2022年功率器件行业发展现状分析.docx

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1、2022年功率器件行业发展现状分析公司功率器件业务为 IDM 模式，产品布局完善。功率器件又称为电子电力器件，是现代 电力系统的核心部件之一，主要运用于电能变换和电力控制系统。功率器件大体上可分 为三类：二极管、晶体管和晶闸管。时代电气功率器件业务涵盖各型二极管、晶闸管及 晶体管等，具备完整的设计、生产及加工工艺，是典型的 IDM 模式（垂直整合模式）企 业。新能源车、风电、光伏及配套输电设施的发展将显著提升功率器件市场规模。新能源车驱动方式的改变是功率器件用量增加的主要来源。与传统燃油车不同，新 能源车驱动多采用电能作为主要的能量来源。电网提供及驱动新能源车电驱的电 能为交流电，而新能源车的

2、电池储备电能只能以直流电输出，此外部分车载用电器 标准输入电压也不尽相同；因此，电网、电池及电驱之间需采用功率器件实现电流 的变换。据英飞凌统计，2021 年 PHEV 及 BEV 中功率器件单车平均用量可达 950 美元，未来随着新能源车不断放量，车载功率器件成长空间广阔。光伏及其配套储能设施输出形式为直流电，而居民用电为交流电，因此需要使用逆 变器进行电能转换；风电波动性较大，需要整流器、逆变器进行“交-直-交”变换。 根据英飞凌统计，2021 年平均每建设 1 兆瓦光伏发电设施需采用 2,000-5,000 欧 元功率器件；风电为 2,000-3,500 欧元；储能设施为 2,500-3

3、,500 欧元。在输配电领域，功率器件也扮演十分重要的角色，包括 IGBT、IGCT 及晶闸管在 内的多种基础器件构成了逆变器、整流器、高压直流换流变压器、罐式断路器以及 高压直流开关在内的关键产品，应用于特高压输电等关键工程，用量可达数亿元。 我国清洁能源与用电侧分布在地域上有差异，特高压直流输电可大幅降低线损，因 此，伴随光伏、风电的建设，特高压直流输电工程也有望按下加速键。我们认为，新能源车、光伏、风电及特高压输电等方面的需求将成为功率器件未来主要 的增长点；同时，国内工控、家电等领域仍存在较大国产替代空间。1.IGBT：技术、产能领先，乘新能源东风业绩将爆发绝缘栅双极晶体管，即 IGB

4、T，是由 BJT 和 MOS 组成的复合全控型电压驱动式功率半 导体器件，兼有高输入阻抗和低导通压降两方面优点。1700V 以上的高压 IGBT 主要应 用于轨交、输电、风电及大功率工业领域；1200V 及以下的低压 IGBT 则用于光伏、新 能源车及家电等领域。IGBT 按照封装模式分为三种，即 IGBT 单管/裸片、IGBT 模组以及集成了逻辑、控制、 检测和保护电路的智能功率模块 IPM，也是最主要的三种销售模式。从全球市场规模来 看，国内部分企业占有一定的市场份额，但总体上仍被海外企业垄断。我国上榜企业中， 斯达半导是 Fabless 模式，具备芯片设计和模组封装能力；士兰微是 IDM

5、 模式，集设 计、制造、封装于一体，与时代电气相同。据英飞凌统计 2020 年全球 IGBT 市场规模已增长至 66.5 亿美元，2016 年以来 CAGR 为 10.93%。2016 年以前市场规模的萎缩主要系传统应用领域已被充分开发，行业进入 玩家出清前的“内卷”阶段所致。新能源需求的爆发，将改变过去以家电、工业变流等 需求主导的局面，同时将显著提升市场规模，改变传统竞争格局。乘新能源东风，IGBT 市场需求爆发。 IGBT 在硅片上加工制成，基本单元为元胞，元胞数量越多其承载工作电流越大；元胞 体积相对固定，因此功率需求越高，芯片面积需求越大。以晶圆需求量为基准，我们将 从新能源车、光伏

6、、风电等三个领域梳理行业需求情况，刨析未来行业供需格局变化。测算 2025 年新能源车 IGBT 晶圆产能需求约为 94.82 万片/月。新能源车电驱动系统是 IGBT 主要的应用领域，单电驱使用一般 6 个车载 IGBT 模组构 成三相半桥电路，每个模组中共封装 6 颗 IGBT 芯片及 3 颗或 6 颗 FWD 芯片，每辆新 能源车共使用 36 颗 IGBT 芯片和 18/36 颗 FWD 芯片。低端车型中一般使用 1 支电驱， 而中高端车型则配备 2-3 支。此外，其他车载系统，如 OBC、车窗、充电桩等系统中同 样含有数颗 IGBT 芯片。图：智新半导体车载 IGBT 模组内部构成以上

7、述数据为基准，我们假设 2025 年全球新能源车销量将增长至 2318 万辆，测算出 到 2025 年，8 英寸 IGBT 晶圆产能需求将达到 94.82 万片/月，相比 2021 年增长超过 77.69 万片/月。测算 2025 年光伏、风电相关 IGBT 晶圆需求量为 26.64 万片/月。在光伏系统中，IGBT 主要用于光伏逆变器，将直流电转化为交流电并接入电网，具体 用在 MPPT 模块和逆变模块：MPPT 模块（全称 Maximum Power Point Tracking）即最大功率点跟踪模块，它 的作用是调整逆变模块的输入电压，使得输出功率最大化。因此，MPPT 通常与一 个包含

8、 IGBT 模块的 DC/DC 转换器相连，将可变直流电压转换为固定直流电压。逆变模块是光伏逆变器的核心模块，DC / AC 变换单元利用 IGBT 将直流电转换成 与电网兼容的交流电。两电平拓扑或三电平拓扑都可用于该单元实现功率转换。在采用全功率转换器的风力发电机中，发电机通过转换器与电网完全解耦，整个风力发 电机的能量从转换器中经过。常见的风力发电系统中通常含有 AC-DC 和 DC-AC 两个 模块，实现“交-直-交”的变换，而这两个模块均需利用 IGBT 实现。假设每兆瓦光伏、风电及储能设施中的 IGBT 晶圆用量为 4.4 千片，同时考虑光伏逆变 器装机容配比概念，我们测算为满足 2

9、025 年光伏、风电及储能对 IGBT 晶圆产能需求 约 26.64 万片/月，相对 2021 年增长约 17.79 万片/月。IGBT 长期供不应求的局面已然确立，时代电气有望深度受益。在不考虑 SiC 及 IGCT 渗透的情况下，预计 2025 年 IGBT 晶圆月产能需求约 120 万片 /月，为保证供需缺口不被进一步扩大，2021-2025 年新增产能约为 96 万片/月。但新增 产能往往受到两方面的限制：一方面，晶圆厂建设周期、良率提升周期较长，自建设起 至投产需要 2-3 年，同时专业人才缺口较大，从技术角度，晶圆厂产能难以实现爆发； 另一方面，产线额度投资较高，以比亚迪半导体购置

10、的投资的功率器件产线为例，3 万 片月产能对应投资额约为 49 亿元，合理推测建设 96 万片月产能的资本性支出或高达 1568 亿元，全球龙头及国内厂商相关资本性支出合计远低于需求量。我们判断 IGBT 长 期供需缺口将长期存在。时代电气 IDM 模式企业将深度受益。2021 年，包括宝马、大众、本田及国内新势力等 车企在内均遭受因“缺芯”导致的停产，据不完全统计，“缺芯”已造成全球车企损失逾 600 亿美元，因此车企未来或将更加重视上游芯片的产能保障；Fabless 模式企业使用 外协产能，一旦代工厂出现产能挤压，其自身产能难以保障；出于供应链安全考虑，未 来相关企业或将 IGBT 订单倾

11、斜给拥有产能保障的 IDM 模式芯片供应商，时代电气有 望深度受益。技术实力突出，IDM 协同效应凸显。迄今为止，以英飞凌产品为标准，IGBT 芯片共有 7 代，核心技术节点按内部结构可分 为穿通型（PT）、非穿通型（NPT）、场截止型（FS）三种；按表面结构可分为平面栅、 沟槽栅和微沟槽栅。最先进的微沟槽+FS 型 IGBT 可大幅提升高开关速度、开关频率和 功率密度，同时降低损耗和面积，大多应用于新能源车电驱系统及光伏逆变器等领域。时代电气 IGBT 芯片技术国内领先。在整合 Dynex 的 IGBT 业务基础之上，时代电气构 建了以“沟槽+软穿通”与“精细沟槽”两代技术为支撑的低压沟槽栅

12、 IGBT 技术体系、 以“U”型槽与软穿通为核心的高压平面栅 IGBT 芯片技术体系，分别应用于新能源车、 光伏及轨交、特高压输电等领域。此外，公司还掌握了全套背面减薄工艺，大幅降低芯 片开关及静态损耗。模组设计、制造经验丰富，自动化封装产线保障产能及产品质量。封装技术直接关系到 IGBT 的寿命及鲁棒性。车载领域要求更高，IGBT 封装形式常采用水冷散热，目前共有 单面间接水冷、单面直接水冷及双面间接水冷等三代技术；最先进的第三代冷却模组封 装技术业内尚未形成批量应用，但公司已着手研发，进一步提高其在新能源车领域的核 心竞争力。目前，时代电气的自动化封装产线产品一致性高，可实现 724 小

13、时生产， 达产后预计可满足 240 万台新能源汽车的需求。IDM 协同效应凸显，“应用-设计-制造”三位一体加速需求响应。IGBT 芯片产品型号众 多，内部芯片连接方式及配比也各不相同，因此，在新应用领域切入阶段，往往需要多 个生产环节相互配合。新能源车使用的 IGBT 产品型号大多需求定制，同时其配套的芯 片产线、封装产线均需要通过车企认证，过程要求严格，时间跨度长。Fabless 模式的 IGBT 企业的业务布局缺少芯片制造环节，生产过程的 “脱节”使得其难以快速应对下 游需求变化。反观 IDM 模式，该模式下 IGBT 的所有生产流程均属于同一家公司，业务 协同能力强。短期来看，IDM

14、模式可灵活应对需求变化，在暂时的“缺芯”时间窗口下， 可实现产品快速导入；长期来看，IDM 模式企业可针对各种应用领域设计不同型号产品， 进行差异化竞争，进一步拓宽护城河。2.IGCT：赛道卡位，与风电同行市场空间迎扩容大功率领域，IGCT 或将替代 IGBT 成为主流。IGCT，即集成门极换流晶闸管，于 1997 年提出，晚于 IGBT。IGCT 将 GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起， 再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接而成，结构更加简单，可实现高压大容量能 量转换、损耗更低。图：IGCT 应用范围涵盖输电网、风电、轨交及冶金等大功率场景由于 IGCT 结合 IGBT

15、与 GTO 二者的优势，在高压、大电流各种应用领域中可靠性更 高、成本更低。以 4.16kV 的变频器为例，该设备中的逆变器需要约 24 个高压 IGBT， 或 60 个低压 IGBT，若采用 IGCT，则只需 12 个。由于结构更简单、体积更小，采用 IGCT 的变频器在设计难度、散热及鲁棒性上可以展现出更加优良的性能和成本优势。时代电气前瞻布局 IGCT 实现赛道卡位，未来或充分受益于市场扩容。过去 IGCT 应用 场景十分有限，仅集中在轨交和冶金等少数领域，市场空间小，全球仅时代电气和 ABB 具备量产能力。根据清华大学技术转移研究院材料，在风力发电场景下，每 GW 约采用 1 万只 4

16、.5kV 以上 IGCT 器件，单只价格约为 2 万元。2020 年，国内新增风电装机量约 为 10GW，据此推测，仅国内市场空间就高达 20 亿元。我们认为，时代电气作为少数 已经具备 IGCT 批量生产能力的供应商，将充分受益于光伏建设大趋势下的市场扩容。3.SiC：前瞻布局理想材料，未来有望替代 IGBT硅基器件逼近物理极限，化合物半导体前景广阔。目前绝大多数的半导体器件和集成电 路都是由硅制作的，出色的性能和成本优势让硅在集成电路等领域占有绝对的优势，无 论是在电力电子领域还是通信射频等领域，硅基器件在低压、低频、中功率等场景，应 用也非常广泛。但在一些高功率、高压、高频、高温等应用领

17、域如新能源和 5G 通信等， 硅基器件的表现逐渐达不到理想的要求，以三五族为代表的化合物半导体以其性能优势 在通讯射频、光通信、电力电子等领域逐步大规模民用化。新能源车带动功率半导体市场需求快速扩容，SiC 功率器件或迎替代机遇。SiC 材料拥 有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高电子迁移率以及抗辐射等特性，SiC 基的 SBD 以 及 MOSFET 更适合在高频、高温、高压、高功率以及强辐射的环境中工作。在功率等 级相同的条件下，采用 SiC 器件可将电驱、电控等体积缩小化，满足功率密度更高、设 计更紧凑的需求，同时也能使电动车续航里程更长。据天科合达招股说明书，美国特斯 拉公司的 Model

18、3 车型便采用了以 24 个 SiC MOSFET 为功率模块的逆变器，是第一家 在主逆变器中集成全 SiC 功率器件的汽车厂商；目前全球已有超过 20 家汽车厂商在车 载充电系统中使用 SiC 功率器件；此外，SiC 器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小 充电桩体积，提高充电速度。SiC 的优势同样适用于光伏、风电领域。为实现光伏逆变器的“高转换效率”和“低能 耗”提供了所需的低反向恢复和快速开关特性，对提升光伏逆变器功率密度、进一步降低度电成本至关重要。在组串式和集中式光伏逆变器中，SiC 产品预计会逐渐替代硅基 器件。时代电气已有 SiC 芯片及模组产品面世，客户导入有序进行。芯片方面，时代电气正在 加强精细平面栅 SiC MOSFET、沟槽栅 SiC MOSFET 芯片、嵌入式 SiC MOSFET 芯 片等技术的研发工作。SiC 模块方面，公司的产品具备低电感，高性能导热，高可靠互 联，高电流等级等特点，样品已小批量提供国内轨道交通，新能源客户验证应用。若未 来相关需求爆发，我们认为时代电气仍能延续其优势地位，实现快速增长。