已成为芯片设计企业的主流经营模式之一，行业整体呈现 IDM 与Fabless 共存的局面。

功率器件产业链：

资料来源：各公司公告

02.功率器件壁垒高，国际大厂具先发优势

功率器件市场长期由国际大厂主导，主要在于行业壁垒高，特别是在制造、封装工艺上，需要有深厚的积累，同时又有很高的认证门槛。功率器件在半导体行业中属于特色工艺，并不追求先进制程，除了光刻之外，沟槽、减薄、能量注入，背面金属化等，这些独有的工艺加深了行业的壁垒。

功率器件的封装工艺也十分重要，直接关系到器件性能。优秀的封装工艺能提高器件的最大功率和耐久性，同时也需要长时间的技术积累。未来在SiC被逐渐应用之后，为最大化挖掘其性能，新的封装形式和封装技术将会被大量使用，如银烧结，AMB，转模封装等。英飞凌、安森美、意法等国际大厂，在制造、封装工艺上有着深厚的技术沉淀，并且都是 IDM 模式，工艺经验持续积累、提升。以英飞凌为例，IGBT产品历经七代升级，从最初的平面栅到沟槽工艺，再到最新的微沟槽，功率密度持续提升，同时具备更好地开关性能，损耗也持续降低。

03.功率器件下游认证难度大，巩固了龙头的行业地位

功率器件行业下游主要为汽车、工控、光伏等工业领域，相较于消费电子，器件认证难度更大，对产品可靠性，耐久性要求高。特别是汽车行业，除了标准AECQ 等测试，Tier1 和整车厂都有测试标准。测试要求复杂，难度高，也需要较大资金投入。新厂商的进入门槛较高，也巩固了龙头企业的领先地位。

04.国产厂商实现技术突破

近年来国内功率半导体公司成长迅速，有以士兰微、华润微、时代电气、安世为代表的 IDM厂商，也有以斯达半导、新洁能、东微半导为代表的Fabless公司，以及IDM和Fabless 并举的扬杰科技。产品方面，士兰微、安世、扬杰科技品类较为齐全，斯达半导、时代电气聚焦 IGBT，华润微、新洁能和东微半导聚焦MOSFET，并都有所突破，士兰微做到了全球前十，斯达半导 IGBT 模块市场前十，安世MOSFET 市场前十，华润微MOSFET 市场前十。

在技术方面，国产厂商也在各自优势领域，各有突破。士兰微完成12 寸功率产线建设并成功量产；斯达半导完成第七代 IGBT 研发，并进入量产阶段，对标英飞凌最新产品；东微半导体推出高功率超级结产品，打破国外厂商垄断；新洁能的新一代SGT产品，提高转换效率，步入车规市场。随着越来越多国产厂商产品取得突破，进入车规和风光储市场，国产替代进入加速期。

在IGBT模块产品中，选取英飞凌和斯达两款产品进行对比，分别采用GD1200和 FF1200 系列中高压、高电流产品，IGBT 芯片也处于同一代工艺技术。这类产品主要应用在UPS系统，风电换流器，电机传动系统中。这两个模块性能耐压和最大电流分为为 1200V 和 1200A。产品主要性能上，斯达产品的栅极－发射极峰值电压（VGES），在各个条件下导通压降（VCE(SAT)）性能和英飞凌相当。而在一些开关控制特性上如栅极阈值电（VGEth），导通和关断损耗（Eon，Eoff）这些特性与英飞凌的产品有一些差距。公司的产品与同代的国际龙头在产品特性上基本达到同一水平。

三、功率半导体供需分析

2022年国内IGBT产业进入爆发期，国产IGBT厂商在车载IGBT领域的替代进程会加速。一方面国内新能源汽车2022年销量预期都比较乐观，市场预期平均增速在50%以上，但是国外IGBT芯片厂商如英飞凌和安森美等大厂的交期平均都在一年以上，同时海外如欧洲和美国的电动车市场也开始进入高速增长期，这些国际大厂会优先保障本土供应。在供需偏紧的情况下，国产IGBT厂商对于国内电动车主机厂而言成为了最重要的芯片供应保障，而且时代电气、士兰微和华虹半导体等厂商的IGBT产能已经在2021年底相继投产，有望成为IGBT芯片国产化最受益的厂商。对于国内的IGBT厂商而言，最受益的厂商还是以IDM模式为主的厂商，如比亚迪半导体，时代电气和士兰微。

我们认为市场对于IGBT芯片供给大幅开出以后导致IGBT芯片市场竞争加剧的担忧大可不必，我们梳理了国内明年新增的IGBT产能，如果拉平2022年全年的IGBT供应增量，预计为5.04万片/月，如果考虑良率等问题，预计实际产能不足4万片/月，对于明年200万辆电动车的IGBT芯片消耗量就达到2-3万片/月，如果再考虑光伏和风电等领域用到的IGBT芯片，预计产能供应相对偏紧张。

假设2030年全球汽车销量达到1亿辆，如果50%的燃油车替换为电动车，对应约5000万辆电动车，按照单车功率半导体价值量为400美元计算，预计全球车规功率半导体市场规模达到200亿美元，如果国内电动车市场占全球的50%，那么2030年国内车规功率半导体市场空间将达到100亿美元。存量市场2021年全球功率半导体市场规模将增长至441亿美元，国内需求占全球市场份额的36%，2021年市场规模有望达到159亿美元，未来十年按照5%的复合增速测算，存量市场如工控和家电领域的需求在2030年将达到239亿美元。光伏领域对于功率半导体市场需求为30亿美元，加总以后预计到2030年国内功率半导体市场空间达到369亿美元，对应2500亿人民币左右的市场空间。

1台新能源汽车平均消耗一片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和电源管理芯片，2021年新能源汽车销量为340万台，同比增长1.5倍，预计2022年国内新能源汽车销量达到500万辆，对应的增量需求为160万片8寸晶圆，折合13~14万片月产能，如果2025年国内电动车销量达到1000万辆，对应增量需求为54-55万片月产能。

截止2020年12年全球晶圆产能约为2082万片/月（等效8寸），中国大陆晶圆产能占比为15.3%，预计为318.4万片/月（等效8寸），国内主要晶圆厂12寸产能约100万片/月，8寸产线约为115万片/月。其中我们统计国内所有功率半导体厂商新增产线的产能增量，预计2022年全年新增功率半导体产能为18万片/月（等效8寸），如果假设2022年国内新增电动车销量为200万台，全球新增500万台电动车，所需要对应约250万片8寸的年产能，对应需要新增20.8万片月产能，而全球功率半导体的新增产能几乎都在中国，仅仅满足全球的电动车的需求新增供给尚且不够，如果考虑光伏需要的产能则供应缺口进一步增加。

结语：

功率器件国产化率仅为 22%，高端产品国产化率更低。据我们统计 2021 年国内主要功率器件上市公司相关收入占国内功率器件总市场比重仅 22%，且当前国内功率器件仍以二极管、晶闸管等低端产品居多，高端产品如 IGBT、SiC 等国产化率更低。当前国内厂商在高性能功率器件持续发力，产品性能、可靠性和稳定性等已具备对标海外一线龙头的能力，随着未来下游需求的持续增长，功率器件国产化率有望进一步提升。

重视国内厂商的产品品类从低端向高端切换，产品下游应用领域优化以及晶圆产线的升级节奏。当前国内厂商正在经历几大重要变化：1）产品品类从过去以二极管、晶闸管、平面型 MOS向性能更加优越的超结、屏蔽栅 MOS 升级，同时在 IGBT、SiC 器件加快布局；2）下游需求结构中，新能源行业的占比快速提升，带动厂商营收增速和毛利率的进一步上升；3）从6寸到8寸，再到 12 寸晶圆升级，主推产品性能、成本优势进一步提升。

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