電能控制的核心器件，新能源汽車帶來廣闊成長空間
功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換等。功率半導(dǎo)體可分為功率 IC 和功率分立器件兩大類，二者集成為功率模塊（包括 MOSFET／IGBT 模塊，IPM 模塊，PIM 模塊）。
電動(dòng)化趨勢下
新能源汽車功率半導(dǎo)體 需求快速提升
新能源汽車全球加速普及，電動(dòng)化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化為功率半導(dǎo)體帶來廣闊市場。為了完成《巴黎氣候協(xié)定》的目標(biāo)，全球多數(shù)國家已明確碳中和時(shí)間，我國預(yù)計(jì) 2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。隨著碳中和目標(biāo)推進(jìn)，新能源汽車行業(yè)迎來快速發(fā)展期。
預(yù)計(jì)到 2025 年全球新能源汽車滲透率達(dá) 20％，我國達(dá) 34％領(lǐng)跑全球。我們假設(shè) 2021 年后全球包括中國汽車銷量以每年 3％的增速緩慢增長，新能源汽車保持高速增長，測算出 2025 年全球汽車銷量達(dá) 9020 萬輛，新能源汽車滲透率達(dá)20％，新能源汽車銷量為 1804 萬輛；2025 年中國汽車銷量達(dá) 2957 萬輛，其中新能源汽車滲透率達(dá) 34％，新能源汽車銷量為 1000 萬輛，領(lǐng)跑全球。
新能源汽車（混合動(dòng)力汽車或純電動(dòng)汽車等）半導(dǎo)體含量顯著高于傳統(tǒng)汽車。其中，新能源汽車功率半導(dǎo)體用量及規(guī)格均高于傳統(tǒng)燃油車，功率半導(dǎo)體約占每輛車半導(dǎo)體價(jià)值量增量的四分之三。英飛凌 Q4 FY2021 財(cái)報(bào)披露數(shù)據(jù)顯示，一輛配備傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的汽車的平均半導(dǎo)體含量為 490 美元，輕混合動(dòng)力汽車為 600 美元，全混合動(dòng)力為 890 美元，插電式混合動(dòng)力及純電動(dòng)汽車為 950 美元。其中，功率半導(dǎo)體約占每輛車半導(dǎo)體價(jià)值量增量的 85％。
與傳統(tǒng)燃油車和弱混合動(dòng)力汽車相比，電動(dòng)汽車并無發(fā)動(dòng)機(jī)和啟停系統(tǒng)，但由于電力轉(zhuǎn)換與控制要求提升，因而多出主電控（電驅(qū)）、車載電動(dòng)空調(diào)、DC－DC、OBC、電池管理系統(tǒng)（BMS）等部件，帶動(dòng)功率半導(dǎo)體需求提升。
功率半導(dǎo)體的增量具體可拆分為：
（1）主傳動(dòng)／逆變器：一般選用 Si 基 IGBT（模塊）、SiC 基 MOSFET；
（2）充電器（OBC）：開關(guān)頻率較高，一般選用采用驅(qū)動(dòng)功率為 3－6KWSi 基 MOSFET、10－40kW 的 Si 基 IGBT、SiC 基 MOSFET；
（3）DC－DC 轉(zhuǎn)換：涉及低電壓直流轉(zhuǎn)換，一般選用 Si 基 MOSFET；
（4）高壓輔助驅(qū)動(dòng)：高壓配電，一般選用 Si／SiC／GaN MOSFET（模塊）；
（5）電池管理系統(tǒng)（BMS）：低電壓，一般選用 Si 基電池管理 ICs。
新能源汽車對功率半導(dǎo)體規(guī)格要求遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃油車，IGBT模塊因此成為新能源汽車領(lǐng)域功率半導(dǎo)體主流選擇。傳統(tǒng)燃油車的電壓功率要求較低，一般要求動(dòng)力總成電壓為 30－40V、電助力制動(dòng)器電壓為 60－80V、點(diǎn)火器電壓為 40－80V及單車平均電氣功率≤20kW，此場景下一般選用低導(dǎo)通阻抗的高性能低壓MOSFET。
相較而言，純電動(dòng)汽車（EV）或混合動(dòng)力汽車（HEV）的核心在于高壓（200－450V DC）電池及其相關(guān)的充電系統(tǒng)。純電動(dòng)汽車主電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般要求功率器件的驅(qū)動(dòng)功率在 20－150kW，平均功率約在 70kW。由于較高的驅(qū)動(dòng)功率、電壓以及高能耗敏感度，電動(dòng)車廠往往會(huì)采用導(dǎo)通壓降小、工作電壓高的 IGBT 模塊，而非在傳統(tǒng)燃油車中采用的 MOSFET。
國內(nèi)新能源汽車領(lǐng)域功率半導(dǎo)體量價(jià)提升邏輯下，廣闊需求端空間為國產(chǎn)替代提供支撐。結(jié)合新能源汽車較傳統(tǒng)燃油車在功率半導(dǎo)體單車價(jià)值量上的顯著增量，及國內(nèi)市場新能源汽車銷量及滲透率的持續(xù)提升，預(yù)計(jì)國內(nèi)新能源汽車領(lǐng)域的功率半導(dǎo)體需求將在未來五年內(nèi)快速提升，為國產(chǎn)替代提供需求端基礎(chǔ)。
預(yù)計(jì)到 2025 年全球新能源汽車 IGBT 規(guī)模接近 40 億美元，中國達(dá) 22 億美元。根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，通常新能源汽車 IGBT 的單車價(jià)值量在 300 美金左右。我們假設(shè)新能源汽車雙電機(jī)的滲透率逐年提升，IGBT 受益于景氣周期先漲價(jià)，之后由于技術(shù)成熟、市場競爭等因素價(jià)格逐漸下降；假設(shè) SiC 的滲透率逐年增加，對IGBT形成一定的替代。我們測算出 2025 年全球新能源汽車 IGBT 的規(guī)模達(dá)到39．78億美元，5 年 CAGR 為 39．4％；中國達(dá)到 22．05 億美元，5年 CAGR 為46．5％，中國將成為全球新能源汽車 IGBT 主要的市場。
海外缺芯疊加國內(nèi)新能源汽車爆發(fā)
國內(nèi)企業(yè)迎來發(fā)展窗口期
供給端，缺芯問題在以英飛凌為代表的功率半導(dǎo)體廠商中依然明顯，IGBT 和MOSFET 為代表的功率半導(dǎo)體交期依然維持穩(wěn)中有升態(tài)勢，預(yù)計(jì)未來四個(gè)季度供給端緊張難以緩解。從貨期角度看，英飛凌 IGBT 和 MOSFET 貨期自 2020Q1 起持續(xù)提升，2021Q4 整體交貨周期依然普遍保持在 40－50 周，而不缺貨情況下交貨周期一般僅在 10－16 周?？紤]到供給端擴(kuò)產(chǎn)周期一般需要 9－12 月甚至更長，當(dāng)前 Fab 廠產(chǎn)能已普遍排至 2023 年，結(jié)合新能源汽車和光伏領(lǐng)域需求的持續(xù)增長，預(yù)計(jì)未來四個(gè)季度內(nèi)仍是供給偏緊狀態(tài)。
結(jié)合前節(jié)討論的國內(nèi)新能源汽車市場的高景氣度，功率半導(dǎo)體市場存在較大供需錯(cuò)配，行業(yè)缺芯凸顯芯片國產(chǎn)化瓶頸現(xiàn)狀，給予國產(chǎn)廠商難得的“試錯(cuò)”機(jī)會(huì)，國產(chǎn)廠商迎來供應(yīng)鏈導(dǎo)入良機(jī)。芯片供應(yīng)鏈恢復(fù)時(shí)間不確定，缺芯致使下游需求方提高了對國產(chǎn)芯片產(chǎn)品的試錯(cuò)容忍度并選擇國產(chǎn)廠商產(chǎn)品以解決部分燃眉之急，為芯片企業(yè)提供了絕佳的導(dǎo)入機(jī)會(huì)，在得到客戶驗(yàn)證通過并大規(guī)模放量后，國產(chǎn)芯片廠商將進(jìn)一步鞏固其行業(yè)地位并實(shí)現(xiàn)更高的國產(chǎn)化率和延續(xù)本土化趨勢。部分廠商正抓住國產(chǎn)替代的機(jī)遇窗口，在各自領(lǐng)域取得突破，實(shí)現(xiàn)業(yè)績規(guī)?？焖僭鲩L。
在新能源汽車領(lǐng)域，國內(nèi)功率半導(dǎo)體企業(yè)已有進(jìn)展，部分廠商開始在新能源汽車特別是 A 級車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量供貨：
比亞迪半導(dǎo)體：
（1）IGBT 領(lǐng)域：據(jù) Omdia 統(tǒng)計(jì)，以 2019 年 IGBT 模塊銷售額計(jì)算，公司在中國新能源乘用車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器用 IGBT 模塊全球廠商中排名第二，僅次于英飛凌，市場占有率 19％，2020 年公司在該領(lǐng)域保持全球廠商排名第二、國內(nèi)廠商排名第一的領(lǐng)先地位。
（2）SiC 器件領(lǐng)域：公司已實(shí)現(xiàn) SiC 模塊在新能源汽車高端車型電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器中的規(guī)模化應(yīng)用，也是全球首家、國內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn) SiC 三相全橋模塊在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器中大批量裝車的功率半導(dǎo)體供應(yīng)商。
斯達(dá)半導(dǎo)：2021 年公司新能源行業(yè)營業(yè)收入為 57，146．05 萬元，較去年同期增長 165．95％。車規(guī)級 SGT MOSFET （split－gate trench MOSFET）開始小批量供貨。2021年，公司生產(chǎn)的應(yīng)用于主電機(jī)控制器的車規(guī)級 IGBT模塊持續(xù)放量，合計(jì)配套超過 60 萬輛新能源汽車，其中 A 級及以上車型配套超過 15 萬輛，同時(shí)公司在車用空調(diào)，充電樁，電子助力轉(zhuǎn)向等新能源汽車半導(dǎo)體器件份額進(jìn)一步提高。同時(shí)，公司在用于車用空調(diào)、充電樁、電子助力轉(zhuǎn)向等新能源汽車半導(dǎo)體器件份額進(jìn)一步提高。
時(shí)代電氣：在其新興裝備業(yè)務(wù)板塊中，針對新能源汽車行業(yè)已面向市場推出多個(gè)平臺的電驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)品，應(yīng)用于純電動(dòng)、混合動(dòng)力乘用車，同時(shí)已與一汽集團(tuán)、長安汽車等國內(nèi)一流汽車制造商開展深入項(xiàng)目合作，實(shí)現(xiàn)批量產(chǎn)品交付業(yè)績。此外，公司募投新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用項(xiàng)目，擬以電驅(qū)系統(tǒng)為主推產(chǎn)品，利用公司自主 IGBT 的資源優(yōu)勢，突破扁線／油冷電機(jī)集成應(yīng)用、SiC 模塊應(yīng)用、雙面冷卻模塊應(yīng)用等多項(xiàng)研發(fā)應(yīng)用技術(shù)。
士蘭微：2021 年，基于公司自主研發(fā)的 V 代 IGBT 和 FRD 芯片的電動(dòng)汽車主電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，已在國內(nèi)多家客戶通過測試，并已在部分客戶批量供貨。目前公司正在加快汽車級和工業(yè)級功率模塊產(chǎn)能的建設(shè)。2021 年，公司分立器件產(chǎn)品的營業(yè)收入為 38．13 億元，較上年增長 73％。
布局未來：SiC 加速滲透
進(jìn)一步打開行業(yè)天花板
目前車規(guī)級半導(dǎo)體主要采用硅基材料，但受自身性能極限限制，硅基器件的功率密度難以進(jìn)一步提高，硅基材料在高開關(guān)頻率及高壓下?lián)p耗大幅提升。以 SiC與 GaN 為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件具有高擊穿電壓、高功率密度、耐高溫、高頻工作等優(yōu)勢，適用于大功率、高頻率與惡劣的工作環(huán)境，解決 Si 基器件痛點(diǎn)。
在主要三代化合物半導(dǎo)體材料中，SiC 最適合用于新能源汽車領(lǐng)域，而 GaN更適用于射頻領(lǐng)域。SiC 與 GaN 相比，具有更高的熱導(dǎo)率和崩潰電壓，因此在高溫和高壓領(lǐng)域應(yīng)用更具優(yōu)勢，適用于新能源汽車、快充充電樁、光伏和電網(wǎng)等 600V甚至 1200V 以上的電力領(lǐng)域。在新能源汽車領(lǐng)域，SiC 功率器件將主要用于逆變器、OBC 和 DC／DC 轉(zhuǎn)換。
SiC 相比傳統(tǒng) Si 基器件主要有三點(diǎn)優(yōu)勢：
（1）體積小、重量輕、散熱強(qiáng)：SiC 的熱導(dǎo)率是 Si 的大約 3 倍，熱量更容易釋放，同時(shí) SiC 的熱損耗更小，因此冷卻部件可采用更小型產(chǎn)品，有利于實(shí)現(xiàn)器件的小型化、輕量化；根據(jù)英飛凌數(shù)據(jù)，采用 SiC 器件的逆變器體積相比硅基能減少 50％－80％，；
（2）能量損耗更低：根據(jù)英飛凌數(shù)據(jù)，SiC－MOSFET 單管與 IGBT 單管相比，能量利用率大約提升 5％，模塊化之后能量效率能夠提升 10％左右。因此 SiC 能提升電池的續(xù)航里程或以更小尺寸電池實(shí)現(xiàn)同等的續(xù)航里程，從而降低電池成本；
（3）高頻：SiC 的電子飽和漂移速率是 Si 的 2 倍，可以實(shí)現(xiàn)比 Si 基 IGBT 更高的工作頻率。
盡管性能優(yōu)越，受制于高昂的成本，當(dāng)前 SiC 在新能源汽車領(lǐng)域滲透率較低。由于生產(chǎn)設(shè)備、制造工藝、良率與成本的劣勢，碳化硅基器件過去僅在小范圍內(nèi)應(yīng)用。根據(jù)比亞迪半導(dǎo)體招股說明書，目前國際主流 SiC 襯底尺寸為 4 英寸和 6英寸，晶圓面積較小、芯片裁切效率較低、單晶襯底及外延良率較低導(dǎo)致 SiC 器件成本高昂，疊加后續(xù)晶圓制造、封裝良率較低，且載流能力和柵氧穩(wěn)定性仍待提高，SiC 器件整體成本仍處于較高水平。
預(yù)計(jì) SiC 市場規(guī)模未來幾年快速提升，2025 年全球新能源汽車用 SiC 功率器件規(guī)模達(dá) 37．9 億美元，中國達(dá) 21 億美元。根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，通常一輛新能源汽車中整車主驅(qū)逆變器、OBC 以及 DCDC 轉(zhuǎn)換器用到的 SiC 價(jià)值量在 900－1000美元左右；假設(shè)到 2025 年單車 SiC 成本下降 30％，到 700 美元左右，滲透率提升到 30％。我們測算出 2025 年全球新能源汽車 SiC 器件規(guī)模達(dá) 37．9 億美元，5年 CAGR 為 64．5％；國內(nèi)市場達(dá) 21 億美元，5 年 CAGR 為 72．6％，中國將成為全球新能源汽車 SiC 器件主要市場。
SiC 芯片產(chǎn)業(yè)鏈與硅基產(chǎn)業(yè)鏈類似，主要分為晶圓襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造和封裝等環(huán)節(jié)，市場主要由海外廠商掌控，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，與國際水平仍存在差距。據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2020 年碳化硅功率器件市場中，ST、Cree、ROHM、Infineon、Onsemi 市占率分別為 40．5％、14．9％、14．4％、13．3％、7．7％，CR5 超過 90％。國內(nèi)碳化硅各環(huán)節(jié)已實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈布局，但目前國產(chǎn)化率較低，未來有望伴隨內(nèi)需增長而實(shí)現(xiàn)提升。其中，襯底環(huán)節(jié)廠商包括山東天岳、天科合達(dá)等，外延廠商包括瀚天天成、東莞天域等，設(shè)計(jì)廠商包括上海瞻芯電子、上海瀚薪等，IDM 廠商包括泰科天潤、中科漢韻、三安集成、華潤微、士蘭微等。