一文讀懂功率半導體

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2022-03-17 07:15:53 0

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方正科技·研究框架：

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北方華創·深度系列：

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北方三大拐點 l 晶圓廠投資研究 l 北方估值之謎 l 設備三劍客

功率半導體屬于泛模擬電路的賽道。功率半導體是必選消費品，人需要吃“柴米油鹽”，機器同樣也需要消耗功率器件，任何和電能轉換有關地方都需要功率半導體。行業波動符合大宗商品走勢規律，產品和全球GDP走勢密切相關，4-5年的行業波動非常吻合半導體周期規律。

單機硅含量提升推動行業發展，更高效率更好性價比推動技術發展。需求來自各行各業，單機半導體（硅）含量的提升是核心規律。所有技術進步都指向，1）更高的功率 2）更小的體積 3）更低的損耗 4）更好的性價比。參與競爭的主流廠商都是IDM模式，1）規模化前提下的質量品質 2）每年各個產品成本優化情況下的效率提升。

材料的突破帶來行業往更深入發展。產品形態從單一的二極管，MOS管向融合的IGBT發展，從硅襯底往寬禁帶半導體襯底邁進。更寬的禁帶使得產品性能和效率遠勝于硅襯底的功率器件，目前只是性價比方面還不是太有優勢。未來趨勢隨著化合物半導體制造的成本降低，憑借其優勢替代硅基的功率半導體器件指日可待。

高附加值產品長期被歐美廠商壟斷，國產替代迫在眉睫。國內IDM模式廠很少，核心的工藝都在歐美廠商自己內部，憑借其產品優勢控制交貨周期，從而掌控整個行業的價格體系。尤其對于高壓的MOS以及大功率的IGBT，產品的交貨周期往往在50周以上，價格自2016年起基本都處于上升通道。

IDM模式更具優勢，fabless擴張更迅猛。2020年投資機會來自于半導體周期復蘇上行3-4年大周期環境中，IDM模式的企業比fabless在成本端上更有優勢，建議關注相關產業鏈標的：聞泰科技（600745），捷捷微電（300623），揚杰科技（300373）,臺基股份（300046），華微電子（600360），斯達半導（603290）,新節能（A18105），華潤微電子（A19303）。

風險提示

1）芯片國產替代進度低于預期；

2）集成電路行業政策支持力度變弱；

3）國外半導體設備公司禁運設備給國內公司。

半導體功率器件指具有單一功能的電路基本元件，主要實現電能的處理與變換。

二極管結構簡單，但只能整流使用，不可控制導通、關斷。功率三極管、晶閘管等電流控制型開關器件。MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開關器件，具有易于驅動、開關速度快、損耗低等特點。

功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉換等。凡是在擁有電流電壓以及相位轉換的電路系統中，都會用到功率器件，MOSFET、IGBT主要作用在于將發電設備產生的電壓和頻率雜亂不一的“粗電”通過一系列的轉換調制變成擁有特定電能參數的“精電”、供給需求不一的用電終端，為電子電力變化裝置的核心器件之一。

在分立器件發展過程中，20世紀50年代，功率二極管、功率三極管面世并應用于工業和電力系統。

20世紀60至70年代，晶閘管等半導體功率器件快速發展。

20世紀70年代末，平面型功率MOSFET發展起來；

20世紀80年代后期，溝槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世，半導體功率器件正式進入電子應用時代。

20世紀90年代，超結MOSFET逐步出現，打破傳統“硅限”以滿足大功率和高頻化的應用需求。

2008年，英飛凌（Infineon）率先推出屏蔽柵功率MOSFET，半導體功率器件的性能進一步提升。

對國內市場而言，功率二極管、功率三極管、晶閘管等分立器件產品大部分已實現國產化，而MOSFET、IGBT等分立器件產品由于其技術及工藝的先進性，還較大程度上依賴進口，未來進口替代空間巨大。

近年來，功率半導體的應用領域已從工業控制和消費電子拓展至新能源、軌道交通、智能電網、變頻家電等諸多市場，市場規模呈現穩健增長態勢。根據IHS Markit預測，2018年全球功率器件市場規模約為391億美元，預計至 2021年市場規模將增長至441億美元，年化增速為4.1%。

目前國內功率半導體產業鏈正在日趨完善，技術也正在取得突破。同時，中國也是全球*大的功率半導體消費國，2018年市場需求規模達到138億美元，增速為9.5%，占全球需求比例高達 35%。預計未來中國功率半導體將繼續保持較高速度增長，2021年市場規模有望達到159億美元，年化增速達4.8%。

市場研究機構IC Insights 指出在各類半導體功率器件組件中，未來增長*強勁的產品將是MOSFET 與IGBT 模塊。

MOSFET是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管，具有導通電阻小，損耗低，驅動電路簡單，熱阻特性好等優點，特別適合用于電腦、手機、移動電源、車載導航、電動交通工具、UPS電源等電源控制領域。

2016年，全球MOSFET市場規模達到62億美元，預計2016年至2022年間MOSFET市場的復合年增長率將達到3.4%；預計到2022年，全球MOSFET市場規模將接近75億美元。

根據IHSMarkit的統計，2018年我國MOSFET市場規模為27.92億美元，2016年-2018年復合年均增長率為15.03%。隨著全球新能源汽車規模的增長，2016年至2022年間MOSFET在汽車應用領域的市場需求預計將以5.1%的復合年增長率快速增長；到2022年，其在汽車應用領域的需求將超越計算機和數據存儲領域，占總體需求市場的22%。

IGBT是由雙極型三極管（BJT）和MOSFET組成的復合全控型電壓驅動式半導體功率器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和雙極型三極管（BJT）的低導通壓降兩方面的優點，IGBT驅動功率小而飽和壓降低，非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統，如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等。

根據中國產業信息網數據，到2020 年全球IGBT 單管市場空間達到60 億美元左右，市場空間巨大。預計未來五年我國新能源汽車和充電樁市場將帶動200億元IGBT 模塊的國內市場需求。根據中國產業信息網數據，到2018年，國內IGBT 市場規模達161.9 億元，2010 年至2018 年復合增長率達到14.77%；但我國IGBT 起步晚，未來進口替代空間巨大。

半導體功率器件主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等，幾乎用于所有的電子制造業，包括計算機、網絡通信、消費電子、汽車電子、工業電子等電子產業。此外，新能源汽車/充電樁、智能裝備制造、物聯網、光伏新能源等新興應用領域逐漸成為半導體功率器件的重要應用市場，從而推動其需求增長。全球功率半導體市場中，工控占比34%，汽車23%，消費電子占比20%，通信占比23%。

根據美國消費電子協會統計，2013年中國消費電子市場整體規模達到16,325億元，成為全球*大的消費電子市場，根據2017年3C行業報告，2017年中國消費電子市場將突破2萬億，預計增長7.1%。

手機上所有有接口的地方都需要有ESD保護，比如麥克風、聽筒、耳機、揚聲器、SIM卡、Micro SD、NFC天線、GPS天線、WiFi天線、觸屏、2G/3G/4G RF 天線、USB 接口、鋰電池、電源鍵位置都有ESD保護器件。*多的手機用20多顆，少的用10多顆。

隨著人們對充電效率的要求逐步提高，手機充電出現了“快充”模式，即通過提高電壓來達到高電流高功率充電，但高電壓存在安全隱患，需要添加同步整流的MOS管來調整；

后來出現較為安全的“閃充”模式，即通過低電壓高電流來實現高速充電，這對同步整流MOS管的要求更高，目前較為普遍的是GaN FET，它可以實現發熱少、體積小的目的。

汽車電子在汽車中占據著十分重要的地位，從成本結構來看，對于中高端汽車、電動汽車等其重要性更高。

從傳統汽車轉變到新能源汽車，價值量增長*大的就是功率半導體。傳統燃油汽車中，功率半導體主要用在啟動、停止和安全等領域，占比只有20%，按照傳統汽車中半導體單車價值350美元，功率器件價值在70美元。新能源汽車電池動力模塊要用大量的電力設備，電力設備中都含有有功率半導體，混合動力汽車的功率器件占比40%，純電動汽車的功率器件占比55%，按照純電動汽車半導體單車價值750美元計算，功率半導體單車價值量在413美元。新能源汽車用功率半導體是傳統汽車的7倍。

新能源汽車由于不再需要發動機等機械部件，汽車的結構將變得非常的簡單，汽車結構主要由電池，電機和電控組成。新能源汽車電子系統主要包括電池管理系統，電機控制器，車載充電機，變換器，逆變器，轉向系統，繼電器以及被動元器件。

在實際應用場景中，由于汽車各個模塊都使用交流電，鋰電池的輸入電流是直流電，以及各種電氣設備電壓不同，這樣就需要相應的電力轉換系統。根據直流（DC）和交流（AC）轉換順序不同，電力轉換分為4種模式：變壓器（AC-AC）、整流器（AC-DC）、變換器（DC-DC）和逆變器（DC-AC）。

變壓器（AC-AC）：汽車鋰電池的輸入電壓在12V-36V之間，民用電壓是220V，將民用電壓轉化為輸入電壓就需要變壓器。

整流器（AC-DC）：鋰電池需要用直流（DC）電充電，而充電樁提供的是交流（AC）電，所以車載充電器一定要用直流轉換器。

變換器（DC-DC）：輸入是來自于鋰電池的固定直流（DC）電壓，輸出是可變直流（DC）電壓。電動汽車中主要應用在電力傳動的從300V到650V的升壓變換，給12V電路供電的降壓變換以及電池儲能的穩壓變換。

逆變器（DC-AC）：新能源汽車配置可充電的鋰電池，通過其儲備的電能驅動電機來給汽車供電。逆變器的作用是將充電電池12V的直流（DC）電轉換成為驅動電機220V的三相交流（AC）電，為新能源汽車提供基本驅動力。

2014-2021年全球燃油車年銷量由 8700多萬輛增長至 9800多萬輛，年均增速 2%；新能源汽車（包括純電動和混動）由27 萬輛增長至470 萬輛，年均增速50%，其滲透率從2014年僅有0.3%增長至2021年的4.0%。

近年來我國新能源汽車產銷量大幅增長，滲透率不斷提高。根據中國乘聯會數據顯示，我國新能源乘用車銷售量由 2014 年的 10 萬輛，快速增長至 2018年的 125 萬輛，年復合增速91%。根據中汽協數據，2019年一季度中國的新能源汽車銷售25萬輛，同比增幅都超過117%，預計今年新能源汽車產量可能會超過160萬輛。

汽車功率半導體市場有望達到80億美元，年復合增速7%。2018年全球汽車銷量9750萬輛，其中新能源汽車200萬輛，假設未來三年傳統燃油汽車銷量年增幅2%，新能源汽車銷量年增幅30%，傳統燃油汽車功率半導體單車價值量56美元，混合動力汽車的功率半導體單車價值240美元，純電動汽車的功率半導體單車價值413美元。由此可以預測，到2022年燃油汽車銷量9920萬輛，新能源汽車銷量580萬輛，汽車功率半導體市場有望達到80億美元，年復合增速7%。

截至2017年底，我國光伏發電新增裝機5,306萬千瓦，累計裝機容量1.3億千瓦，新增和累計裝機容量均為全球*，其中光伏電站3,362萬千瓦，同比增加11%；分布式光伏1,944萬千瓦，同比增長3.7倍。

風力發電的逆變設備，可以將蓄電池中的DC12V直流電轉換為和市電相同AC220V交流電。逆變器主要是由MOS場效應管與電源變壓器為核心，通過模擬電路技術連接的。2016年至2018年，我國風電裝機量從18.73GW增至21GW，2019年僅前5個月裝機量就新增6.88GW，增長趨勢迅猛。

智能電網的各個環節，整流器、逆變器和特高壓直流輸電中的FACTS柔性輸電技術都需要大量使用IGBT等功率器件。根據中國產業信息網發布的數據，預計到2021年我國智能電網行業投資規模將達到近23000億元。

功率半導體種類眾多，廣泛應用在消費電子、高鐵、汽車和電網等。主要分為單極型和雙極型。雙極型：功率二極管、晶閘管、BJT（雙極性三極管）、電力晶體管（GTR）、IGBT。單極型：MOSFET，肖特基二極管。根據每個細分產品的物理性能不同，不同的功率器件應用于不同的電壓和頻率領域。

功率二極管是基礎性功率器件，結構簡單可靠性強，廣泛應用于工業、電子等各個領域，起到穩壓、整流和開關的作用。

二極管分為整流二極管，齊納二極管和高頻二極管。

其中整流二極管和齊納二極管屬于功率半導體。

整流二極管主要用作整流、開關、變換（肖特基二極管SBD）和逆變（快恢復二極管FRD）作用。

MOSFET是功率器件的細分產品，即MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），FET（Field Effect Transistor場效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。

功率 MOSFET 器件是電能轉換和控制的核心半導體器件。功率MOSFET器件工作速度快，故障率低，開關損耗小，擴展性好。適合低壓、大電流的環境，要求的工作頻率高于其他功率器件。

在汽車里主要用在電源系統里的充電器（AC-DC）和變換器（DC-DC）。全球汽車功率MOSFET市場容量2018年24.5億美元，我們預計2022年市場容量31.6億美元。其中主要用到的是電壓600V以上的高壓MOSFET產品。

MOSFET市場主要份額被英飛凌占據，根據HIS數據，英飛凌市所有產品綜合占率27%，第二名是安森美13%，瑞薩9%，而在價值量高的高壓MOSFET領域，英飛凌更是以36%的市占率*所有對手。

IGBT作為一種新型電力電子器件，是國際上公認的電力電子技術第三次革命*具代表性的產品，是工業控制及自動化領域的核心元器件，其作用類似于人類的心臟，能夠根據工業裝置中的信號指令來調節電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現*調控的目的。因此，IGBT被稱為電力電子行業里的“CPU”，廣泛應用于電機節能、軌道交通、智能電網、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發電、新能源汽車等領域。

IGBT自20世紀80年代末開始工業化應用以來發展迅速，不僅在工業應用中取代了MOSFET和GTR，甚至已擴展到SCR及GTO占優勢的大功率應用領域，還在消費類電子應用中取代了BJT、MOSFET等功率器件的許多應用領域。

在汽車應用中，IGBT主要用在高電壓環境的電力驅動系統，電源系統和充電樁。應用范圍一般都在耐壓600V 以上，電流 10A 以上，頻率 1KHz 以上的區域。

電力驅動系統：主要用在逆變器（DC-AC）中，將充電電池12V的直流（DC）電轉換成為驅動電機220V的交流（AC）電，是電機驅動的核心。電機控制系統需要用到幾十個IGBT，比如特斯拉的三相交流異步電機，每相用28個IGBT，累計84個，其他電機12個IGBT，特斯拉總共用到96個IGBT。

電源系統：主要用在車載充電器（AC-DC）和變換器（DC-DC）中，實現鋰電池充電和所需電壓等級的電源變換。

充電樁：電網的電都是交流（AC）電，而充電樁分類快充的直流充電樁和慢充的交流充電樁，IGBT主要用在直流快充的充電樁。

2018年全球汽車IGBT市場容量18.4億美元，我們預計2020年汽車IGBT市場容量20.8億美元。

全球IGBT市場中英飛凌，三菱和富士電機處于*位置，安森美（仙童）主要集中在低壓的消費電子行業，電壓在600V以下，而中高壓1700V以上領域，主要應用在高鐵，汽車，智能電網等，基本被英飛凌，ABB和三菱壟斷。

2020年投資機會來自于半導體周期復蘇上行3-4年大周期環境中，IDM模式的企業比fabless在成本端上更有優勢，建議關注相關產業鏈標的：聞泰科技（600745），捷捷微電（300623），揚杰科技（300373）,臺基股份（300046），華微電子（600360），斯達半導（603290）,新節能（A18105），華潤微電子（A19303）。

風險提示

1）芯片國產替代進度低于預期；

2）集成電路行業政策支持力度變弱；

3）國外半導體設備公司禁運設備給國內公司。

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