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。功率半導體可分為功率 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）。
電動化趨勢下
新能源汽車功率半導體 需求快速提升
新能源汽車全球加速普及，電動化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化為功率半導體帶來廣闊市場。為了完成《巴黎氣候協(xié)定》的目標，全球多數(shù)國家已明確碳中和時間，我國預計 2030 年前實現(xiàn)碳達峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和。隨著碳中和目標推進，新能源汽車行業(yè)迎來快速發(fā)展期。
預計到 2025 年全球新能源汽車滲透率達 20％，我國達 34％領跑全球。我們假設 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 9020 萬輛，新能源汽車滲透率達20％，新能源汽車銷量為 1804 萬輛；2025 年中國汽車銷量達 2957 萬輛，其中新能源汽車滲透率達 34％，新能源汽車銷量為 1000 萬輛，領跑全球。
新能源汽車（混合動力汽車或純電動汽車等）半導體含量顯著高于傳統(tǒng)汽車。其中，新能源汽車功率半導體用量及規(guī)格均高于傳統(tǒng)燃油車，功率半導體約占每輛車半導體價值量增量的四分之三。英飛凌 Q4 FY2021 財報披露數(shù)據(jù)顯示，一輛配備傳統(tǒng)內燃機的汽車的平均半導體含量為 490 美元，輕混合動力汽車為 600 美元，全混合動力為 890 美元，插電式混合動力及純電動汽車為 950 美元。其中，功率半導體約占每輛車半導體價值量增量的 85％。
與傳統(tǒng)燃油車和弱混合動力汽車相比，電動汽車并無發(fā)動機和啟停系統(tǒng)，但由于電力轉換與控制要求提升，因而多出主電控（電驅）、車載電動空調、DC－DC、OBC、電池管理系統(tǒng)（BMS）等部件，帶動功率半導體需求提升。
功率半導體的增量具體可拆分為：
（1）主傳動／逆變器：一般選用 Si 基 IGBT（模塊）、SiC 基 MOSFET；
（2）充電器（OBC）：開關頻率較高，一般選用采用驅動功率為 3－6KWSi 基 MOSFET、10－40kW 的 Si 基 IGBT、SiC 基 MOSFET；
（3）DC－DC 轉換：涉及低電壓直流轉換，一般選用 Si 基 MOSFET；
（4）高壓輔助驅動：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體規(guī)格要求遠高于傳統(tǒng)燃油車，IGBT模塊因此成為新能源汽車領域功率半導體主流選擇。傳統(tǒng)燃油車的電壓功率要求較低，一般要求動力總成電壓為 30－40V、電助力制動器電壓為 60－80V、點火器電壓為 40－80V及單車平均電氣功率≤20kW，此場景下一般選用低導通阻抗的高性能低壓MOSFET。
相較而言，純電動汽車（EV）或混合動力汽車（HEV）的核心在于高壓（200－450V DC）電池及其相關的充電系統(tǒng)。純電動汽車主電機驅動一般要求功率器件的驅動功率在 20－150kW，平均功率約在 70kW。由于較高的驅動功率、電壓以及高能耗敏感度，電動車廠往往會采用導通壓降小、工作電壓高的 IGBT 模塊，而非在傳統(tǒng)燃油車中采用的 MOSFET。
國內新能源汽車領域功率半導體量價提升邏輯下，廣闊需求端空間為國產替代提供支撐。結合新能源汽車較傳統(tǒng)燃油車在功率半導體單車價值量上的顯著增量，及國內市場新能源汽車銷量及滲透率的持續(xù)提升，預計國內新能源汽車領域的功率半導體需求將在未來五年內快速提升，為國產替代提供需求端基礎。
預計到 2025 年全球新能源汽車 IGBT 規(guī)模接近 40 億美元，中國達 22 億美元。根據(jù)產業(yè)鏈調研，通常新能源汽車 IGBT 的單車價值量在 300 美金左右。我們假設新能源汽車雙電機的滲透率逐年提升，IGBT 受益于景氣周期先漲價，之后由于技術成熟、市場競爭等因素價格逐漸下降；假設 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)模達到39．78億美元，5 年 CAGR 為 39．4％；中國達到 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。
海外缺芯疊加國內新能源汽車爆發(fā)
國內企業(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體廠商中依然明顯，IGBT 和MOSFET 為代表的功率半導體交期依然維持穩(wěn)中有升態(tài)勢，預計未來四個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。考慮到供給端擴產周期一般需要 9－12 月甚至更長，當前 Fab 廠產能已普遍排至 2023 年，結合新能源汽車和光伏領域需求的持續(xù)增長，預計未來四個季度內仍是供給偏緊狀態(tài)。
結合前節(jié)討論的國內新能源汽車市場的高景氣度，功率半導體市場存在較大供需錯配，行業(yè)缺芯凸顯芯片國產化瓶頸現(xiàn)狀，給予國產廠商難得的“試錯”機會，國產廠商迎來供應鏈導入良機。芯片供應鏈恢復時間不確定，缺芯致使下游需求方提高了對國產芯片產品的試錯容忍度并選擇國產廠商產品以解決部分燃眉之急，為芯片企業(yè)提供了絕佳的導入機會，在得到客戶驗證通過并大規(guī)模放量后，國產芯片廠商將進一步鞏固其行業(yè)地位并實現(xiàn)更高的國產化率和延續(xù)本土化趨勢。部分廠商正抓住國產替代的機遇窗口，在各自領域取得突破，實現(xiàn)業(yè)績規(guī)?？焖僭鲩L。
在新能源汽車領域，國內功率半導體企業(yè)已有進展，部分廠商開始在新能源汽車特別是 A 級車領域實現(xiàn)批量供貨：
比亞迪半導體：
（1）IGBT 領域：據(jù) Omdia 統(tǒng)計，以 2019 年 IGBT 模塊銷售額計算，公司在中國新能源乘用車電機驅動控制器用 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 年公司在該領域保持全球廠商排名第二、國內廠商排名第一的領先地位。
（2）SiC 器件領域：公司已實現(xiàn) SiC 模塊在新能源汽車高端車型電機驅動控制器中的規(guī)?；瘧?，也是全球首家、國內唯一實現(xiàn) SiC 三相全橋模塊在電機驅動控制器中大批量裝車的功率半導體供應商。
斯達半導：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，公司生產的應用于主電機控制器的車規(guī)級 IGBT模塊持續(xù)放量，合計配套超過 60 萬輛新能源汽車，其中 A 級及以上車型配套超過 15 萬輛，同時公司在車用空調，充電樁，電子助力轉向等新能源汽車半導體器件份額進一步提高。同時，公司在用于車用空調、充電樁、電子助力轉向等新能源汽車半導體器件份額進一步提高。
時代電氣：在其新興裝備業(yè)務板塊中，針對新能源汽車行業(yè)已面向市場推出多個平臺的電驅系統(tǒng)產品，應用于純電動、混合動力乘用車，同時已與一汽集團、長安汽車等國內一流汽車制造商開展深入項目合作，實現(xiàn)批量產品交付業(yè)績。此外，公司募投新能源汽車電驅系統(tǒng)研發(fā)應用項目，擬以電驅系統(tǒng)為主推產品，利用公司自主 IGBT 的資源優(yōu)勢，突破扁線／油冷電機集成應用、SiC 模塊應用、雙面冷卻模塊應用等多項研發(fā)應用技術。
士蘭微：2021 年，基于公司自主研發(fā)的 V 代 IGBT 和 FRD 芯片的電動汽車主電機驅動模塊，已在國內多家客戶通過測試，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)級功率模塊產能的建設。2021 年，公司分立器件產品的營業(yè)收入為 38．13 億元，較上年增長 73％。
布局未來：SiC 加速滲透
進一步打開行業(yè)天花板
目前車規(guī)級半導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一步提高，硅基材料在高開關頻率及高壓下?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。
在主要三代化合物半導體材料中，SiC 最適合用于新能源汽車領域，而 GaN更適用于射頻領域。SiC 與 GaN 相比，具有更高的熱導率和崩潰電壓，因此在高溫和高壓領域應用更具優(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 以上的電力領域。在新能源汽車領域，SiC 功率器件將主要用于逆變器、OBC 和 DC／DC 轉換。
SiC 相比傳統(tǒng) Si 基器件主要有三點優(yōu)勢：
（1）體積小、重量輕、散熱強：SiC 的熱導率是 Si 的大約 3 倍，熱量更容易釋放，同時 SiC 的熱損耗更小，因此冷卻部件可采用更小型產品，有利于實現(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，當前 SiC 在新能源汽車領域滲透率較低。由于生產設備、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應用。根據(jù)比亞迪半導體招股說明書，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。
預計 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 37．9 億美元，中國達 21 億美元。根據(jù)產業(yè)鏈調研，通常一輛新能源汽車中整車主驅逆變器、OBC 以及 DCDC 轉換器用到的 SiC 價值量在 900－1000美元左右；假設到 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 37．9 億美元，5年 CAGR 為 64．5％；國內市場達 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 芯片產業(yè)鏈與硅基產業(yè)鏈類似，主要分為晶圓襯底、外延、設計、制造和封裝等環(huán)節(jié)，市場主要由海外廠商掌控，國內碳化硅產業(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％。國內碳化硅各環(huán)節(jié)已實現(xiàn)全產業(yè)鏈布局，但目前國產化率較低，未來有望伴隨內需增長而實現(xiàn)提升。其中，襯底環(huán)節(jié)廠商包括山東天岳、天科合達等，外延廠商包括瀚天天成、東莞天域等，設計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。