关于中国半导体功率器件的十强企业整理

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2022-03-10 12:58:15 24

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（以下报告出品方/作者：中信建投证券/刘双锋，范彬泰）

一、物联网驱动的电动化和智能化带来功率半导体新周期

（一）复盘 2020-2021 年功率半导体周期： .与隐忧

自 2019 年底开始，5G 手机的普及率不断上升，是整个半导体行业需求的动力来源。市场对未来几年5G手机的强劲增长充满信心。暂停按钮已被按下。随着疫情的进一步发展，远程办公带来了对远程服务器的巨大需求，沉寂了10年的笔记本市场带来了显着增长。同时，在双碳政策的推动下，国内电动汽车的快速发展进一步刺激了对功率半导体的需求。要求。在需求端正增长趋势下，芯片供给端受疫情影响明显萎缩。马来西亚全球功率半导体封装和试验城市无限期关闭，无疑会加剧功率半导体产业的发展。

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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。

（二）功率半导体下游应用 .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。

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根据 Strategy Analytics 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。

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。

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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。

（三）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 ON semi，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%。

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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%。

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。

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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（Schottky）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将成为肖特基产品的技术主流。

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 LD MOSFET 结构起步经历了 VV MOSFET，VU MOSFET，VD MOSFET，SJ MOSFET（超结）,Trench MOSFET（沟槽型）, SGT MOSFET（屏蔽栅）。

沟槽型 MOSFET，主要用于低压（100V）领域；SGT（Shielded Gate Transistor，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。SGT MOSFET（Shield Gate Trench MOSFET）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 SGT MOSFE 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。

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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 POWER MOSFET 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 SiC MOSFET 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 .优势，新洁能是国内率先掌握超结理论技术，并量产 SGT MOSFET 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、SGT MOSFET 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。

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（四）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。

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。

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二、电动车大时代：IGBT 厂商 IDM 为王

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。（报告来源：未来智库）

（一）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（Inverter），减速器（Gearbox）和电机(Motor)。逆变器中的电子电力控制器件如 IGBT/SiC MOSFET 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。

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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。

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。

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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。11 kW 和 22 kW 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。

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。

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3、充电桩中的 IGBT 模块

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120 V、输出 15 A 或 20 A 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 3.3 kW、6.6 kW、9.6 kW、19.2 kW 四种功率级别，适用于输出电流分别达 20 A、20 A、50 A、100 A 的 240 V 交流电源插座。直流快速充电(DCFC)桩的输入电压为 440 V 或 480 V，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 60 kW、90 kW 发展到将来的 150 kW、240 kW，相应地充电桩电源模块将由现在的 15 kW、20 kW、30 kW 提高到将来的 40 kW、50 kW、60 kW，以缩短充满电的时间。例如，210 kW 电动汽车充电点由 14 个 15 kW 模块组成，每个 15 kW 的电池充电器模块都是由 3 相交流 380 V 输入，经过 3 相 Vienna 功率因数校正(PFC)后，电压升高到 800 V 直流电压，再经过高压 DC-DC 输出 250 V 至 750 V 直流电压。

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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。

（二）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 .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。

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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%。

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。

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3、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。

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（三）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。

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（International Rectifier）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 .，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。

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（四）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。

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。

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三、碳化硅新 .：衬底成为产业链最重要的环节

（一）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：

① 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。

② 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。

③ 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。

④ 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。（报告来源：未来智库）

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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 SiC MOSFET，每个模块有 2 个 SiC 裸晶(Die)共 48 颗 SiC MOSFET，总成本约为 5000 元。比亚迪汉后驱三相桥 6 桥臂采用了 30 个 SiC MOS 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。

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。

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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 .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 .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 1200V SiC MOSFET 新品，采用 Wolf Speed 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 SiC MOS 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 .基于自主碳化硅芯片的大功率电驱产品- C- Power 220s。公司的 SiC MOSFET 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 SiC MOSFET 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%。

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（二）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。

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：

1、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。

2、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。

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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 Wolf speed 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。

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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（Cold Split）”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 Norstel AB，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 .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 Norstel AB 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。

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（三）国内衬底产业链梳理

1、国内衬底厂商对比

国内碳化硅衬底主要供应商包括山东天岳、天科和达、三安光电、山西硕科、河北同光。目前，国内前三大市场是山西和山西。硕科和天科在一起。公开资料显示，碳化硅衬底销量前三名分别为3.5亿片（2020年）、约3亿片（2020年）、1.55亿片（2019年）。对比未来五块板的产能规划，2025年河北同光产能最大。月产能达到5.83万件，年产能达到70万件，达产后产值4.5-6亿元。第二名是三安光电。 2025年厦门三安、湖南三安碳化硅基板总产能将达到4.2万片/月，山东天岳碳化硅基板月产能为2025年底。这2.5万片为导电基板，占公司总产能的71.4%。

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