电动化浪潮下的功率半导体

来源：内容来自驭势资本，谢谢。

2020年下半年开始全球疫情带来的居家隔离和远程办公的需求催生了PC和服务器的强劲需求，同时“双碳”政策下电动车和光伏发电领域对于功率半导体的需求井喷，但是海外大厂受到疫情影响产能供给严重不足，因此拉开了这一轮功率半导体的涨价行情，预计2021年行业增速超过30%。

不同于市场担忧的功率半导体行业景气度开始向下，据我们测算，即使新增供给开出，行业整体供需仍处于紧平衡。

行业内部供给结构开始进行调整，预计消费类相关功率芯片由于供给逐步恢复价格会有所回落，但是车规MOSFET和小信号产品由于海外厂商减产转移至IGBT和SiC仍处于供不应求，IGBT在电动车和光伏、风电等新能源需求驱动下仍然景气度非常高，所以我们判断2022年功率半导体行业虽然细分赛道有所分化，但是行业景气度总体仍然向上。

电动车大时代：IGBT

厂商IDM为王

在新能源汽车和光伏、风电等清洁能源的需求推动下，此轮功率半导体新周期最受益的是以IGBT为代表的中高压功率器件，预计国内车规IGBT/SiC模块市场规模在2025年将达到300亿元人民币左右，如果考虑光伏逆变器带来的100亿左右增量需求和工业领域的存量需求，预计2025年国内IGBT为代表的中高压功率半导体市场规模将增至600亿元左右。

2022年预计全球新增IGBT供给不足6万片/月，而且海外大厂英飞凌和安森美的交期仍在在一年左右，行业供给仍然非常紧张。

国内IGBT芯片厂商如时代电气、士兰微的IGBT产能已经投产，下游客户验证已经大部分完成，预计2022年国内IGBT厂商的国产化替代进程将提速，我们认为具有IDM产能优势的厂商在车规IGBT领域优势更加明显，能够同时保证较快的产品迭代速度和较短的产品交付周期。

碳化硅新世界：衬底成为

产业链最重要的环节

功率半导体作为电子电力控制的关键器件，技术持续提升的方向在于单位电压的安培容量，不断提高输出效率，采用碳化硅衬底制作的功率器件相对于硅基而言具备天然优势，导通损耗和开关损耗都大幅降低，提升了逆变效率。

碳化硅基器件的价值量最大的环节在于衬底，由于碳化硅衬底的长晶速度减慢，良率非常依赖工艺积累，所以在衬底资源已经成为SiC时代的核心资源。

我们认为在SiC功率半导体领域，对于器件厂综合竞争力的要求已经从设计、制造和封测一体化延伸至上游衬底材料的全产业链把控，目前全球范围内的衬底争夺战基本结束，未来国内功率器件厂商对于衬底资源的掌控将成为碳化硅新世界的核心竞争力，建议关注即将登陆科创板的国内SiC衬底龙头厂商天岳先进。

物联网驱动的电动化和智能化

带来功率半导体新周期

复盘2020-2021年功率半导体周期：涨价与隐忧。

• 2019年底开启的5G手机渗透率提升成为整个半导体行业需求动能的来源，市场对于5G手机在未来几年的强劲增长充满信心，但是进入2020年全球范围内出现新冠疫情，5G手机的需求爆发被按下了暂停键。

  
  

• 随着疫情的进一步发展，居家办公带来了远程服务器的巨量需求，沉寂十年的笔电市场迎来大幅增长，同时双碳政策推动下，国内电动车的高速发展进一步刺激了对于功率半导体的需求。

  
  

• 在需求端一片向好的增长趋势下，芯片供给端由于受到疫情的影响大幅缩水，全球功率半导体封测重镇马来西亚无限期封城无疑对功率半导体行业雪上加霜。

2020年疫情以来笔记本出货创近十年新高：

2021年电动车需求爆发：

由于功率半导体供需错配，本来产品价格较低的功率器件在晶圆厂产能供给的优先权就比较低，晶圆产能供给紧张的时候代工和封测成本端大幅上升，各大功率半导体厂商纷纷大幅上调产品价格，预计行业平均价格涨幅超过20%，部分产品甚至价格上涨了7-8倍。

• 根据我们对于2020-2021年这一轮周期的复盘，行业平均毛利率在2021年Q3创近十年历史新高，行业接近29%的增速高点也远超上一轮周期的增速高点。

  
  

• 但是疯涨的功率半导体行情也让市场对于2022年的价格回调压力充满担忧，大家对于2018年Q4开始的下行周期中价格下跌的惨烈仍历历在目，尤其是消费类相关的功率半导体价格，2022年跌价压力较大。

2014-2021年功率半导体行业周期：

功率半导体下游应用全面开花，电动车

和光伏/风电新能源领域需求激增

在全球分立器件的下游需求中汽车占比最高，达到35%左右，国内市场中汽车行业对于分立器件的用量占比为27%。

以MOSFETs为代表的中低压分立器件广泛应用于汽车的电动天窗、雨刮器、安全气囊、后视镜等领域，纯电汽车的车载充电机（OBC）、DC-DC转换器对于MOSFETs的需求进一步增加。

另外汽车车灯转为LED大灯以后，MOSFETs的需求量从原来每个车灯需要1颗增加至18颗，很多造车新势力热衷的车顶和侧边渐变玻璃对于MOSFETs的需求也在增长。

• 传统燃油车中仅有少量的IGBT单管用于发动机点火器，纯电汽车的动力系统转为电池以后，IGBT模块成为电驱系统中逆变器的标配，此外新能源汽车在车载充电机（OBC）、DC-DC升压器、电空调驱动也需要用到IGBT单管。

  
  

• 根据产业链调研与我们测算，四驱版本的纯电车型前后双电机各需要18颗IGBT，车载充电机需要4颗，电动空调8颗，合计一台电动车需要48颗IGBT芯片。

单车用到的MOSFETs和IGBTs：

• 根据StrategyAnalytics测算，传统燃油车功率半导体用量仅为71美元，48V轻混车型功率半导体价值量增值至90美元，而纯电车型的功率半导体用量增幅高达364%，大幅上涨至330美元。

2020年混动和纯电车型单车半导体价值量分布：

双碳政策下，以光伏和风电为代表的新能源发电的装机量大幅增长，太阳能发电中DC-DC直流转换器和光伏逆变器均需要用到IGBT作为功率开关。

• 其中逆变器的效率很大程度上取决于设计使用的元器件，元器件的性能可以由功率损耗来衡量，功率损耗分为导通损耗和开关损耗。

  
  

• 相较于MOSFETs而言，IGBT适用于较低开关频率和大电流的应用，大电流下IGBT的导通损耗比MOSFET更低，MOSFET有能力满足高频、小电流的应用，具有更低的开关损耗，更适合开关频率在100KHz以上的逆变器模块。

从逆变器类别来看，由于微型及单相逆变器功率较小，一般采用IGBT单管方案为主，高功率三相逆变器则采用IGBT模块，低功率三相逆变器则两种方案都有采用。

目前集中式光伏逆变器成本在0.16-0.17元/W，组串式光伏逆变器成本在0.2元/W左右，总体光伏逆变器成本在0.2元/w，IGBT模块占光伏逆变器的成本比例约为15%，每GW对应功率半导体的价值量约为0.3亿-0.4亿元。

光伏中用到的MOSFETs和IGBTs：

• 除了电动车和光伏发电两大驱动力以外，智能家居中也大量用到功率半导体的分立器件，比如多功能扫地机器人。

  
  

• 在一个扫地机中，可能会有不同的部分用到这样的功率分立器件：无线充电、电池管理系统、音频放大器、吸尘器、清洁系统电机控制、移动电机控制等，由于功能不同，所需要的MOS也不尽相同，大约在2-6颗不等。

扫地机用到的功率半导体：

功率半导体行业

竞争格局

全球功率半导体行业市场规模在2019年达到464亿美元，相较于上一轮高景气周期的2018年同比下滑3.53%：

• 2020年和2021年在疫情影响全球进入“居家办公模式”，服务器和PC的强劲复苏叠加高景气的电动车和新能源发电需求刺激，功率半导体行业迎来拐点。

  
  

• SIA预计2021年全球半导体的销售额将达到5530亿美元，创下新高，同比增长25.6%，全球功率半导体龙头厂商英飞凌Infineon，恩智浦NXP，意法半导体STM，安森美ONsemi，2021年前三季度分别成长32.5%，31.43%，31.8%和28.5%，我们预计全球功率半导体的行业增速预计在2021年有望达到30%，市场规模将接近600亿美元。

  
  

• 从全球功率半导体分立器件需求结构来看，汽车是需求最大的领域，占比达到35%，其次是工业和消费电子领域，需求占比分别为27%和13%。

全球功率半导体市场规模：

全球功率半导体分立器件需求结构：

从产品形态分类，功率半导体可以分为分立器件、模组和功率IC三大类别，一类是分立器件指单管，即1颗芯片加上封装外壳，第二类是模块，把几个单管和特定功能的电路封装在一起构成模块，第三类就是功率IC，包括交流直流转换器AC/DC，直流-直流转换器DC/DC，电源管理IC和驱动IC。

2019年分立器件/模组与功率IC的市场规模分别为224亿和240亿美元，其中英飞凌是分立器件和模组市场当之无愧的全球龙头，市占率高达19%，美国功率半导体大厂安森美市占率为8.4%，功率IC市场占有率最高的是德州仪器TI，市场份额为16%，其次是英飞凌和ADI，占比分别为7.7%和7.2%。

2019年全球分立器件与模组市场竞争格局：

2019年全球功率IC市场竞争格局：

根据Omdia的统计，2019年国内功率半导体市场规模约为177亿美元，约占全球市场需求的38%，2020年随着半导体行业复苏进入新一轮高增长周期。

• 目前国内功率半导体分立器件厂商营收规模最大的是闻泰科技收购的安世半导体，2020年营收达到96.4亿元人民币，2021年大幅成长53.3%，功率半导体营收增至147.8亿元。

  
  

• 我国本土IDM厂商中功率半导体营收规模最大的厂商是华润微电子，2020年公司功率半导体营收达到28亿元，预计2021年营收同比增长49.3%，超过41亿元人民币。

  
  

• Fab-less模式为代表的MOSFET厂商无锡新洁能和IGBT模组厂商嘉兴斯达半导在2021年实现了更快的成长，2021年营收两者预计将分别大增64.8%和71.6%。

  
  

• 前十大国内功率半导体厂商2021年营收规模合计达到362.5亿元，同比成长57.4%，相较于国内集成电路产业

  
  

• 2021年前三季度16.1%的成长速度，显示了功率半导体产业超预期的复苏态势。

中国功率半导体市场规模：

2020-2021年国内功率半导体(分立)厂商营收规模：

国内主要的功率半导体厂商以分立器件为主，包括二极管、整流管、MOSFETs等，二极管三极管属于基本的电子元器件，这些年技术迭代较慢，价格也比较低廉，行业壁垒较低。

• 肖特基二极管是以其发明人肖特基博士命名的，与PN二极管不同，肖特基二极管不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体势垒原理制作的。

  
  

• 肖特基二极管多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，例如手机和手持设备适配器、彩电的二次电源整流、高频电源整流等应用。

  
  

• 近年来随着手机等手持设备电源适配器等快充电源小型化的市场变化，传统肖特基已不能够满足低导通电压的需求，采用沟槽结构的TMBS（如图）将成为肖特基产品的技术主流。

传统平面型肖特基二极管和TKTMBS肖特基二极管SEM示意图：

功率MOSFET是70年代在经典MOSFET的基础上发展而来的，主要作为功率电子开关使用。不同于经典MOSFET，功率MOSFET重点提高了功率特性，尤其是增加器件的工作电压和工作电流。

功率MOSFET围绕如何解决耐压和功耗之间的矛盾产生了许多新的工艺结构，从LDMOSFET结构起步经历了：

• VVMOSFET；

  
  

• VUMOSFET；

  
  

• VDMOSFET；

  
  

• SJMOSFET；

  
  

• TrenchMOSFET；

  
  

• SGTMOSFET。

沟槽型MOSFET，主要用于低压（100V）领域；SGT（ShieldedGateTransistor，屏蔽栅沟槽）MOSFET，主要用于中低压（200V）领域；SJ-MOSFET，即超结MOSFET，主要在高压（600V-800V）领域应用。

SGTMOSFET（ShieldGateTrenchMOSFET）是一种新型的功率半导体器件，SGT工艺比普通沟槽简单，开关损耗小。

再加上SGT比普通沟槽工艺挖掘深度深3-5倍，可以横向使用更多的外延体积来阻止电压，这也使得SGT的内阻比普通MOSFET低2倍以上，所以SGTMOSFE作为开关器件应用于新能源电动车、新型光伏发电、节能家电等领域的电机驱动系统、逆变器系统及电源管理系统，是核心功率控制部件。

沟槽型MOS和屏蔽栅MOS的结构差异：

目前国内功率半导体厂商众多，产品线差异也比较大，营收规模较大的厂商主力产品是MOSFETs，随着电动车和光伏、风电等新能源发电领域对于IGBT的大幅需求增长，各个厂商开始逐步将产品线扩展至IGBT，部分龙头厂商已经开始布局第三代半导体SiC衬底的功率MOSFET。

根据我们的统计，目前国内在功率半导体产品布局最完善的厂商是闻泰科技旗下的安世半导体，首先公司主力产品线覆盖了晶体管（包括保护类器件ESD/TVS等）、Mosfet功率管、模拟与逻辑IC三大领域，小型号MOSFET居于全球排名第二，公司汽车类POWERMOSFET预计市场地位仅次于英飞凌。

其次公司通过提高研发投入进一步加强了在中高压Mosfet、化合物半导体产品SiC和GaN产品布局，同时收购英国Newport晶圆厂100%股权，获得了4000片/月的IGBT产能，目前公司汉堡工厂已经开始搬入碳化硅设备，预计SiCMOSFET新品在2022年量产。

在MOSFET领域，新洁能和华润微在沟槽MOS，屏蔽栅SGT-MOS和超结SJ-MOS等高附加值的产品具备技术领先优势，新洁能是国内率先掌握超结理论技术，并量产SGTMOSFET及超结功率MOSFET的企业之一，是国内最早同时拥有沟槽型功率MOSFET、超结功率MOSFET、SGTMOSFET产品平台的本土企业。

中低压MOSFET基本上已经由国产厂商供应为主，SGT-MOSFET的国产替代趋势已经比较明确，随着5G、AI、EV（电动汽车）等应用市场的发展，对于SGT-MOSFET的需求将持续增长。

在IGBT领域，比亚迪半导体和时代电气分别是国内供应新能源车规IGBT和轨交列车IGBT的龙头厂商，先发优势明显，士兰微在在家电领域应用为主的IPM模块市场占据明显优势，2021年市占率接近10%，斯达半导在IGBT模组领域积累多年，目前已经切入IGBT芯片的设计，车规级IGBT模块已经大批量出货。

国产功率半导体厂商产品RoadMap：

功率半导体行业

供需分析

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。

2020-2030年全球和中国功率半导体市场规模：

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。

国内功率半导体厂商新增晶圆产能列表：

在新能源汽车中，IGBT主要应用于电机驱动控制系统、热管理系统、电源系统等，具体功能如下：

• 在主逆变器中，IGBT将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电；

  
  

• 在车载充电机中，IGBT将交流电转化为直流电并为高压电池充电；

  
  

• 在DC-DC变换器中，IGBT将高压电池输出的高电压转化成低电压后供汽车低压供电网络使用；

  
  

• 此外IGBT也广泛应用在PTC加热器、水泵、油泵、空调压缩机等辅逆变器中，完成小功率DC-AC转换。

电动车爆发带来

IGBT需求激增

1、电驱逆变器中的IGBT：

• 电驱系统是纯电汽车的核心，可以理解为传统燃油车的发动机，主要包含了逆变器，减速器和电机(Motor)。

  
  

• 逆变器中的电子电力控制器件如IGBT/SiCMOSFET将电池中的直流电转逆变为交流电传送到三相电机，电机从0rpm/min开始输出峰值扭矩，但当电机转速高于恒扭矩区间时，电机扭矩就会有所下降，所以这时就需要减速器的介入，减速器通过多级齿轮的传动即可实现降低转速、提升扭矩的效果，从而满足车辆高速行驶时对扭矩的需求。

  
  

• 电驱系统未来的发展趋势是高度集成化，目前主流的电驱采用三合一的集成电驱，如果按照2021年340万台电动车的出货量测算，我们预计国内电驱市场容量为221亿元左右。

电驱系统构成：逆变器，变速箱和电机：

逆变器结构：

• 通常我们将交流转换为直流称为整流，反过来直流转换为交流则称为逆变，电动车的逆变器承担的核心职能是将动力电池输出的直流电转换为交流电供驱动电机使用。

  
  

• 纯电动汽车上的逆变器位于电机控制器（MCU内），除了逆变器外，还有控制器一起组合在MCU内，MCU是整个动力系统的控制中心。

  
  

• 控制器是接受驱动电机的需求信号，当车辆制动或者加速时，控制器控制变频器的频率升降使汽车行驶。

  
  

• 逆变器接受动力电池输出的直流电能，逆变成三相交流电提供给电机运转，在电动汽车制动过程中又起到制动回收电能的作用。

如下图所示，逆变器内部是由6个IGBT组成。电动车的功率半导体价值增量大部分来自IGBT模块，单车MOSFETs才400元左右的价值量，1个IGBT模块大概是1000元左右，目前A0/A00级电动车用1个逆变器，1个IGBT模块，如果是四驱的电动车一般采用2个模块，价值量为2000元左右，大巴车用3个模块，3000左右，所以IGBT平均单车价值量在2000元人民币。

电动车逆变器系统级框图：

电动车逆变器详细结构：

2、车载OBC用到的IGBT：

车载充电机是指固定安装在电动汽车上的充电机，具有为电动汽车动力电池，安全、自动充满电的能力，充电机依据电池管理系统（BMS）提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程，通常车载充电机作为一个节点，挂在CAN总线上，通过CAN与整车控制器交换数据。

充电器有许多不同的功率等级，功率等级越高，充电时间就越短。这些充电器需要大量的交流电源，根据车载充电器的设计，由单相或三相电源供电。依据全球可用的典型交流电源，已发展出四个通用功率等级，3.3kW和6.6kW充电器已成为基本构建块用于所有功率等级的充电器。11kW和22kW充电器都是将三个单相单元结合起来，每个单元运行三相中的一相。

车载充电机在电动汽车上的位置示意图：

车载充电机OBC功率模块框图：

来自电网的交流输入源被滤波、整流并馈送到一个多相PFC电路中。PFC电路是开关电路，负责控制输入正弦波的导通周期，以调节使输入电流与输入电压一致。这种电压-电流调节对交流电源产生一个高功率因数，且需要通过大多数电力公司的调节。这过程分几个阶段，将传导损耗分散到一组更广泛的器件上。

下一个模块使用H桥转换器来降低直流电压，并将其传送到变压器的输入端。该块通常采用谐振LLC电路设计，且对变压器施加的电压大小的控制使对电池功率的调节更简单。最后，对变压器的输出进行整流、滤波和连接到高压电池。价值量方面，以6.6KW慢充为例，大概需要20多颗IGBT和MOSFET分立器件，总体成本在300元以下。

电动车车载电池充电器电路示意图：

22kW双向OBCSi基参数规格：

充电桩按充电能力不同可以分为交流慢充和直流快充两大类，以处理不同的用电场景。一级充电桩是120V、输出15A或20A的交流充电桩，每充电1小时增加约4至6英里里程。二级充电功率有3.3kW、6.6kW、9.6kW、19.2kW四种功率级别，适用于输出电流分别达20A、20A、50A、100A的240V交流电源插座。直流快速充电(DCFC)桩的输入电压为440V或480V，能在30分钟内充到80%左右，用于公共充电桩。

充电桩将由现在主流的60kW、90kW发展到将来的150kW、240kW，相应地充电桩电源模块将由现在的15kW、20kW、30kW提高到将来的40kW、50kW、60kW，以缩短充满电的时间。

• 例如，210kW电动汽车充电点由14个15kW模块组成，每个15kW的电池充电器模块都是由3相交流380V输入，经过3相Vienna功率因数校正(PFC)后，电压升高到800V直流电压，再经过高压DC-DC输出250V至750V直流电压。

电动汽车充电桩架构：

Vienna整流＋LLC构成了充电桩的基本电路。如果考虑设备成本，使用Si基IGBT和超级结MOSFET、FRD（快恢复二极管）方案更具成本优势；如果需要高功率密度和高效率，碳化硅MOS/SBD方案更具性能优势。

PFC部分更适合使用碳化硅器件，理由有二：

• 其一，高温时导通电阻增加较少，能实现高效率，同时可抑制发热，使用更小的散热板；

  
  

• 其二，碳化硅器件的恢复损耗非常小，开关损耗较小，能够提高工作频率，有助于输入线圈的小型化。

作为硅器件解决方案，Si基的超级结MOS和IGBT也是不错的替代方案。价值量方面，慢充20KW以内用半桥工业IGBT，单桩价值量在200元以内，如果采用超级快充100KW以上，超大功率的充电桩会采用SiC方案，成本会成倍增加，整体价值量会提升至1000元以上。

充电桩ViennaPFC+LLC电路拓扑和器件示意图：

IGBT市场需求结构

和市场需求预测

1、预计2021年全球市场规模约为76.8亿美元，车规需求快速增长：

• 2019年全球IGBT市场规模预计在64亿美元，2020年略有下滑至60.47亿美元，2021年市场开始快速复苏，预计2021年全球IGBT市场规模将同比增长20%，将达到76.8亿美元。

  
  

• 从市场结构来看，IGBT主要以IPM模块和IGBT模组形式为主，两者合计营收占比超过76%，在分立单管和IGBT模块占比最高的是德国英飞凌，市占率超过30%，在IPM模块市场日本三菱市占率排在第一位，高达32.7%。

  
  

• 从2020年IGBT模块全球应用占比来看，工业控制占比33.5%，是目前IGBT最大的应用领域，新能源汽车占比14.2%。未来，汽车电动化、智能化推动车规级IGBT成为增长最快的细分领域。

全球IGBT市场规模与竞争结构：

根据集邦咨询的统计，2018年中国IGBT市场规模预计为153亿人民币，相较2017年同比增长19.91%，2020年受益于新能源汽车和光伏、风电等新能源发电领域需求的大幅增长，我国IGBT市场规模持续增长，我们预计2025年国内IGBT市场规模将增加至592亿元，2020到2025年复合增速CAGR为27%。

从需求结构进行分析，2018年国内IGBT需求占比最大的领域是新能源汽车，占比为31%，紧随其后的是消费电子和工业控制，市场规模占比分别为27%和20%。

2008-2025E中国IGBT市场规模：

2018年中国IGBT下游市场应用结构：

2、新能源汽车销售快速增长，带动国内IGBT厂商崛起：

• 根据中汽协的统计，2021年预计中国新能源汽车销量将达到340万辆，相较于2020年137万辆新能源汽车的销售，同比大增148%。

  
  

• 根据产业链调研，我们预计2021年国产厂商配套的新能源汽车占比提升，其中斯达半导体配套汽车辆为50万套，占比15%，比亚迪半导体主要配套同一集团旗下的比亚迪车型，根据公司2020年产能为40万套预计在车载IGBT市场占比12%。

  
  

• 随着中车时代电气一期产能的满产，预计配套电动车约24万辆占比7%，特斯拉销售预估在国内销售量为40万，占比12%，特斯拉的车型主要意法半导体供应SiC作为逆变器的核心器件，英飞凌作为国内车载IGBT龙头厂商预计继续保持接近50%的市占率，其他德国和日本的厂商供应占比约为13%。

2021年10月开始，全球汽车领域缺芯情况逐渐缓解，我们预计2022年国内新能源汽车销量有望超过500万辆达到550万辆，同比成长62%。

• 通过我们的产业链跟踪与调研，国内厂商IGBT产线在2021年底相继投入量产，预计2022年国内车载IGBT芯片市场格局将发生较大的变化。

  
  

• 首先是市占率提升最明显的预计是中车时代电气，由于公司月产能2万片的8寸线在2021年底已经投产，满产能够供应200万辆新能源汽车所需的IGBT模块，拉平全年预估公司车载IGBT配套的汽车为106万辆，市占率从7%提升至19%，其次是士兰微由于12寸IGBT产线投产，预计明年有望配套20万辆左右电动车，市占率达到4%。

  
  

• 美国安森美预计在2022年配套约20万辆左右的电动车，市占率预计为4%。比亚迪和意法半导体的市占率预计将保持稳定，斯达和英飞凌的占比将出现下滑。

2019年车规IGBT模块厂商市占率：

2021-2022年车规IGBT模块厂商市占率预估：

IGBT国产替代加速进行，2025年

市场空间将500-600亿

从投资功率半导体的角度，我们更看好的是IGBT领域的布局，一方面MOSFET的技术相对成熟，另一方面就是电车的增量功率需求也主要是IGBT。

2019年到-2020年国内新能源汽车销售规模为120-130万台，增速相对平稳，2021年国内新能源汽车销量达到340万台，按照单车功率半导体价值为3000元计算，对应约102亿左右的车载IGBT市场规模。

预计到2025年国内新能源汽车销售量将达到1000万台左右，对应需求空间约为300亿左右（不考虑SiC对于IGBT的替代）。光伏市场今年按照200GW的装机量测算，预计市场规模为50亿人民币左右，预计2025年光伏逆变器装机量将达到400GW左右，对应市场需求将达到110亿人民币。

存量市场主要是工业，家电和燃油车领域用到的IGBT需求，预计2021年市场规模约为150亿，工控领域占比较高，预计为100亿人民币，如果未来5年工控领域带动存量的IGBT市场按照每年5%左右的复合增速成长，预计2025年将达到182亿人民币。

综合存量市场的工业和家电需求，加上高速增长的车载和光伏对于功率半导体的需求大幅增长，预计到2025年国内功率半导体市场规模将达到592.3亿元。2021年车用IGBT才60亿规模，光伏逆变器用IGBT50亿规模，乐观来看，车用IGBT增长空间还有5倍，光伏还有2倍，合计还有四倍的增长空间。

2020-2030年车载功率半导体市场空间预估：

IDM模式最终胜出，产业链各个

环节的竞争力综合体现

IGBT下游的需求主要集中在汽车、工业控制和家电等领域，不同于MOSFET多以分立器件形式应用为主，IGBT则以更常见的形式如IGBT模块和IPM模块广泛应用于汽车和家电终端产品，尤其是汽车工业在欧洲、日本和美国更为发达，所以IGBT芯片市场主要被德国英飞凌，日本罗姆、三菱以及美系大厂安森美和ST意法半导体等厂商控制。

• 由于IGBT芯片从晶圆生产到芯片封测以及模块封装一般都是采用IDM模式，所以IGBT模块供应商也主要由芯片厂商提供。

  
  

• IGBT模块是电动汽车逆变器的核心元器件，所以博世、电装、德尔福等Tier1汽车零部件集成厂商会采购IGBT模块生产电驱系统供给下游的汽车主机厂，此外也有部分国内的主机厂如长城汽车、长安汽车、奇瑞和蔚来自主生产逆变器。

车载IGBT产业链：

• 国内电动车销量占据全球电动车市场的半壁江山，但是由于疫情影响，欧美IGBT大厂海外工厂产能利用率较低，英飞凌车载IGBT平均交期在一年以上，国内汽车主机厂由于缺芯影响严重制约汽车销售。

  
  

• 国内自主品牌厂商作为电动车的主力军，率先导入国产IGBT芯片产品，这给了国产IGBT芯片崛起的历史性机遇。

比亚迪作为国内电动车的龙头企业，旗下比亚迪半导体在2008年收购宁波中玮的IDM晶圆厂开始进入IGBT芯片产业链，2012年导入比亚迪电动车，2015年自研IGBT开始上量，2020年宁波产线具备40万套电动车IGBT模块的配套能力，2021年收购济南富能8寸产线，新增年产能可配套新能源汽车需求约90万辆，合计配套130万量。

中车时代电气是国内轨交、电网高压IGBT芯片龙头厂商，2012年收购英国的丹尼克斯开始进入IGBT芯片的生产与研发。

• 2017年开始从6500V、7500V高压领域扩展至650V、750V和1200V的车规级IGBT模块市场，2018年开始导入大巴车、物流车和A00级车，2019-2021年芯片设计改版后已经成为国内首家突破A级车IGBT芯片的厂商，同时与汇川等Tier1厂商也保持紧密合作。

  
  

• 公司此前有一条月产能为1万片的8英寸产线，2021年底二期月产能为2万片的8寸线投产，预计可以配套约200万辆新能源车IGBT模块，凭借IDM厂商的产能优势有望在2022年获得车载IGBT芯片较大的市场份额。

斯达半导2008年开始进入IGBT芯片市场，最开始也从英飞凌购买芯片，2015年出现了切入IGBT芯片生产的机会，2015年英飞凌收购IR（InternationalRectifier）将其芯片研发团队解散，该团队成为了斯达半导体芯片研发团队，2016年开始推广自己的芯片，目前公司产品已经在大巴车、物流车和A00级电动车上有所应用，2020年公司生产的车载IGBT模块配套约20万辆新能源车，预计2021年配套车辆将增加至50万套。

士兰微在家电领域的IPM模块出货量优势明显，2020年IPM模块出货量约1800万颗，2021年上半年出货量大增150%，已经占全球10%的出货量，公司从家电切入车载IGBT领域，目前已经有A00级别客户如零跑和菱电开始采用士兰微的车载IGBT模块。

• 由于公司IDM的模式，产品迭代非常快，迭代一版产品历时只有3个月，而Fabless厂商则需要6个月以上。

  
  

• 目前士兰微的A级车750V模块性能处于行业领先，输出功率可以达到160kw-180Kw，公司12寸的晶圆厂已经投产，预计年底可实现月产能3.5万片的产能目标。

国内IGBT厂商各维度对比分析（技术、产能、客户）：

IGBT供给紧平衡，2022年

产业进入爆发期

我们认为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。

IDM模式优势：

海外厂商凌英飞凌MOSFET和和IGBT交期：

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。

国内IGBT产能梳理：

碳化硅器件优良性能带来

全新替代需求

1、SiC与IGBT性能对比：

• 相同规格的碳化硅基MOSFET和硅基MOSFET相比，导通电阻降低为1/200，尺寸减小为1/10；相同规格的使用碳化硅基MOSFET的逆变器和使用硅基IGBT相比，总能量损失小于1/4。

  
  

• 由于碳化硅器件具备的上述优越性能，可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求，从而成为半导体材料领域最具前景的材料之一。

具体对比如下：

• 能量损耗低。SiC模块的开关损耗和导通损耗显著低于同等IGBT模块，且随着开关频率的提高，与IGBT模块的损耗差越大，SiC模块在降低损耗的同时可以实现高速开关，有助于降低电池用量，提高续航里程，解决新能源汽车痛点。

  
  

• 更小的封装尺寸。SiC器件具备更小的能量损耗，能够提供较高的电流密度。在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，有助于提升系统的功率密度。

  
  

• 实现高频开关。SiC材料的电子饱和漂移速率是Si的2倍，有助于提升器件的工作频率；高临界击穿电场的特性使其能够将MOSFET带入高压领域，克服IGBT在开关过程中的拖尾电流问题，降低开关损耗和整车能耗，减少无源器件如电容、电感等的使用，从而减少系统体积和重量。

  
  

• 耐高温、散热能力强。SiC的禁带宽度、热导率约是Si的3倍，可承受温度更高，高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放，冷却部件可小型化，有利于系统的小型化和轻量化。

同规格碳化硅器件与硅器件对比：

SiC和GaN耐高压、耐高温、低能量损耗：

2、碳化硅器件得需求测算：电车和工业：

SiC器件使用第三代半导体材料碳化硅作为衬底，与同规格硅基器件相比，SiC器件效率及耐温性更高，可显著降低能耗，提高功率密度，减小体积，是下一代新能源汽车电机驱动控制系统的理想器件，能进一步提高新能源汽车的续航里程、百公里加速能力和最高时速。

• 特斯拉的Model3的主驱动逆变器采用了24个SiCMOSFET，每个模块有2个SiC裸晶(Die)共48颗SiCMOSFET，总成本约为5000元。比亚迪汉后驱三相桥6桥臂采用了30个SiCMOS模块，总成本7000元。

  
  

• 2021年发布的新款车型中，蔚来ET，小鹏的G9，广汽埃安的LX和长城的机甲龙均采用800v平台，从400V提升到800V，一个系统用到30-50个SiC芯片，2套驱动系统的芯片量会增长更多。

特斯拉Model3的SiCMOSFET模块：

新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器，能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，提高功率密度。Wolfspeed预计2026年车载SiC市场规模将从2022年的16亿美元增加至2026年的46亿美元。

• 除了新能源汽车领域，光伏发电、轨道交通、智能电网以及射频器件都可以采用SiC器件替代IGBT作为电子电子控制器件。

  
  

• 使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，预计在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。

  
  

• 将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器，能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率。预计工业领域的SiC器件市场规模预计从2022年的6亿美金增加至14亿美金。

SiC功率器件市场规模预估（单位：百万美元）：

3、功率半导体厂商纷纷发布碳化硅产品：

比亚迪：比亚迪在2020年发布的比亚迪汉纯电动高性能四驱版成为国内首款采用自研SiC模块的车型，功率密度提升了一倍，其SiC芯片采购自国外厂商。

• 比亚迪半导体碳化硅SiC功率模块是一款三相全桥拓扑结构的灌封全碳化硅功率模块，主要应用于新能源汽车电机驱动控制器，是全球首家、国内唯一实现在电机驱动控制器中大批量装车的SiC三相全桥模块。

  
  

• 根据公司公告显示，2020年SiC模块销售收入为1.42亿元，按照单价1577元测算，预计2020年销售碳化硅模块9万个，2021年上半年销售收入达到1.14亿元，按照1069元单价计算，2021年上半年销售碳化硅模块为10万个，预计全年销量将超过20万个。

华润微：本土功率半导体龙头厂商华润微在2020年7月份发布SiC二极管产品，2021年实现小批量供货。

• 2021年12月17日，公司又宣布推出1200VSiCMOSFET新品，采用WolfSpeed的衬底，实现了碳化硅芯片的国产化。

  
  

• 华润微自主研发量产的新品SiCMOS单管，具有栅氧可靠性好、高电流密度、高开关速度、工业级可靠性、Ron随温度变化小等优势，主要应用于新能源汽车OBC、充电桩、工业电源、光伏逆变、风力发电等领域。

时代电气：从轨交和电网高压IGBT切入新能源汽车功率半导体的时代电气在2021年底发布了国内首款基于自主碳化硅芯片的大功率电驱产品-C-Power220s。

• 公司的SiCMOSFET芯片已经发展了4个代次，从第三代开始面向车规级应用，目前已经推出的1200V/600A的SiCMOSFET模块S3能够满足120KW～200KW功率等级电驱需求，在190KW高输出功率条件下，逆变总损耗可以比硅基IGBT降低54%，逆变效率从97.%提升至98.77%。

国内功率半导体厂商发布SiC新品时间轴：

碳化硅产业链之

咽喉：衬底

1、衬底行业概况：分类，产业链环节，价值量分布：

• SiC衬底的原材料为高纯碳粉和高纯硅粉，在2,000℃以上的高温条件下通过特定反应合成碳化硅粉。在特殊温场下，采用成熟的物理气相传输法（PVT法）生长不同尺寸的碳化硅晶锭，经过多道加工工序产出碳化硅衬底。

  
  

• 根据下游终端的应用不同可以分为导电型和半绝缘型两类，导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件，与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造各类功率器件。

  
  

• 半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成氮化镓射频器件。

碳化硅芯片产业链：

在半导体应用中，SiC主要用于电力电子器件的制造。从SiC器件制造流程顺序来看，SiC器件的制造成本中，SiC衬底成本占比50%，SiC外延的成本占比25%，这两大工序是SiC器件的重要组成部分。

根据立昂微和沪硅产业披露的招股书，一片8寸的硅外延片为250元左右，一片12寸的硅外延片为300-400元左右，而天科合达和天岳先进披露的6寸导电型SiC衬底和4寸半绝缘SiC衬底分别为3000元和8000-9000元，全球龙头Wolfspeed的6寸导电型SiC衬底价格高达6000元以上，如果完成外延加工估计达到8000元左右。

SiC器件成本高的一大原因就是SiC衬底制造困难，与传统的单晶硅使用提拉法制备不同，目前规模化生长SiC单晶主要采用物理气相输运法（PVT）或籽晶的升华法。这也就带来了SiC晶体制备的两个难点：

• 生长条件苛刻，需要在高温下进行。一般而言，SiC气相生长温度在2300℃以上，压力350MPa，而硅仅需1600℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求，生产过程几乎是黑箱操作难以观测。如果温度和压力控制稍有失误，则会导致生长数天的产品失败。

  
  

• 生长速度慢。PVT法生长SiC的速度缓慢，7天才能生长2cm左右。而硅棒拉晶2-3天即可拉出约2m长的8英寸硅棒。

此外SiC器件制造必须要经过外延步骤，外延质量对器件性能影响很大。SiC基器件与传统的硅器件不同，SiC衬底的质量和表面特性不能满足直接制造器件的要求，因此在制造大功率和高压高频器件时，不能直接在SiC衬底上制作器件，而必须在单晶衬底上额外沉积一层高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件，目前效率也比较低。

另外SiC的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题，温度不能太高，一般不能超过1800℃，因而生长速率较低。

SiC器件制造成本结构分布情况：

2、市场格局：

• 全球碳化硅衬底市场主要由美国和欧洲厂商控制，根据Yole的统计，2018年导电型碳化硅衬底市场中CREE占比为62%，美国半导体材料大厂Ⅱ-Ⅵ市占率为16%，国内厂商天科合达和山东天岳占比仅为1.7%和0.5%。

  
  

• 半绝缘型衬底市场中Wolfspeed市占率从2019年的41%下滑至32%，Ⅱ-Ⅵ半导体市占率从2019年的27%上升至35%，两大龙头合计占据近70%的市场。

  
  

• 山东天岳以半绝缘型衬底产品为主，2020年市占率达到30%，根绝公司招股书披露2020年公司半绝缘型衬底3.47亿元营收测算，全球半绝缘型碳化硅市场规模仅为12亿元人民币。

  
  

• 2020年Wolf-Speed营收为4.71亿美元，剔除0.59亿美元半绝缘型衬底的营收，预计导电型碳化硅衬底营收规模约为4.12亿美元，假设Wolfspeed市占率在2020年接近50%，合计导电型碳化硅衬底市场规模约为8.24亿美元。

  
  

• 综合来看，2020年全球碳化硅衬底市场约为10亿美元，2021年Wolfspeed营收增长12%，预计2021年全球碳化硅衬底销售规模增至11.3亿美元。

2018年导电型碳化硅晶片厂商市占率：

2019(左)和2020年(右)半绝缘碳化硅衬底市占率：

3、衬底成为器件厂商的核心竞争力：

• 在功率半导体芯片市场，尤其是IGBT芯片市场的竞争已经从芯片设计延伸至中游的制造和下游的模块封装领域，然而进入到碳化硅时代，我们认为碳化硅功率半导体的竞争已经从芯片设计、中游制造和下游封装进一步向产业链上游的衬底和外延环节扩张。

  
  

• 国际大厂很早就意识到了碳化硅之争的关键就在对于衬底资源的控制权，早在2009年日本罗姆就通过收购德国SiC衬底和外延片供应商SiCrystal实现了SiC器件研发的实质性突破。

  
  

• 2018年英飞凌收购了德国碳化硅晶圆切割领域的新锐公司Siltectra，通过收购获得了一种称为“冷分裂（ColdSplit）”的材料切割技术，借助这种专有工艺可以高质量低成本的加工晶圆和对晶圆进行减薄，尤其是对于碳化硅这种超高硬度材料的切割优势非常明显。

  
  

• 2019年12月，意法半导体以1.375亿美元现金从三安广电手中购得了瑞典SiC衬底和外延片制造商NorstelAB，获得了6英寸SiC衬底和外延片的生产制造能力。

  
  

• 2021年11月1日，安森美宣布耗资4.15亿美元对于美国碳化硅生产商GTAT的收购，通过外延收购衬底资产可以帮助安森美减少对于Wolfspeed的原材料依赖。

  
  

• 时至今日，功率半导体大厂基本上对于衬底资源的抢夺战已经告一段落，国内企业只有三安光电在这场衬底资源争夺战中有所斩获，曾转移了部分NorstelAB的专利到国内，才得以完成国内首条从衬底、外延到器件的长沙6寸IDM产线。

全球碳化硅衬底企业的阵营：

参考资料来自：中信建投证券、驭势资本研究所