功率器件：新能源產(chǎn)業(yè)的“芯”臟

功率半導(dǎo)體器件，也稱為電力電子器件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件。逆變（直流轉(zhuǎn)換成交流）、整流（交流轉(zhuǎn)換成直流）、斬波（直流升降壓）、變頻（交流之間轉(zhuǎn)換）是基本的電能轉(zhuǎn)換方式。MOSFET 和 IGBT 是主流的功率分立器件。

一、新能源汽車是功率器件增量需求主要來源

作為電能轉(zhuǎn)化和電路控制的核心器件，功率器件下游應(yīng)用十分廣泛，包括新能源（風(fēng)電、光伏、儲能和電動汽車）、消費電子、智能電網(wǎng)、軌道交通等，根據(jù)每個細分領(lǐng)域性能要求的不同（頻率、電壓、損耗），選擇不同的功率器件。按照下游應(yīng)用劃分，汽車領(lǐng)域占比達 40%，其次是工業(yè)占比27%，消費電子占13%，其他領(lǐng)域（如通訊、計算機等領(lǐng)域）占 20%，功率器件在汽車和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多，需求穩(wěn)定性也較強，消費領(lǐng)域應(yīng)用相對較少。

根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，2021年全球功率半導(dǎo)體器件市場大約175億美元，2026年將增長至 262億美元，復(fù)合增速達到6.9%。其中，增量較大的主要是IGBT模塊、SiC 模塊、MOSFET 和 GaN 產(chǎn)品。

功率半導(dǎo)體類別及市場規(guī)模：

資料來源：Omdia

低端產(chǎn)品已實現(xiàn)部分國產(chǎn)替代，高端分立器件國產(chǎn)化空間廣闊。對國內(nèi)市場而言，功率二極管、功率三極管、晶閘管、中低壓MOSFET 等分立器件產(chǎn)品部分已實現(xiàn)國產(chǎn)化，而功率MOSFET 特別是高壓超級結(jié)MOSFET、IGBT 等高端分立器件產(chǎn)品由于其技術(shù)及工藝的復(fù)雜度，還較大程度上依賴進口，國產(chǎn)化率低，未來進口替代空間巨大。

全球功率分立器件市場規(guī)模（左）；全球功率器件各細分領(lǐng)域市場規(guī)模（右）：

資料來源：Omdia

充電樁：高壓超級結(jié)MOSFET 順應(yīng)國內(nèi)直流充電樁“快充”發(fā)展潮流日益提升的快充需求下直流充電樁滲透率提升至四成，功率不斷提升。充電樁可分為公共直流/公共交流/私人樁，高充電功率的直流樁充電速度最快，而私人樁、公共交流樁充電功率低、充電時間長。隨著下游新能源汽車市場的爆發(fā)，國內(nèi)對配套設(shè)施充電樁的需求也日益增加。據(jù)Wind數(shù)據(jù)顯示，2021年國內(nèi)公共充電樁保有量114.70萬個，2016-2021 年CAGR 高達 52.02%。其中17 年至19年，直流充電樁的占比從28.7%上升至41.6%，占比提升較快，21 年直流充電樁占比保持約四成左右。直流充電方式相較家用標準交流電充電方式速度大幅提高，一個150kW的直流充電器可以在大約15 分鐘內(nèi)為電動汽車增加200公里續(xù)航，隨著新能源汽車滲透率進一步提高，直流電充電方案需求將同步提升，2020 年國內(nèi)新增直流樁功率達到131KW，未來直流樁新增裝機功率有望進一步提升。此外，Yole預(yù)計2020-2025年，全球100kW及以上的大功率直流充電樁數(shù)量將以高達36.85%的CAGR 增長，大功率直流快充呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。

國內(nèi)充電樁保有量結(jié)構(gòu)（左）；國內(nèi)公共充電樁保有量及同比增速（右）：

資料來源：Wind

超級結(jié)MOSFET 成快充主流選擇，2025年全球直流樁SJ MOS 市場規(guī)模有望超20億元。直流充電樁則通過自帶的AC/DC充電模塊將輸入的交流電轉(zhuǎn)為直流電，不通過OBC直接完成變壓整流。超級結(jié) MOSFET 因其更低的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、高可靠性、高功率密度，已成為主流的大功率充電樁功率器件應(yīng)用產(chǎn)品。根據(jù)充電樁功率模塊電路結(jié)構(gòu)，隨著平均單樁功率提升，我們預(yù)測2025年直流樁單樁 SJ MOS 用量 168 顆，結(jié)合IEA 預(yù)測2025年全球直流樁新增保有量達84.6萬個，在SJ MOS 單顆售價15.8 元，市場滲透率達90%的假設(shè)下，我們預(yù)計 2025 年全球直流樁 SJ MOS 市場規(guī)模為20.3億元，對應(yīng)21-25年CAGR為34.9%，其中22-24 年的CAGR為42.8%；2025年國內(nèi)市場規(guī)模為12.7億元，對應(yīng)21-25 年CAGR 為60.4%，其中22-24 年的CAGR為56.7%。

全球直流充電樁保有量預(yù)測（左）；全球直流充電樁超結(jié)MOSFET市場規(guī)模預(yù)測(右）：

資料來源：Yole

我國新能源汽車銷量增速有望持續(xù)高企，單車功率半導(dǎo)體用量是傳統(tǒng)燃油車的5倍。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2021年國內(nèi)新能源汽車銷量實現(xiàn)爆發(fā)性增長，全年銷售共計352萬輛，同比增長157.48%。在“碳中和”、“碳達峰”目標下，我國新能源汽車市場高景氣度有望持續(xù)。新能源汽車中的功率半導(dǎo)體含量大大增加，主要增量來源于逆變器中的IGBT 模塊、DC/DC 中的高壓MOSFET、輔助電器中的IGBT 分立器件、OBC 中的超級結(jié)MOSFET。據(jù)英飛凌數(shù)據(jù)顯示，一輛電動車的MOSFET分立器件用量接近200個，部分高端新能源汽車車型對MOSFET 的需求可達400個/輛以上。純電動車功率半導(dǎo)體價值量為350美元，是傳統(tǒng)燃油車單車價值量71美元的五倍。

新能源車中OBC、DC/DC 均可采用超級結(jié)MOSFET，2025 年全球EV SJ MOS 的市場規(guī)模有望成長至34.65億元。OBC是由PFC和隔離DC-DC組成的AC-DC轉(zhuǎn)換器，通過將來自地面交流充電樁的交流電進行交直流轉(zhuǎn)換和高低壓變換，給車載電池充電。此外，DC/DC主要作用是取代傳統(tǒng)汽車中的12V發(fā)電機，將動力電池的高壓電轉(zhuǎn)換為低壓電，隨后被低壓蓄電池收集，該過程同樣需要超結(jié)MOSFET 的參與。根據(jù)Marketline 的預(yù)測，2025年全球新能源汽車銷量2121.7萬輛，其中OBC、DC/DC 分別搭載12顆/4顆超結(jié)MOSFET，結(jié)合17.6 元/顆的單價及滲透率，我們預(yù)計2025 年全球EV SJ MOS 的市場規(guī)模有望達到34.7億元，21-25 年CAGR 為30.8%，其中22-24 年CAGR為37.8%；國內(nèi)市場規(guī)模25年有望達到17.7 億元，占全球市場需求超過50%，21-25 年CAGR 為28.2%，其中22-24年CAGR 為35.1%

全球EV銷量預(yù)測（左）；全球EV 超結(jié)MOSFET市場規(guī)模預(yù)測（右）：

資料來源：Marketline

二、功率半導(dǎo)體供需分析

2022年國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)進入爆發(fā)期，國產(chǎn)IGBT廠商在車載IGBT領(lǐng)域的替代進程會加速。一方面國內(nèi)新能源汽車2022年銷量預(yù)期都比較樂觀，市場預(yù)期平均增速在50%以上，但是國外IGBT芯片廠商如英飛凌和安森美等大廠的交期平均都在一年以上，同時海外如歐洲和美國的電動車市場也開始進入高速增長期，這些國際大廠會優(yōu)先保障本土供應(yīng)。在供需偏緊的情況下，國產(chǎn)IGBT廠商對于國內(nèi)電動車主機廠而言成為了最重要的芯片供應(yīng)保障，而且時代電氣、士蘭微和華虹半導(dǎo)體等廠商的IGBT產(chǎn)能已經(jīng)在2021年底相繼投產(chǎn)，有望成為IGBT芯片國產(chǎn)化最受益的廠商。對于國內(nèi)的IGBT廠商而言，最受益的廠商還是以IDM模式為主的廠商，如比亞迪半導(dǎo)體，時代電氣和士蘭微。

我們認為市場對于IGBT芯片供給大幅開出以后導(dǎo)致IGBT芯片市場競爭加劇的擔(dān)憂大可不必，我們梳理了國內(nèi)明年新增的IGBT產(chǎn)能，如果拉平2022年全年的IGBT供應(yīng)增量，預(yù)計為5.04萬片/月，如果考慮良率等問題，預(yù)計實際產(chǎn)能不足4萬片/月，對于明年200萬輛電動車的IGBT芯片消耗量就達到2-3萬片/月，如果再考慮光伏和風(fēng)電等領(lǐng)域用到的IGBT芯片，預(yù)計產(chǎn)能供應(yīng)相對偏緊張。

假設(shè)2030年全球汽車銷量達到1億輛，如果50%的燃油車替換為電動車，對應(yīng)約5000萬輛電動車，按照單車功率半導(dǎo)體價值量為400美元計算，預(yù)計全球車規(guī)功率半導(dǎo)體市場規(guī)模達到200億美元，如果國內(nèi)電動車市場占全球的50%，那么2030年國內(nèi)車規(guī)功率半導(dǎo)體市場空間將達到100億美元。存量市場2021年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將增長至441億美元，國內(nèi)需求占全球市場份額的36%，2021年市場規(guī)模有望達到159億美元，未來十年按照5%的復(fù)合增速測算，存量市場如工控和家電領(lǐng)域的需求在2030年將達到239億美元。光伏領(lǐng)域?qū)τ诠β拾雽?dǎo)體市場需求為30億美元，加總以后預(yù)計到2030年國內(nèi)功率半導(dǎo)體市場空間達到369億美元，對應(yīng)2500億人民幣左右的市場空間。

1臺新能源汽車平均消耗一片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和電源管理芯片，2021年新能源汽車銷量為340萬臺，同比增長1.5倍，預(yù)計2022年國內(nèi)新能源汽車銷量達到500萬輛，對應(yīng)的增量需求為160萬片8寸晶圓，折合13~14萬片月產(chǎn)能，如果2025年國內(nèi)電動車銷量達到1000萬輛，對應(yīng)增量需求為54-55萬片月產(chǎn)能。

截止2020年12年全球晶圓產(chǎn)能約為2082萬片/月（等效8寸），中國大陸晶圓產(chǎn)能占比為15.3%，預(yù)計為318.4萬片/月（等效8寸），國內(nèi)主要晶圓廠12寸產(chǎn)能約100萬片/月，8寸產(chǎn)線約為115萬片/月。其中我們統(tǒng)計國內(nèi)所有功率半導(dǎo)體廠商新增產(chǎn)線的產(chǎn)能增量，預(yù)計2022年全年新增功率半導(dǎo)體產(chǎn)能為18萬片/月（等效8寸），如果假設(shè)2022年國內(nèi)新增電動車銷量為200萬臺，全球新增500萬臺電動車，所需要對應(yīng)約250萬片8寸的年產(chǎn)能，對應(yīng)需要新增20.8萬片月產(chǎn)能，而全球功率半導(dǎo)體的新增產(chǎn)能幾乎都在中國，僅僅滿足全球的電動車的需求新增供給尚且不夠，如果考慮光伏需要的產(chǎn)能則供應(yīng)缺口進一步增加。

功率器件國產(chǎn)化率僅為 22%，高端產(chǎn)品國產(chǎn)化率更低。據(jù)我們統(tǒng)計 2021 年國內(nèi)主要功率器件上市公司相關(guān)收入占國內(nèi)功率器件總市場比重僅 22%，且當(dāng)前國內(nèi)功率器件仍以二極管、晶閘管等低端產(chǎn)品居多，高端產(chǎn)品如 IGBT、SiC 等國產(chǎn)化率更低。當(dāng)前國內(nèi)廠商在高性能功率器件持續(xù)發(fā)力，產(chǎn)品性能、可靠性和穩(wěn)定性等已具備對標海外一線龍頭的能力，隨著未來下游需求的持續(xù)增長，功率器件國產(chǎn)化率有望進一步提升。

文章來源：第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟