功率半導體行業(yè)研究-乘新能源汽車東風而起

功率半導體行業(yè)研究：乘新能源汽車東風而起1、

新能源汽車東風已至，功率半導體乘風而起1.1、

全球新能源汽車銷量快速增長，滲透率不斷提升隨著全球環(huán)保政策日益趨嚴、能源結構改善要求日益迫切，各國紛紛制定新能源

汽車的發(fā)展規(guī)劃，以純電、油電混合為主要動力形式的新能源汽車進入快速發(fā)展期，

汽車電動化為大勢所趨。根據(jù)中國汽車工程學會編制的《節(jié)能與新能源技術路線圖

2.0》，到

2025

年我國

新能源汽車在新車銷量中滲透率將達到

20%。根據(jù)中汽協(xié)預測，2025

年我國汽車銷

量有望達

3000

萬輛，以

20%的滲透率計算，屆時我國新能源汽車銷量有望達

600

萬

輛。而到

2035

年，新能源汽車更將成為主流，占總銷量

50%。

據(jù)

EVSales數(shù)據(jù)，2020

年全球新能源乘用車銷量達

312.48

萬輛，即使在全球汽

車市場萎縮的情況下，新能源乘用車仍保持了

41.40%的高速增長。據(jù)

EVTank預測，

至

2025

年，全球新能源汽車銷量有望達到

1200

萬輛。1.2、

新能源車用半導體價值量提升，功率半導體提升最為顯著汽車的智能化和電動化趨勢正明顯帶動車用半導體的價值量提升。汽車智能化

涵義主要包括汽車智能駕駛、智能座艙、網(wǎng)聯(lián)化等，在普通車輛的基礎上增加了先進

的傳感器（雷達、攝像）、控制器、執(zhí)行器等裝置，通過車載傳感系統(tǒng)和信息終端實

現(xiàn)與人、車、路等的智能信息交換，顯著提升乘坐體驗，實現(xiàn)輔助駕駛乃至自動駕駛。

汽車智能化主要帶動車用數(shù)字芯片、傳感器芯片及存儲芯片等的用量。電動化是指動力電池替代燃油成為汽車的動力來源，電動機負責將動力電池的

化學能轉化為汽車的動能。在這一過程中，用于電能功率轉換的功率半導體用量將

得到顯著提升。功率半導體顯著受益電動化趨勢，是車用半導體中價值量提升最為

顯著的類別之一。以英飛凌數(shù)據(jù)為例，48V輕混車輛中半導體價值總量為

572

美元，其中功率半

導體含量僅為

90

美元，這是因為

48V輕混車輛的驅動動力仍然為內(nèi)燃機，電機僅作

輔助輸出扭矩的作用。然而在插混和純電車型中，電動機成為了主要的動力輸出來

源，功率半導體的平均價值量上升到

330

美元，整體單車半導體含量也上升至

834

美

元。因此在汽車的電動化進程中，功率半導體的用量和價值量增長最為顯著。2、

功率半導體深度受益電動化趨勢，增長勢不可擋2.1、

IGBT是新能源車高壓系統(tǒng)核心器件，深度受益電動化趨勢新能源汽車母線電壓通常在

400V左右，而

IGBT是一種耐高壓、高頻的電力電

子開關器件，其額定電壓通常在

600V以上，因此

IGBT在汽車上的應用主要以高壓

電能變換為主，最核心的應用為主驅逆變。其余應用也包括車載

OBC及電池管理/車載空調(diào)/轉向助力等高壓輔助系統(tǒng)，此

外也應用于各類直流和交流充電樁。主驅逆變是

IGBT在新能源汽車上價值量最大的應用。IGBT是新能源汽車電驅

系統(tǒng)的核心，直接影響到新能源汽車的行駛性能。純電動汽車和混合動力汽車中動

力電池輸出的是直流電，而目前市場上絕大多數(shù)驅動電機需要使用交流電驅動，IGBT在電驅系統(tǒng)中的作用就是

DC-AC逆變，將動力電池輸出的直流電逆變成可供交流電

機使用的交流電。車載充電器（onboardcharger；OBC）是固定安裝在電動汽車上的控制和調(diào)整蓄

電池充電的電能轉換裝置。而

IGBT/MOSFET等功率器件在車載充電器（OBC）上

的作用是調(diào)整輸入的充電電流和電壓，使其滿足動力電池的充電要求。其工作原理為：市電（220V交流電）經(jīng)過

OBC中的整流模塊變?yōu)橹绷麟?，?/p>

過穩(wěn)壓濾波電容后進入

DC-DC轉換模塊，經(jīng)過直-直變換輸出合適電壓的直流電給

動力電池充電。IGBT或高壓

MOSFET等開關器件則是

OBC中

DC-DC轉換模塊實

現(xiàn)功能的核心功率器件。IGBT模塊還可以用于輔助功率逆變器，為車載空調(diào)系統(tǒng)等設備供電。出于效率

的考慮，新能源汽車有許多應用采用高壓供電，如空調(diào)壓縮機、EPS電動助力轉向、

主動底盤控制等。IGBT可用于以上這些輔助系統(tǒng)的

DC-AC逆變/DC-DC變壓，使電

流電壓符合負載端的用電需求。除了直接裝載于新能源汽車上的應用，IGBT亦是直流充電樁的核心功率器件。

與在

OBC中的功能類似，IGBT在直流充電樁中的作用也是

DC-DC變壓。直流充電

樁的一端與交流電網(wǎng)相連，通過整流功率模塊將工頻交流電轉換為直流電，流經(jīng)

DCLINK電容穩(wěn)壓濾波進入

DC-DC變壓環(huán)節(jié)：直流電流通過逆變功率模塊逆變?yōu)楦哳l

交流電，最后由變壓器耦合及整流單元將其轉換為不同的直流電壓等級，為電動汽

車充電。2.2、

MOSFET在低壓系統(tǒng)應用廣泛，未來用量將持續(xù)提升汽車上的各類供電器件都是直接從蓄電池取電的，蓄電池電壓通常有24V和12V兩種。而新能源汽車的動力電池電壓普遍高達

300-400V，因此新能源汽車高壓和低

壓系統(tǒng)之間需要功率器件進行調(diào)壓，實現(xiàn)高低壓系統(tǒng)之間的電能流動。蓄電池所支持的終端用電器的電壓則是多種多樣，有

5V、3.3V乃至

50V的高

壓。因此在電源模塊需要各種各樣的電壓轉換，無論是升壓還是降壓都是隨著

MOS管的不斷開閉而逐步變化的。以汽車照明為例，一輛車上有遠光燈、近光燈、轉向燈、日間行車燈、霧燈、示

廓燈等

LED車燈，這些燈珠所需電壓電流等級不一，蓄電池的

12V直流電需要通過

MOSFET的調(diào)節(jié)才能滿足終端用電器的需求。此外，高端車型還配備大燈位置調(diào)節(jié)、

散熱風扇等功能，所匹配的無刷直流電機亦需要通過功率半導體進行電能轉換。隨著汽車上電子部件的增多，MOSFET在汽車上的應用也與日俱增。我們統(tǒng)計

了英飛凌提供的新能源汽車

MOSFET解決方案，單車分立

MOSFET器件用量可達

接近

200

個（不同車型因電子部件不同，用量會有所差別），若統(tǒng)計集成化設計的

Switch、PMIC等功率半導體產(chǎn)品，整車低壓系統(tǒng)所用功率半導體產(chǎn)品用量將更大。

據(jù)英飛凌預計，高端新能源汽車上

MOSFET的用量可達

400

個左右。3、

功率半導體加速國產(chǎn)替代，國產(chǎn)企業(yè)嶄露頭角3.1、

國產(chǎn)替代進度總體加快，車規(guī)器件準入門檻高我國功率半導體產(chǎn)業(yè)起步晚，基礎低，在整體的技術實力和市場占有率上與海外

廠商仍有較為明顯的差距。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，我國在中高端

MOSFET及

IGBT器件市場上，90%依賴進口，市場基本被歐美、日本企業(yè)壟斷。全球范圍來看，前十

大功率半導體廠商均為海外廠商，合計占據(jù)

60%的市場份額。產(chǎn)能緊張及地緣政治因素帶來國產(chǎn)替代契機，部分企業(yè)開始嶄露頭角。2017-

2018

年前后，全球功率半導體產(chǎn)能緊張，海外廠商器件交期延長，客戶需求得不到

滿足。由此部分國內(nèi)客戶開始對國產(chǎn)功率器件進行供應認證，按下了功率半導體國

產(chǎn)替代加速鍵。此外，在中興、華為等地緣政治事件，以及中美貿(mào)易摩擦催化下，功

率半導體國產(chǎn)供應鏈的建立亦成為剛需。國產(chǎn)功率半導體廠商迎來國產(chǎn)替代的契機，

行業(yè)加速發(fā)展。車規(guī)產(chǎn)品認證要求高，國產(chǎn)功率器件替代在汽車領域的替代總體仍處于較為初

步的階段。汽車半導體產(chǎn)品的認證壁壘主要來自兩方面，一方面是

ISO（國際化標準

組織）、AEC-Q（汽車電子委員會）等國際組織的標準認證，是車規(guī)供應的進入門檻；另一方面是來自各家整車廠自身嚴格的標準認證。車規(guī)認證流程周期長、項目多、標

準高，對供應商的生產(chǎn)流程、生產(chǎn)設施、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品穩(wěn)定性及安全性都提出了較

高要求，形成了較高的進入門檻。目前我國功率半導體企業(yè)已經(jīng)全面進入消費級、中

低端工業(yè)領域的供應，在汽車市場的供應滲透總體仍較為初步。3.2、

微型車為突破口，國產(chǎn)主驅

IGBT發(fā)展加速IGBT發(fā)明于上個世紀

80

年代，海外產(chǎn)品發(fā)展已有

40

年左右的時間，龍頭廠商

英飛凌推出

7

代

IGBT產(chǎn)品。經(jīng)過追趕，我國

IGBT企業(yè)的技術和生產(chǎn)水平有了較大

的進步，目前我國部分領先的

IGBT企業(yè)能夠量產(chǎn)對標英飛凌

5-6

代的技術水平，與

國際領先廠商技術水平仍有差距，但差距在不斷縮小。在車規(guī)

IGBT市場份額上國內(nèi)企業(yè)占比仍較小，國產(chǎn)替代空間大。據(jù)

Yole數(shù)據(jù)，

2019

年全球

IGBT市場達

63.4

億美元。據(jù)

Omdia數(shù)據(jù)，2019

年國內(nèi)僅有斯達半導以

2.5%的市占率進入了全球前十大

IGBT模塊供應商，國內(nèi)企業(yè)開始嶄露頭角，但在

市場份額上與海外廠商差距仍較大。國產(chǎn)車規(guī)

IGBT模塊借助我國肥沃的汽車市場土壤，在近幾年取得了長足的進

步。據(jù)

EVSales，我國

2020

年新能源乘用車銷量

127.19

萬輛，占全球銷量的

40.7%。

同時，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到較大的政策扶持，經(jīng)過十余年的快速發(fā)展，已經(jīng)建立

了從電池、電機、電控等核心零配件到整車裝配、自主品牌的完整自主產(chǎn)業(yè)鏈，為汽

車半導體的逐步自主化提供了良好的土壤。A00

級別新能源汽車在續(xù)航里程、輸出功率等方面的標準相對

A級車及

SUV較

低，品牌車型眾多的

A00

級別新能源車對采用國產(chǎn)

IGBT模塊的驗證測試秉持更為

開放的態(tài)度。因此，以

A00

級微型新能源車為主要突破口，國產(chǎn)廠商在車規(guī)主驅逆

變

IGBT模塊領域取得了快速發(fā)展。以斯達半導為例，其生產(chǎn)的汽車級

IGBT模塊現(xiàn)階段主要配套

A00

級新能源汽

車，實現(xiàn)配套超過

20

家終端汽車品牌，2019

年合計配套超過

16

萬輛車，2020

年合

計配套超過

20

萬輛車。據(jù)乘聯(lián)會數(shù)據(jù)，2019

年我國

A00

級純電動車銷售

23.22

萬

輛，因此公司IGBT模塊在2019年的A00級新能源汽車市場中的占有率已接近70%。

此外，比亞迪半導體依靠自有整車平臺實現(xiàn)累計逾百萬輛的

IGBT模塊裝車量、中車

時代半導體及士蘭微等廠商也實現(xiàn)了車規(guī)

IGBT供應零的突破。根據(jù)佐思汽研的數(shù)據(jù)，按照銷量數(shù)據(jù)來看，2019

年英飛凌在中國新能源汽車

IGBT領域排名第一，占比高達

49.3%，其次是比亞迪，主要給比亞迪品牌車型配套，

占比

20%，斯達半導體位居第三，市占率達到

16.6%。造車“新勢力”或將率先開啟

A級及以上車型的主驅

IGBT模塊自主化進程。

以蔚來、理想、小鵬等為代表的國內(nèi)造車“新勢力”的車型開發(fā)周期相對傳統(tǒng)車企更

短、造車理念更為激進；相比合資、外資品牌的車企，大部分“新勢力”廠商對海外

汽車半導體供應商的議價權不足，因此其出于成本控制和供應鏈保障的原因也更愿

意嘗試引入國產(chǎn)供應商。國產(chǎn)

IGBT模塊廠商有望先通過造車“新勢力”廠商進軍

A級乃至更高級的新能源汽車市場。展望未來，新能源汽車

A00-A0

級別市場占比將逐步下降，A級及以上市場占比

提升，國內(nèi)企業(yè)一旦突破

A級車型供應，也將受益新能源汽車消費升級帶來的量價

齊升。2017-2019

年，A00-A0

級別純電動車銷售占比逐年下降，從

2017

年的

61%下降

到

2019

年的

22%。這反映出新能源汽車技術的日漸完善，續(xù)航里程和充電技術的發(fā)

展讓新能源汽車主要使用場景不再只局限于城市內(nèi)通勤代步，消費者不再把購買

A00

級別新能源車當做一種“試水”、“將就”的選擇，新能源汽車領域的消費升級趨

勢明顯。2020

年，隨著五菱宏光

MiniEV這一現(xiàn)象級的微型電動車推出，提振了

A00

級別電動車的銷量，銷售占比再次上升到

33%。然而長期來看，我們認為隨著技術

進步以及消費者對電動車品質(zhì)需求的升級，電動車的消費結構升級將是一個勢不可

擋的長期趨勢。國內(nèi)

IGBT有希望受益國產(chǎn)替代大勢，掘金

A級及以上新能源汽車

IGBT模塊的廣闊市場。3.3、

國內(nèi)領先

MOSFET廠商初步進入車規(guī)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈MOSFET市場空間廣闊，下游市場分散，我國

MOSFET企業(yè)市占率低。2019

年，我國本土龍頭企業(yè)華潤微以

3.00%市占率位列全球第九大

MOSFET供應商。被

我國

ODM龍頭企業(yè)聞泰科技收購的安世半導體則以

4.10%的市占率位列全球第八

大供應商。近年來國內(nèi)

MOSFET企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)明顯進步、產(chǎn)品矩陣迅速完善、代工/晶

圓制造水平不斷提高，為全面進入車規(guī)供應鏈打下了基礎。產(chǎn)品方面，以華潤微、士蘭微、華微電子、新潔能等為代表的企業(yè)，均建立起比

較完備的產(chǎn)品體系，不僅有供應平面型、溝槽型（Trench）這類比較成熟的

MOSFET種類的能力，也基本具備隔離柵（SGT）、超級結（SJ）等先進種類的

MOSFET的能

力，并且本土頭部企業(yè)的

MOSFET產(chǎn)品線也基本做到比較完整的電壓、電流覆蓋。

此外，聞泰科技則通過外延并購，將汽車

MOSFET/二極管領先供應商安世半導體收

入麾下，有望使得我國

MOSFET的車規(guī)供應能力實現(xiàn)快速提升。相對

IGBT，目前車用

MOSFET的國產(chǎn)化程度更低。我們認為原因主要有二，

首先

MOSFET在汽車上應用的總價值量相對

IGBT更少，即在整車成本中的占比更

小，采用國產(chǎn)器件對于車企降本的邊際作用更小。其次，汽車

MOSFET應用更為分

散，且多為低壓、輔助系統(tǒng)，重要性次之；且

MOSFET作為比較標準化的產(chǎn)品，國

內(nèi)外

MOSFET供應商眾多，供應安全總體更有保障，建立國內(nèi)供應鏈的迫切性相對

次之。目前國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、制造工藝、封裝能力正不斷提升，未來有希望全面

進入車規(guī)

MOSFET產(chǎn)品的供應。4、

第三代半導體性能優(yōu)異，已開啟逐步滲透SiC屬于第三代半導體材料，以其制作成的功率器件性能優(yōu)異。SiC具有高臨界

磁場、高電子飽和速度與極高熱導率等特點，使得其器件適用于高壓、高頻、高溫的

應用場景，相較于硅器件，可以顯著降低開關損耗。因此，SiC可以制造高耐壓、大

功率的電力電子器件，下游主要用于智能電網(wǎng)、新能源汽車等行業(yè)。新能源汽車市場的蓬勃發(fā)展將帶動

SiC功率器件的市場需求。SiC功率器件能

滿足新能源汽車多方位的需求，給新能源汽車帶來諸多方面的性能升級。

在相同功率等級下，全

SiC模塊的封裝尺寸顯著小于

Si模塊。SiC用在車用逆

變器上，能夠大幅度降低逆變器尺寸及重量，做到輕量化。以

Rohm給全球頂級電動

方程式賽車

FormulaE提供的全

SiC功率模塊為例，該模塊使得逆變器的重量減少了

6

千克，尺寸縮小了

43%。其次，SiC功率模塊與硅基

IGBT功率模塊相比，可大幅減少開關損失，給新能

源汽車電驅系統(tǒng)帶來直接的效率提升，進而減少電力損失，增加新能源汽車的續(xù)航

能力。采用

Rohm全

SiC模塊的逆變器相對于采用硅基功率模塊的逆變器減少了

75%

的開關損失。由于

SiC器件的高熱導率，其散熱性能優(yōu)異，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，間接提

升了新能源汽車的工作穩(wěn)定性和安全性。并且

SiC器件的能量損耗小，發(fā)熱量也更

小，散熱處理也更容易進行，不但散熱器體積可以顯著減小，還可以實現(xiàn)逆變器與電

機的一體化。此外，SiC器件在車載

OBC、DC/DC等系統(tǒng)也已開啟滲透。新能源汽車滲透普

及亟需解決的一個問題就是提高充電效率、縮短充電時間。高壓快充越來越普及，對

OBC所用功率半導體的性能和穩(wěn)定性要求也越來越高，因此

SiCMOSFET已經(jīng)開啟

了

OBC領域的滲透。以全球領先的第三代半導體功率器件

Wolfspeed提供的

OBC解

決方案為例，6.6KWOBC中使用

SiC方案會帶來功率密度的提升以及

2.5%的效率

提升，22KWOBC中使用

SiC方案會帶來功率密度的提升以及

2%的效率提升。此

外，采用

SiC方案還能帶來明顯的系統(tǒng)成本、運行成本及碳排放的成本節(jié)省。所

此外，隨著技術的進步和產(chǎn)品設計的升級，高壓電源系統(tǒng)集成化趨勢明顯。如在

如特斯拉等新能源汽車制造商的新款產(chǎn)品中，OBC被同

DCDC或

BMS等整合在一

起，形成“黑箱式”結構，這對產(chǎn)品功率密度、熱管理性能等提出了更高的要求，使

用

SiC方案的優(yōu)勢明顯。根據(jù)

Yole預測，2019-2025

年功率

SiC市場將由

5.41

億美元增長至

25.62

億美

元，年均復合增速高達約

30%。其中新能源汽車市場（含主驅逆變、車載

OBC、DCDC轉換）為最大的增量來源，市場空間將從

2.25

億美元增長至

15.53

億美元。第三代半導體現(xiàn)階段的滲透瓶頸主要是成本過高，尤其是襯底的成本高企。以

SiC為例，不同于

Si材料，SiC材料無法用熔體提拉法制備，主要是因為在現(xiàn)有的實

驗條件所能達到的壓力條件下，SiC沒有熔點，只是在

1800℃以上時升華為氣態(tài)。

其次，在現(xiàn)有實驗條件所能達到的溫度條件下，C在

Si熔體中的溶解度也非常小。

因此現(xiàn)有

SiC單晶的制備常使用

PVT法，該方法不可實施監(jiān)控，相當于黑匣子操作，

生長出來的單晶位錯多，質(zhì)量難以提高。此外該方法生長速度較慢、難以生長形成大

晶體，規(guī)?；a(chǎn)效率低。當前全球市場上，6

英寸

SiC襯底已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，主流幾家大廠商推出

8

英寸

襯底樣品。據(jù)

CASA預計，5

年內(nèi)

8

英寸將全面商用。隨著

6

英寸

SiC單晶襯底和

外延晶片的缺陷降低和質(zhì)量提高、8

英寸產(chǎn)線有望逐步實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，SiC器件制

造成本將持續(xù)下降，推進

SiC器件和模塊的普及。據(jù)

CASA統(tǒng)計，SiC、GaN的價格近幾年快速下降，2020

年較

2017

年下降了

50%

以上，主流產(chǎn)品與

Si基器件的價差也在持續(xù)縮小，基本已達到

4

倍以內(nèi)?？紤]系統(tǒng)

成本的節(jié)省和能耗因素，SiC及

GaN模組已經(jīng)有一定的競爭力。5、重點企業(yè)分析5.1、

斯達半導：IGBT國產(chǎn)替代領頭羊，車規(guī)

IGBT供應破冰者公司成立于

2005

年

4

月，十幾年來始終專注于以

IGBT為主的功率半導體芯片

和模塊的設計、研發(fā)及生產(chǎn)。公司不斷技術積累，在技術路線上走先模塊、后芯片；

先工業(yè)、后車規(guī)的路徑，從易到難，不斷突破，快速成長為國內(nèi)

IGBT龍頭企業(yè)。公

司在技術上不斷追趕海外先進廠商，是

IGBT國產(chǎn)化替代的排頭兵。公司

IGBT模塊收入占據(jù)

2020

年營收的

94.65%，型號超過

600

種，電壓等級涵

蓋

100V～3300V，廣泛應用于新能源汽車、變頻器、逆變焊機、UPS、光伏/風電發(fā)

力、SVG、白色家電等領域。

2020

年，公司

IGBT模塊配套逾

20

萬輛新能源汽車，覆蓋超過

20

家汽車品牌，

處于國內(nèi)領先地位，是國內(nèi)為數(shù)不多能夠供應車規(guī)級

IGBT模塊的廠商之一。