2022年功率器件行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

1、2022年功率器件行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析公司功率器件業(yè)務(wù)為 IDM 模式，產(chǎn)品布局完善。功率器件又稱為電子電力器件，是現(xiàn)代 電力系統(tǒng)的核心部件之一，主要運(yùn)用于電能變換和電力控制系統(tǒng)。功率器件大體上可分 為三類：二極管、晶體管和晶閘管。時(shí)代電氣功率器件業(yè)務(wù)涵蓋各型二極管、晶閘管及 晶體管等，具備完整的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及加工工藝，是典型的 IDM 模式（垂直整合模式）企 業(yè)。新能源車、風(fēng)電、光伏及配套輸電設(shè)施的發(fā)展將顯著提升功率器件市場(chǎng)規(guī)模。新能源車驅(qū)動(dòng)方式的改變是功率器件用量增加的主要來源。與傳統(tǒng)燃油車不同，新 能源車驅(qū)動(dòng)多采用電能作為主要的能量來源。電網(wǎng)提供及驅(qū)動(dòng)新能源車電驅(qū)的電 能為交流電，而新能源車的

2、電池儲(chǔ)備電能只能以直流電輸出，此外部分車載用電器 標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓也不盡相同；因此，電網(wǎng)、電池及電驅(qū)之間需采用功率器件實(shí)現(xiàn)電流 的變換。據(jù)英飛凌統(tǒng)計(jì)，2021 年 PHEV 及 BEV 中功率器件單車平均用量可達(dá) 950 美元，未來隨著新能源車不斷放量，車載功率器件成長空間廣闊。光伏及其配套儲(chǔ)能設(shè)施輸出形式為直流電，而居民用電為交流電，因此需要使用逆 變器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換；風(fēng)電波動(dòng)性較大，需要整流器、逆變器進(jìn)行“交-直-交”變換。 根據(jù)英飛凌統(tǒng)計(jì)，2021 年平均每建設(shè) 1 兆瓦光伏發(fā)電設(shè)施需采用 2,000-5,000 歐 元功率器件；風(fēng)電為 2,000-3,500 歐元；儲(chǔ)能設(shè)施為 2,500-3

3、,500 歐元。在輸配電領(lǐng)域，功率器件也扮演十分重要的角色，包括 IGBT、IGCT 及晶閘管在 內(nèi)的多種基礎(chǔ)器件構(gòu)成了逆變器、整流器、高壓直流換流變壓器、罐式斷路器以及 高壓直流開關(guān)在內(nèi)的關(guān)鍵產(chǎn)品，應(yīng)用于特高壓輸電等關(guān)鍵工程，用量可達(dá)數(shù)億元。 我國清潔能源與用電側(cè)分布在地域上有差異，特高壓直流輸電可大幅降低線損，因 此，伴隨光伏、風(fēng)電的建設(shè)，特高壓直流輸電工程也有望按下加速鍵。我們認(rèn)為，新能源車、光伏、風(fēng)電及特高壓輸電等方面的需求將成為功率器件未來主要 的增長點(diǎn)；同時(shí)，國內(nèi)工控、家電等領(lǐng)域仍存在較大國產(chǎn)替代空間。1.IGBT：技術(shù)、產(chǎn)能領(lǐng)先，乘新能源東風(fēng)業(yè)績將爆發(fā)絕緣柵雙極晶體管，即 IGB

4、T，是由 BJT 和 MOS 組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半 導(dǎo)體器件，兼有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降兩方面優(yōu)點(diǎn)。1700V 以上的高壓 IGBT 主要應(yīng) 用于軌交、輸電、風(fēng)電及大功率工業(yè)領(lǐng)域；1200V 及以下的低壓 IGBT 則用于光伏、新 能源車及家電等領(lǐng)域。IGBT 按照封裝模式分為三種，即 IGBT 單管/裸片、IGBT 模組以及集成了邏輯、控制、 檢測(cè)和保護(hù)電路的智能功率模塊 IPM，也是最主要的三種銷售模式。從全球市場(chǎng)規(guī)模來 看，國內(nèi)部分企業(yè)占有一定的市場(chǎng)份額，但總體上仍被海外企業(yè)壟斷。我國上榜企業(yè)中， 斯達(dá)半導(dǎo)是 Fabless 模式，具備芯片設(shè)計(jì)和模組封裝能力；士蘭微是 IDM

5、 模式，集設(shè) 計(jì)、制造、封裝于一體，與時(shí)代電氣相同。據(jù)英飛凌統(tǒng)計(jì) 2020 年全球 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模已增長至 66.5 億美元，2016 年以來 CAGR 為 10.93%。2016 年以前市場(chǎng)規(guī)模的萎縮主要系傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域已被充分開發(fā)，行業(yè)進(jìn)入 玩家出清前的“內(nèi)卷”階段所致。新能源需求的爆發(fā)，將改變過去以家電、工業(yè)變流等 需求主導(dǎo)的局面，同時(shí)將顯著提升市場(chǎng)規(guī)模，改變傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)格局。乘新能源東風(fēng)，IGBT 市場(chǎng)需求爆發(fā)。 IGBT 在硅片上加工制成，基本單元為元胞，元胞數(shù)量越多其承載工作電流越大；元胞 體積相對(duì)固定，因此功率需求越高，芯片面積需求越大。以晶圓需求量為基準(zhǔn)，我們將 從新能源車、光伏

6、、風(fēng)電等三個(gè)領(lǐng)域梳理行業(yè)需求情況，刨析未來行業(yè)供需格局變化。測(cè)算 2025 年新能源車 IGBT 晶圓產(chǎn)能需求約為 94.82 萬片/月。新能源車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是 IGBT 主要的應(yīng)用領(lǐng)域，單電驅(qū)使用一般 6 個(gè)車載 IGBT 模組構(gòu) 成三相半橋電路，每個(gè)模組中共封裝 6 顆 IGBT 芯片及 3 顆或 6 顆 FWD 芯片，每輛新 能源車共使用 36 顆 IGBT 芯片和 18/36 顆 FWD 芯片。低端車型中一般使用 1 支電驅(qū)， 而中高端車型則配備 2-3 支。此外，其他車載系統(tǒng)，如 OBC、車窗、充電樁等系統(tǒng)中同 樣含有數(shù)顆 IGBT 芯片。圖：智新半導(dǎo)體車載 IGBT 模組內(nèi)部構(gòu)成以上

7、述數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，我們假設(shè) 2025 年全球新能源車銷量將增長至 2318 萬輛，測(cè)算出 到 2025 年，8 英寸 IGBT 晶圓產(chǎn)能需求將達(dá)到 94.82 萬片/月，相比 2021 年增長超過 77.69 萬片/月。測(cè)算 2025 年光伏、風(fēng)電相關(guān) IGBT 晶圓需求量為 26.64 萬片/月。在光伏系統(tǒng)中，IGBT 主要用于光伏逆變器，將直流電轉(zhuǎn)化為交流電并接入電網(wǎng)，具體 用在 MPPT 模塊和逆變模塊：MPPT 模塊（全稱 Maximum Power Point Tracking）即最大功率點(diǎn)跟蹤模塊，它 的作用是調(diào)整逆變模塊的輸入電壓，使得輸出功率最大化。因此，MPPT 通常與一 個(gè)包含

8、 IGBT 模塊的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器相連，將可變直流電壓轉(zhuǎn)換為固定直流電壓。逆變模塊是光伏逆變器的核心模塊，DC / AC 變換單元利用 IGBT 將直流電轉(zhuǎn)換成 與電網(wǎng)兼容的交流電。兩電平拓?fù)浠蛉娖酵負(fù)涠伎捎糜谠搯卧獙?shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。在采用全功率轉(zhuǎn)換器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)通過轉(zhuǎn)換器與電網(wǎng)完全解耦，整個(gè)風(fēng)力發(fā) 電機(jī)的能量從轉(zhuǎn)換器中經(jīng)過。常見的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中通常含有 AC-DC 和 DC-AC 兩個(gè) 模塊，實(shí)現(xiàn)“交-直-交”的變換，而這兩個(gè)模塊均需利用 IGBT 實(shí)現(xiàn)。假設(shè)每兆瓦光伏、風(fēng)電及儲(chǔ)能設(shè)施中的 IGBT 晶圓用量為 4.4 千片，同時(shí)考慮光伏逆變 器裝機(jī)容配比概念，我們測(cè)算為滿足 2

9、025 年光伏、風(fēng)電及儲(chǔ)能對(duì) IGBT 晶圓產(chǎn)能需求 約 26.64 萬片/月，相對(duì) 2021 年增長約 17.79 萬片/月。IGBT 長期供不應(yīng)求的局面已然確立，時(shí)代電氣有望深度受益。在不考慮 SiC 及 IGCT 滲透的情況下，預(yù)計(jì) 2025 年 IGBT 晶圓月產(chǎn)能需求約 120 萬片 /月，為保證供需缺口不被進(jìn)一步擴(kuò)大，2021-2025 年新增產(chǎn)能約為 96 萬片/月。但新增 產(chǎn)能往往受到兩方面的限制：一方面，晶圓廠建設(shè)周期、良率提升周期較長，自建設(shè)起 至投產(chǎn)需要 2-3 年，同時(shí)專業(yè)人才缺口較大，從技術(shù)角度，晶圓廠產(chǎn)能難以實(shí)現(xiàn)爆發(fā)； 另一方面，產(chǎn)線額度投資較高，以比亞迪半導(dǎo)體購置

10、的投資的功率器件產(chǎn)線為例，3 萬 片月產(chǎn)能對(duì)應(yīng)投資額約為 49 億元，合理推測(cè)建設(shè) 96 萬片月產(chǎn)能的資本性支出或高達(dá) 1568 億元，全球龍頭及國內(nèi)廠商相關(guān)資本性支出合計(jì)遠(yuǎn)低于需求量。我們判斷 IGBT 長 期供需缺口將長期存在。時(shí)代電氣 IDM 模式企業(yè)將深度受益。2021 年，包括寶馬、大眾、本田及國內(nèi)新勢(shì)力等 車企在內(nèi)均遭受因“缺芯”導(dǎo)致的停產(chǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，“缺芯”已造成全球車企損失逾 600 億美元，因此車企未來或?qū)⒏又匾暽嫌涡酒漠a(chǎn)能保障；Fabless 模式企業(yè)使用 外協(xié)產(chǎn)能，一旦代工廠出現(xiàn)產(chǎn)能擠壓，其自身產(chǎn)能難以保障；出于供應(yīng)鏈安全考慮，未 來相關(guān)企業(yè)或?qū)?IGBT 訂單傾

11、斜給擁有產(chǎn)能保障的 IDM 模式芯片供應(yīng)商，時(shí)代電氣有 望深度受益。技術(shù)實(shí)力突出，IDM 協(xié)同效應(yīng)凸顯。迄今為止，以英飛凌產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)，IGBT 芯片共有 7 代，核心技術(shù)節(jié)點(diǎn)按內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分 為穿通型（PT）、非穿通型（NPT）、場(chǎng)截止型（FS）三種；按表面結(jié)構(gòu)可分為平面柵、 溝槽柵和微溝槽柵。最先進(jìn)的微溝槽+FS 型 IGBT 可大幅提升高開關(guān)速度、開關(guān)頻率和 功率密度，同時(shí)降低損耗和面積，大多應(yīng)用于新能源車電驅(qū)系統(tǒng)及光伏逆變器等領(lǐng)域。時(shí)代電氣 IGBT 芯片技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先。在整合 Dynex 的 IGBT 業(yè)務(wù)基礎(chǔ)之上，時(shí)代電氣構(gòu) 建了以“溝槽+軟穿通”與“精細(xì)溝槽”兩代技術(shù)為支撐的低壓溝槽柵

12、 IGBT 技術(shù)體系、 以“U”型槽與軟穿通為核心的高壓平面柵 IGBT 芯片技術(shù)體系，分別應(yīng)用于新能源車、 光伏及軌交、特高壓輸電等領(lǐng)域。此外，公司還掌握了全套背面減薄工藝，大幅降低芯 片開關(guān)及靜態(tài)損耗。模組設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)豐富，自動(dòng)化封裝產(chǎn)線保障產(chǎn)能及產(chǎn)品質(zhì)量。封裝技術(shù)直接關(guān)系到 IGBT 的壽命及魯棒性。車載領(lǐng)域要求更高，IGBT 封裝形式常采用水冷散熱，目前共有 單面間接水冷、單面直接水冷及雙面間接水冷等三代技術(shù)；最先進(jìn)的第三代冷卻模組封 裝技術(shù)業(yè)內(nèi)尚未形成批量應(yīng)用，但公司已著手研發(fā)，進(jìn)一步提高其在新能源車領(lǐng)域的核 心競(jìng)爭(zhēng)力。目前，時(shí)代電氣的自動(dòng)化封裝產(chǎn)線產(chǎn)品一致性高，可實(shí)現(xiàn) 724 小

13、時(shí)生產(chǎn)， 達(dá)產(chǎn)后預(yù)計(jì)可滿足 240 萬臺(tái)新能源汽車的需求。IDM 協(xié)同效應(yīng)凸顯，“應(yīng)用-設(shè)計(jì)-制造”三位一體加速需求響應(yīng)。IGBT 芯片產(chǎn)品型號(hào)眾 多，內(nèi)部芯片連接方式及配比也各不相同，因此，在新應(yīng)用領(lǐng)域切入階段，往往需要多 個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)相互配合。新能源車使用的 IGBT 產(chǎn)品型號(hào)大多需求定制，同時(shí)其配套的芯 片產(chǎn)線、封裝產(chǎn)線均需要通過車企認(rèn)證，過程要求嚴(yán)格，時(shí)間跨度長。Fabless 模式的 IGBT 企業(yè)的業(yè)務(wù)布局缺少芯片制造環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過程的 “脫節(jié)”使得其難以快速應(yīng)對(duì)下 游需求變化。反觀 IDM 模式，該模式下 IGBT 的所有生產(chǎn)流程均屬于同一家公司，業(yè)務(wù) 協(xié)同能力強(qiáng)。短期來看，IDM

14、模式可靈活應(yīng)對(duì)需求變化，在暫時(shí)的“缺芯”時(shí)間窗口下， 可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速導(dǎo)入；長期來看，IDM 模式企業(yè)可針對(duì)各種應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)不同型號(hào)產(chǎn)品， 進(jìn)行差異化競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)一步拓寬護(hù)城河。2.IGCT：賽道卡位，與風(fēng)電同行市場(chǎng)空間迎擴(kuò)容大功率領(lǐng)域，IGCT 或?qū)⑻娲?IGBT 成為主流。IGCT，即集成門極換流晶閘管，于 1997 年提出，晚于 IGBT。IGCT 將 GTO 芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起， 再與其門極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接而成，結(jié)構(gòu)更加簡單，可實(shí)現(xiàn)高壓大容量能 量轉(zhuǎn)換、損耗更低。圖：IGCT 應(yīng)用范圍涵蓋輸電網(wǎng)、風(fēng)電、軌交及冶金等大功率場(chǎng)景由于 IGCT 結(jié)合 IGBT

15、與 GTO 二者的優(yōu)勢(shì)，在高壓、大電流各種應(yīng)用領(lǐng)域中可靠性更 高、成本更低。以 4.16kV 的變頻器為例，該設(shè)備中的逆變器需要約 24 個(gè)高壓 IGBT， 或 60 個(gè)低壓 IGBT，若采用 IGCT，則只需 12 個(gè)。由于結(jié)構(gòu)更簡單、體積更小，采用 IGCT 的變頻器在設(shè)計(jì)難度、散熱及魯棒性上可以展現(xiàn)出更加優(yōu)良的性能和成本優(yōu)勢(shì)。時(shí)代電氣前瞻布局 IGCT 實(shí)現(xiàn)賽道卡位，未來或充分受益于市場(chǎng)擴(kuò)容。過去 IGCT 應(yīng)用 場(chǎng)景十分有限，僅集中在軌交和冶金等少數(shù)領(lǐng)域，市場(chǎng)空間小，全球僅時(shí)代電氣和 ABB 具備量產(chǎn)能力。根據(jù)清華大學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移研究院材料，在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)景下，每 GW 約采用 1 萬只 4

16、.5kV 以上 IGCT 器件，單只價(jià)格約為 2 萬元。2020 年，國內(nèi)新增風(fēng)電裝機(jī)量約 為 10GW，據(jù)此推測(cè)，僅國內(nèi)市場(chǎng)空間就高達(dá) 20 億元。我們認(rèn)為，時(shí)代電氣作為少數(shù) 已經(jīng)具備 IGCT 批量生產(chǎn)能力的供應(yīng)商，將充分受益于光伏建設(shè)大趨勢(shì)下的市場(chǎng)擴(kuò)容。3.SiC：前瞻布局理想材料，未來有望替代 IGBT硅基器件逼近物理極限，化合物半導(dǎo)體前景廣闊。目前絕大多數(shù)的半導(dǎo)體器件和集成電 路都是由硅制作的，出色的性能和成本優(yōu)勢(shì)讓硅在集成電路等領(lǐng)域占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，無 論是在電力電子領(lǐng)域還是通信射頻等領(lǐng)域，硅基器件在低壓、低頻、中功率等場(chǎng)景，應(yīng) 用也非常廣泛。但在一些高功率、高壓、高頻、高溫等應(yīng)用領(lǐng)

17、域如新能源和 5G 通信等， 硅基器件的表現(xiàn)逐漸達(dá)不到理想的要求，以三五族為代表的化合物半導(dǎo)體以其性能優(yōu)勢(shì) 在通訊射頻、光通信、電力電子等領(lǐng)域逐步大規(guī)模民用化。新能源車帶動(dòng)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)需求快速擴(kuò)容，SiC 功率器件或迎替代機(jī)遇。SiC 材料擁 有寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高電子遷移率以及抗輻射等特性，SiC 基的 SBD 以 及 MOSFET 更適合在高頻、高溫、高壓、高功率以及強(qiáng)輻射的環(huán)境中工作。在功率等 級(jí)相同的條件下，采用 SiC 器件可將電驅(qū)、電控等體積縮小化，滿足功率密度更高、設(shè) 計(jì)更緊湊的需求，同時(shí)也能使電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程更長。據(jù)天科合達(dá)招股說明書，美國特斯 拉公司的 Model3 車型便采用了以 24 個(gè) SiC MOSFET 為功率模塊的逆變器，是第一家 在主逆變器中集成全 SiC 功率器件的汽車廠商；目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車 載充電系統(tǒng)中使用 SiC 功率器件；此外，SiC 器件應(yīng)用于新能源汽車充電樁，可以減小 充電樁體積，提高充電速度。SiC 的優(yōu)勢(shì)同樣適用于光伏、風(fēng)電領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)光伏逆變器的“高轉(zhuǎn)換效率”和“低能 耗”提供了所需的低反向恢復(fù)