功率半导体是电能转换的载体，22年全球功率器件市场约为281亿美元，2022-25年CAGR 8.2%。功率半导体是功率器件与电源管理IC的集合，其中功率器件例如二极管、MOSFET及IGBT等作为快速的电子“开关”可实现电流、电压状态的改变。以电为能量来源的应用均需用到功率器件，其是电子系统运行的底层基础。
　　工艺为功率半导体的技术核心。有别于集成电路设计作为产品差异化的关键，功率器件的功能实现及差异更多来源于不同的器件结构，因此制造工艺是功率器件的核心，制造商多以IDM模式为主。其中，不同产品形态各有侧重，单管产品偏标准化，通过芯片结构设计与性能拉开差距；模块产品偏定制化，依靠对下游应用的know-how及客户黏性构筑壁垒。
　　未来行业将向着高效率、高可靠性和低成本方向发展。功率器件生命周期长迭代慢，因此企业通过芯片向高效率、小面积的发展构筑性能与成本的产品竞争力；封装形式向高可靠性、高集成度方向发展以增强客户黏性；制造工艺向12英寸转移以实现规模化降本；大功率器件的材料由硅向碳化硅、氮化镓过渡以获得技术领先性。
　　全球格局渐稳，新能源触发新一轮行业变革。功率器件多样化应用决定了市场集中度不高，第一大厂商市占率不到20%。在新能源与工控的驱动下，预计全球功率器件市场将由21年的259亿美元增至25年的357亿美元，汽车、新能源发电和电网等增速均超15%。碳化硅为增速最快的器件，2021-25年CAGR 42%，预计25年市场将超43亿美元。
　　中国企业份额提升迅速，当前阶段Fabless与IDM模式差异化竞争尚不显著。全球IGBT分立器件及模块、MOSFET前十中均有中国企业，在新能源发电、汽车等增量市场国产化率提升迅速，部分已超50%。未来三年，国内代工产能增速大于IDM厂商，Fabless可与代工深度合作共同推进工艺开发；加之目前行业仍处于单品替代阶段，IDM规模化与技术迭代优势体现仍需时日，中短期维度Fabless与IDM界限渐模糊、差异化竞争尚不显著。
　　投资建议：建议关注在增量市场产品与份额持续拓展的IDM公司士兰微、时代电气、闻泰科技、扬杰科技、BYD半导（未上市）及华润微，在IGBT、超结MOS等产品领先的设计公司斯达半导、宏微科技、东微半导及新洁能，特色工艺代工龙头华虹半导体、中芯集成（未上市）。
　　风险提示：新能源行业增速不及预期；行业竞争激化面临产能过剩风险。
　　

研究报告全文：证券研究报告2022年12月15日功率半导体行业深度超配新能源引发行业变革Fabless与IDM齐头并进核心观点行业研究行业专题功率半导体是电能转换的载体22年全球功率器件市场约为281亿美元电子半导体2022-25年CAGR82功率半导体是功率器件与电源管理IC的集合其中超配维持评级功率器件例如二极管MOSFET及IGBT等作为快速的电子开关可实现电证券分析师胡剑证券分析师叶子流电压状态的改变以电为能量来源的应用均需用到功率器件其是电子021-608933060755-81982153系统运行的底层基础hujian1guosencomcnyezi3guosencomcnS0980521080001S0980522100003工艺为功率半导体的技术核心有别于集成电路设计作为产品差异化的关证券分析师胡慧证券分析师周靖翔键功率器件的功能实现及差异更多来源于不同的器件结构因此制造021-60871321021-60375402huhui2guosencomcnzhoujingxiangguosencomcn工艺是功率器件的核心制造商多以IDM模式为主其中不同产品形S0980521080002S0980522100001态各有侧重单管产品偏标准化通过芯片结构设计与性能拉开差距证券分析师李梓澎联系人詹浏洋模块产品偏定制化依靠对下游应用的know-how及客户黏性构筑壁垒0755-81981181010-88005307lizipengguosencomcnzhanliuyangguosencomcn未来行业将向着高效率高可靠性和低成本方向发展功率器件生命周期长S0980522090001迭代慢因此企业通过芯片向高效率小面积的发展构筑性能与成本的产品市场走势竞争力封装形式向高可靠性高集成度方向发展以增强客户黏性制造工艺向12英寸转移以实现规模化降本大功率器件的材料由硅向碳化硅氮化镓过渡以获得技术领先性全球格局渐稳新能源触发新一轮行业变革功率器件多样化应用决定了市场集中度不高第一大厂商市占率不到20在新能源与工控的驱动下预计全球功率器件市场将由21年的259亿美元增至25年的357亿美元汽车新能源发电和电网等增速均超15碳化硅为增速最快的器件2021-25年CAGR42预计25年市场将超43亿美元中国企业份额提升迅速当前阶段Fabless与IDM模式差异化竞争尚不显资料来源Wind国信证券经济研究所整理著全球IGBT分立器件及模块MOSFET前十中均有中国企业在新能源发相关研究报告半导体行业深度-多维度复盘半导体产业发展碎片化场景下电汽车等增量市场国产化率提升迅速部分已超50未来三年国内代辅芯片受益2022-12-01工产能增速大于IDM厂商Fabless可与代工深度合作共同推进工艺开发半导体行业三季报业绩综述三季度归母净利润同比减少半导体设备实现增长2022-11-07加之目前行业仍处于单品替代阶段IDM规模化与技术迭代优势体现仍需时半导体11月投资策略及东京电子复盘-进入业绩空窗期关注细分龙头的估值修复2022-11-07日中短期维度Fabless与IDM界限渐模糊差异化竞争尚不显著半导体10月投资策略及应用材料复盘-全球销售额同比增速继续收窄短期压力犹存2022-10-10投资建议建议关注在增量市场产品与份额持续拓展的IDM公司士兰微时半导体9月投资策略及ASML复盘-国内晶圆厂逆周期扩建关代电气闻泰科技扬杰科技BYD半导未上市及华润微在IGBT超注设备和材料环节2022-09-12结MOS等产品领先的设计公司斯达半导宏微科技东微半导及新洁能特色工艺代工龙头华虹半导体中芯集成未上市风险提示新能源行业增速不及预期行业竞争激化面临产能过剩风险重点公司盈利预测及投资评级公司公司投资昨收盘总市值EPSPE代码名称评级元亿元2022E2023E2022E2023E600460SH士兰微买入3714526079113470329688187SH时代电气买入5656801161188351301603290SH斯达半导买入32913562473637696517688261SH东微半导买入22140149403553549400688711SH宏微科技买入9763135110156887627600745SH闻泰科技买入5850729231317253185300373SZ扬杰科技买入55902862342892391931347HK华虹半导体买入26403450303611596资料来源Wind国信证券经济研究所预测请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容证券研究报告内容目录功率半导体电能转换的载体5功率半导体功率分立器件与电源管理IC的集合5功率器件快速的电子开关6功率器件行业特点与竞争要素9制造为先IDM为长远发展趋势9单管拉开芯片差距模块建立客户粘性10差异化vs标准化高性能与可靠性器件制造商与集成商的差异化考量11发展趋势高效率高可靠性低成本与新材料12全球格局渐稳新能源触发新一轮变革15历经整合洗牌行业格局渐清晰15碳化硅引领行业增速汽车新能源与工控驱动行业增长16存量替代与增量渗透驱动中国企业快速成长20中国企业份额提升迅速产品结构不断升级20IDMorFabless存量与增量的博弈2222年前三季度功率半导体整体保持加速增长23中国主要功率半导体公司分析25斯达半导25士兰微26时代电气27BYD半导未上市28东微半导29宏微科技30扬杰科技30新洁能32华润微33投资建议34风险提示34免责声明35请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容2证券研究报告图表目录图1半导体分类及市场规模2022E5图2功率半导体-快速的电力电子开关待优化6图3功率分立器件的分类7图4功率器件的应用场景及价值量区间8图5功率半导体的制造流程8图6功率器件与集成电路的产品附加值比较9图7功率半导体应用思路10图8单管与模块的核心要素10图9器件制造商与集成商的考量11图10英飞凌IGBT产品12图11功率器件封装技术演进13图1212英寸工艺适用产品及应用13图1312英寸线建设过程及成本优势14图14不同半导体材料对应的应用领域14图152006-2022年功率半导体代表公司营收增长动因复盘增速15图162010-2020功率半导体行业集中度变化情况16图172021-2025全球功率器件市场规模及增速按器件类型分亿美元16图182021-2025全球功率器件市场空间及增速按应用分亿美元17图19汽车电动化框架17图2021-27年汽车半导体单车价值量变化及市场情况18图21全球工业驱动市场情况与应用18图22新能源发电带来的电网变革19图23新能源发电功率半导体单位价值量与每年发电量19图24家电变频化半导体单机价值量提升19图252017年-2021年我国白电IPM模块国产化率19图26碳化硅应用优势及市场空间亿美元20图27全球功率半导体主要参与者及各细分领域市占率情况21图28中国功率半导体发展的产品层次21图2922年1-9月我国新能源上险乘用车主驱IGBT模块供应商情况万只22图30中国功率半导体代工与IDM的产能扩张与中短期格局22图31功率半导体行业公司营业收入23图32功率半导体行业公司单季度营业收入23图33功率半导体行业公司归母净利润23图34功率半导体行业公司单季度归母净利润23图35功率半导体行业公司毛利率净利率24图36功率半导体行业公司存货应收账款周转天数24图37全球功率器件销售情况单位十亿美元24请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容3证券研究报告图38公司营收扣非归母净利润亿元及毛利率25图39公司近五年分产品营收结构25图40公司未来布局及产能规划25图41公司营收扣非归母净利润亿元及毛利率26图42公司近五年分产品营收结构26图43公司营收扣非归母净利润亿元及毛利率27图44公司近五年分产品营收结构27图45公司营收扣非归母净利润亿元及毛利率28图46公司近五年分产品营收结构28图47公司营收扣非归母净利润亿元及毛利率29图48公司近五年分产品营收结构29图49公司基本布局29图50公司营收扣非归母净利润亿元及毛利率30图51公司近五年分产品营收结构30图52公司营收扣非归母净利润亿元及毛利率31图53近10年公司收入结构按地区分31图54公司基本布局31图55公司营收扣非归母净利润亿元及毛利率32图56公司近五年分产品营收结构32图57公司1H21与1H22产品结构对比按产品类型32图58公司1H22产品下游应用分布32图59公司营收扣非归母净利润亿元及毛利率33图60公司近五年分产品营收结构33表1分立功率器件的分类及性能特点6表2功率器件各环节的特点9表3单管与模块各个环节的特点与侧重点对比与发展关键11表4英飞凌IGBT产品参数12表5公司产能布局情况截至2022年6月26表6公司功率器件产能情况27表7公司产能布局情况28表8公司产能布局情况截至2022年6月30表9公司产能布局情况截至3Q2233表10重点公司一览表34请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容4证券研究报告功率半导体电能转换的载体功率半导体功率分立器件与电源管理IC的集合功率半导体是以电能转换为核心的半导体器件通过对电流与电压进行调控实现电能在系统中的形式转换与传输分配其作用近似于人体的血液循环系统将调整后的电能输送到对应的用电终端为系统运行提供基础保障在以电供能的基础上传感器将外界光声音压力和温度等物理量转换为电信号通过模拟信号链芯片将电信号转换为数字信号给数字芯片进行计算处理并指导各部分芯片进行功能实现图1半导体分类及市场规模2022E资料来源OmdiaYole国信证券经济研究所整理功率半导体包含分立器件及电源管理芯片且细分种类繁多预计2022年总市场规模约为543亿美元功率半导体由分立功率器件与电源管理芯片组成根据OMDIA与Yole数据2022年全球功率半导体含功率器件及电源管理芯片市场规模约为543亿美元占半导体市场9其中分立功率器件281亿美元电源管理芯片262亿美元尽管功率半导体市场规模远小于数字芯片市场规模但作为电子系统底层能量流的核心功率半导体是电子系统正常运行的基础请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容5证券研究报告功率器件快速的电子开关功率器件是快速的电子开关通过切换开与关状态配合其驱动电路实现电流与电压状态的改变其开关内部各功能的联系及交互影响决定了开关的特性最终可实现直流-直流交流-交流电压高低电流频率及电流方向整流逆变的改变并应用于稳压器变频器逆变器整流器及DC-DC电源中图2功率半导体-快速的电力电子开关待优化资料来源OmdiaYole国信证券经济研究所整理功率器件包括二极管晶闸管及晶体管等品类其中晶体管包括双极型BJT场效应型如MOSFET及绝缘栅型如IGBT等器件总体可按可控性驱动方式及载流子类型等维度进行分类表1分立功率器件的分类及性能特点分类方式类别器件性能特点不可控型二极管仅实现单向导通无控制功能可控性半控型晶闸管仅能实现开启无法自动关断驱动电路较复杂全控型晶体管如MOSFETIGBT可实现电路开启与关断驱动电路简单电流驱动型BJT双极晶体管以电流驱动器件需要低驱动电压连续驱动功率驱动方式电压驱动型MOSFETIGBT以电压驱动器件驱动电压相对电流驱动型驱动功率小单极型MOSFETSBD开关速度快工作频率高耐压能力较差大电流区导通损耗大载流子类型双极性BJTFRD工作频率低通态电流大导通与关断损耗小混合型IGBT工作频率适中耐压能力较高大电流区正向特性优异资料来源东芝半导体英飞凌国信证券经济研究所整理二极管二极管是由PN结或肖特基结金属-半导体构成的元件具备单向特性即电流流动正向或不流动反向取决于施加电压的方向以实现交流电整流的功能根据其应用电压范围及结构可分为整流二极管快恢复二极管TVS二极管及肖特基二极管等请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容6证券研究报告晶闸管由PNPN四层半导体组成当晶闸管接入正向电压并产生足够大的电流时晶闸管就可导通由于一旦导通后门极失效因而为半控型器件由于其没有导通和关断之间的放大区因此通态内阻最小发热最少承受过电流能力极强且耐高压可直接用于控制交流电图3功率分立器件的分类资料来源东芝半导体赛米控安森美国信证券经济研究所整理晶体管由三个端子组成的器件可通过控制三端的电流或电压实现器件的导通或关断包括双极型BJT场效应型如MOSFET及绝缘栅型如IGBT等器件1BJTBipolarTransistor即双极晶体管具有电流放大的功能可以将小信号转换成大信号当小电流IB从基极流向发射极时IBhFE直流电流增益的电流从集电极流向发射极BJTs有两种类型NPN型和PNP型NPN型包括低耐受电压到高耐受电压产品PNP型主要为耐受电压为400V或以下的产品2MOSFETMetal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor即金属-氧化物半导体场效应晶体管通过控制漏极和源极栅极与源极之间的电压可使得电子在器件中形成沟道实现器件的导通通过调节电压的大小可以控制导通电流大小最终实现开与关的切换由于其为单极型器件开关性能佳适用于低电流密度和大约100kHz的开关电源3IGBTInsulatedGateBipolarTransistor即绝缘栅双极型晶体管作为MOSFET和BJT组成的复合功率半导体器件其工作原理与MOSFET类似既具备了MOSFET输入阻抗高控制功率小驱动电路简单开关速度快的优势也具备了BJT通态电流大通电压低损耗小等优点解决了MOSFET高压情况下电流不能太大的问题适用于高电流密度和20kHz以下的交流驱动条件下工作请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容7证券研究报告以电为能量来源的下游应用均需用到功率器件一方面新能源应用增加电网光伏风电储能新能源汽车均需用到功率器件且集中于中高功率段器件以IGBTSiC器件及大功率晶闸管为主对器件可靠性与热管理要求较高另一方面工业自动化电机UPS数据中心等场景对用电效率提升的要求催生了中功率段功率器件如IGBT中高压MOSFET的应用对器件集成度可靠性及热管理均提出了要求此外在消费电子电源等低功率应用中硅基和GaN基功率器件均有应用该类应用对器件的紧凑性和集成度提出了较高要求图4功率器件的应用场景及价值量区间资料来源OmdiaYole国信证券经济研究所整理功率器件制造流程包括硅晶圆-外延-芯片制造-封装1衬底通过区熔CZ法和直拉FZ法得到单晶硅并通过切割抛光后获得器件衬底晶圆2根据器件结构进行外延薄膜沉积光刻刻蚀和离子注入-扩散等多道工艺获得裸芯片晶圆3裸露的芯片需要封装进一个外壳里并填充绝缘材料再把芯片电极引到外部制成完整的功率器件产品外壳中有一颗芯片的为单管产品有多颗芯片电气互连并包含散热通道连接接口和绝缘保护等单元的为模块产品其封装方式根据应用工况不同而有所区别最后再将封装好的单管或模块等器件产品应用到逆变器等电源系统中图5功率半导体的制造流程资料来源Yole时代电气招股说明书国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容8证券研究报告功率器件行业特点与竞争要素制造为先IDM为长远发展趋势前道工艺是功率器件芯片性能的决定性因素在集成电路中模拟芯片是晶体管电阻和电容等元件的有机组合逻辑芯片是晶体管的堆叠与排列其芯片功能差异主要来源于IC设计因此包括芯片架构IP指令集设计流程和设计软件工具等在内的设计环节是芯片附加值的核心与集成电路不同功率器件的功能实现及差异化来源于不同的器件结构而器件结构需通过前道制造工艺实现的制造工艺好坏直接决定了芯片的电子传输等性能表现因此为掌握核心工艺环节全球功率器件龙头制造商多以IDM模式为主图6功率器件与集成电路的产品附加值比较资料来源英飞凌国信证券经济研究所整理后道封装是保证器件可靠性的关键环节功率半导体器件是电系统工作的关键因此产品可靠性是核心参数通常功率器件要根据应用的实际工况对芯片进行定制化封装以保证其在使用中的可靠性特别是在工业汽车等对产品耐压耐温耐冲击等可靠性要求较高的应用领域产品形式以模块为主厂商需对模块进行热管理电磁干扰EMI等方面进行合理设计以保证多个芯片有机组合进行功能实现因此在高可靠性IGBT模块中封装环节成本占比可超30表2功率器件各环节的特点环节关键工作对产品性能的影响成本影响因素结构设计及优化结构优化可提升芯片效率芯片面积减小成本降低设计根据应用要求进行参数及设计调整芯片与应用动态工况匹配定制化要求提升ASP仿真-工艺实现与优化芯片是否能实现设计性能制造降低成本提升毛利率提升良率产品批次稳定性决定成本毛利率根据应用进行热管理电性能等设计与仿真决定产品稳定环境耐受等可靠性封装定制化设计原材料成本及附加值不同封装材料优化降低封装成本提升可靠性资料来源英飞凌赛米控国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容9证券研究报告单管拉开芯片差距模块建立客户粘性应用场景定义器件类型器件性能定义芯片参数应用端的个性化需求主要是对芯片特性及模块的电路结构拓扑结构外形和接口控制等的设计要求以汽车主逆变器为例大功率主驱动通常需要用到多个芯片并联若使用单管多个并联管之间电流均流和平衡同时开断等难度大且接口较多通过芯片互连配合保护元件具备较好一致性及稳定性的功率模块成为主流选择而模块根据汽车工况对耐高温耐腐蚀抗氧化及机械振动的要求进行定制化设计据此再对芯片的动态性能结温等方面提出要求并通过制造工艺进行实现图7功率半导体应用思路资料来源Yole国信证券经济研究所整理单管依靠芯片技术拉开差距模块依靠定制化设计建立客户黏性单管产品封装形式标准化以规模化生产为主产品竞争力来源于芯片结构优化性能提升以及芯片面积减小带来的成本降低模块产品是基于应用的定制化产品而应用系统电路拓扑及空间设计亦均基于模块的电性能热管理与外部尺寸等参数因此模块是与客户建立长期合作关系的桥梁在此过程中器件厂商不仅需要芯片设计团队还需要培养强大的应用团队能快速准确地理解客户的个性化需求并将这种需求转化成产品要求进行模块开发再反馈到芯片端进行对应的设计开发图8单管与模块的核心要素资料来源国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容10证券研究报告表3单管与模块各个环节的特点与侧重点对比与发展关键单管模块高压大电流场景依据工业汽车等场景对动态性能的要求不同应用特点中低压场景规格标准化产品选型后直接适用进行定制化设计芯片环节芯片设计与仿真能力决定成本与产品性能匹配模块应用要求的设计与仿真能力封装环节标准化定制化体现对应用的理解关键要素低端产品靠规模化与渠道能力高端产品靠芯片性能高可靠性的产品能力资料来源国信证券经济研究所整理差异化vs标准化高性能与可靠性器件制造商与集成商的差异化考量功率产品生命周期长且迭代慢差异化器件产品铸就芯片制造商核心竞争力功率器件迭代升级的驱动力来源于下游用电量的提升及低功耗的应用需求可靠耐用的应用要求决定了其产品生命周期长因此自20世纪50年代功率二极管功率三极管面世至今功率器件迭代速度较慢每代产品源于应用的新增要求故各类型器件非绝对替代关系而是各有分工和部分竞争的关系在此过程中功率器件制造商可通过器件结构设计提升产品性能减小芯片面积降低制造成本模块定制化打造差异性最终实现利润空间与行业壁垒的提升图9器件制造商与集成商的考量资料来源英飞凌国信证券经济研究所整理总结可靠性为先标准化产品是系统集成商降低供应链成本的需求考虑系统故障带来的售后成本系统集成商将产品可靠性作为首要考量以高压应用为例在部分系统设计时会降低单个芯片性能要求优先考虑选用结构简单面积较大的平面型器件以保证芯片的耐压裕量及散热水平同时为降低成本及开发时间集成商会采用平台方式开发如汽车故功率器件产品需在集成商内部有一定通用性且有多家可替换的供应商在此背景下功率器件厂商倾向于争取做第一供应商引领模块参数及器件设计标准形成铸就护城河对于后进入者则选择对标一供性能以提升性价比作为主要发力点来赢得更多市场份额请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容11证券研究报告发展趋势高效率高可靠性低成本与新材料芯片向着高效率低成本的器件结构发展功率器件是电能传输效率的关键产品向着高转换效率高功率密度即小体积方向发展相应地芯片向着结构优化以提升传输效率减小芯片面积以降低成本的方向不断演进以英飞凌IGBT产品为例7代产品围绕器件的电场分布结温短路能力等参数进行结构的设计优化其中347代器件实现了变革性的技术突破IGBT3通过背面注入了一个掺杂浓度略高于N-衬底的N缓冲层使得电场强度可迅速降低整体电场呈梯形且漂移区厚度减小实现了器件关断时拖尾电流及损耗低导通压降的降低IGBT4则通过薄晶圆及优化背面结构进一步降低了开关损耗提升了器件输出电流的能力IGBT7则是增加了多种形式沟槽综合各沟槽形式的优点使得器件性能显著提升此外沟槽结构使得芯片面积不断减小在功率密度提升的同时降低了芯片成本图10英飞凌IGBT产品资料来源英飞凌国信证券经济研究所整理表4英飞凌IGBT产品参数IGBT技术特点芯片面积相对值关断时间微秒工作结温断态电压V出现时间1平面穿透型PT1000512560019882改进的平面穿透型PT5603125-15060019903沟槽型Trench40025150120019924非穿透型NPT31025175330019975电场截止型FS表面覆铜27019175450020016沟槽型电场截止型FS-Trench24015175650020037微沟槽栅场截止MPTFS1201217575002017资料来源英飞凌国信证券经济研究所整理封装形式向着高可靠性和高集成度方向发展单管封装向小体积方向发展模块封装向高可靠性发展在汽车工业等温度变化大振动等动态工况复杂的场景中模块是保证系统稳定运行的关键为提升可靠性未来模块将向着优化组合装配和连接技术提高抗温度和负载变化的可靠性改善散热效果通过改善外壳和灌注材料和配方来提高抗气候变化的适应性优化内部连接和外部配件布线提高功率模块的集成度以降低系统成本的方向发展请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容12证券研究报告图11功率器件封装技术演进资料来源英飞凌赛米控国信证券经济研究所整理制造工艺向12英寸拓展功率器件应用场景逐渐丰富12英寸产线可用于生产的需求较大的中低压器件以提升单位产量晶圆面积增加单位晶圆产出芯片量提升芯片成本降低因此功率器件龙头厂商均布局了12英寸产线将用量较大的中低压功率器件放于12英寸线上生产此外由于12英寸硅片仅能用直拉法CZ生产因此需要区熔法FZ硅片的中高功率器件还是以8英寸及以下产线为主图1212英寸工艺适用产品及应用资料来源Yole国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容13证券研究报告相比8英寸产线12英寸线设备更易购买且具备成本优势芯片数量翻倍前道成本将降低20-30左右一条12英寸线建设需经历厂房建设设备安装及验证投产后还需进行洗线从简单工艺平台到复杂工艺平台进行调试并达到稳定生产状态需要2年以上的时间图1312英寸线建设过程及成本优势资料来源Yole国信证券经济研究所整理大功率应用向宽禁带半导体器件发展随着终端应用电子架构复杂程度提升硅基器件物理极限无法满足部分高压高温高频及低功耗的应用要求具备热导率高临界击穿场强高电子饱和漂移速率高等特点的碳化硅SiC器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现应用于新能源汽车光伏等领域在电力电子设备中实现对电能的高效管理以逆变器为例碳化硅模块代替硅基IGBT后逆变器输出功率可增至硅基系统的25倍体积缩小15倍功率密度为原有36倍最终实现系统成本整体降低图14不同半导体材料对应的应用领域资料来源英飞凌国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容14证券研究报告全球格局渐稳新能源触发新一轮变革历经整合洗牌行业格局渐清晰回顾功率半导体行业历史市场需求驱动力来源于用电场景的变化从消费电子外延至高铁变频白电工控及新能源我们以英飞凌安森美意法半导体三大功率器件厂商营收增速及各公司年报为参考对行业增长动因进行剖析2013年前功率器件需求来源集中在消费电子传统汽车照明等领域2013年-2015年随亚洲光伏设施扩建高铁快速发展为中高压功率器件如IGBT带来了应用场景及需求而后2016年后由于对工业用电效率提升及家电功耗降低的要求变频化成为了此阶段功率半导体的新增动能IPM等模块产品大量开始应用自2020年开始新能源发电与新能源汽车从试点推广向需求驱动阶段转变用电场景大幅增加功率半导体进入景气长周期图152006-2022年功率半导体代表公司营收增长动因复盘增速资料来源Bloomberg各公司公告2223年增速为Bloomberg一致预期国信证券经济研究所整理市场集中度不高第一大厂商市占率不到20从CR5的集中度及各厂商市占率看2014年前功率半导体市场集中度较低各家市占率接近在经历2010-2013年的下行周期后2014-2016年行业进入并购整合期行业集中度大幅提升2015年英飞凌完成美国国际整流器公司IR的并购收购韩国企业LSPowerSemitech的所有股权收购专注于驾驶辅助系统的PCB制造商SchweizerElectronicandTTTech的股权NXPfreescale合并安森美半导体OnSemiconductor宣布并购仙童半导体Fairchild行业重整后龙头效应凸显CR5稳定格局已成进入2019年各家开始新一轮并购CR5格局至今保持稳定Diodes宣布收购德州仪器晶圆制造厂GFAB英飞凌收购赛普拉斯提升汽车半导体市占率罗姆宣布收购松下半导体的二极管和三极管业务以扩充汽车工业市场份额安森美半导体宣布以43亿美元收购格芯位于美国纽约州的300mm晶圆厂获取格芯先进的CMOSMOSFET和IGBT制造能力瑞萨以67亿美元收购IDT请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容15证券研究报告图162010-2020功率半导体行业集中度变化情况资料来源英飞凌Bloomberg国信证券经济研究所整理碳化硅引领行业增速汽车新能源与工控驱动行业增长2021-2025年全球功率器件市场将由259亿美元增至357亿美元年复合增速约为84其中宽禁带半导体如碳化硅氮化镓市场增速最快均超40结合OmdiaYole数据我们测算25年全球碳化硅器件市场将达43亿美元占12IGBT为最主要器件受益于汽车新能源等新增应用市场规模将从21年97亿美元快速增至136亿美元占38年复合增速约为128MOSFET消费类应用等存量市场下降而汽车新能源等新增应用增长市场基本保持稳定25年市场规模约为104亿美元占29图172021-2025全球功率器件市场规模及增速按器件类型分亿美元资料来源OmdiaYole国信证券经济研究所测算请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容16证券研究报告2025年汽车和工控将成为功率器件最主要市场占比达41和30结合OmdiaYole数据我们测算2025年全球汽车含新能源汽车功率器件市场将增至142亿美元占4121-25年复合增速最快为18工控市场将增至107亿美元占3021-25年复合增速为13新能源发电市场将增至20亿美元占621-25年复合增速达13此外电网市场将增至8亿美元占221-25年复合增速达19图182021-2025全球功率器件市场空间及增速按应用分亿美元资料来源Omdia国信证券经济研究所测算新能源汽车中电能取代燃油成为汽车驱动的能量来源每次电流电压的变换均需用到功率器件三电系统即电池电机及电控系统取代汽油发动机油箱或变速器同时配套新增DC-DC模块电机控制系统电池管理系统及高压电路等系统以完成电能在汽车中的分配与管理以纯电动汽车为例在驱动端电流依次经外部充电设备车载充电机OBC输入为交流电流时使用电池逆变器电机电控减速箱及车轮同时通过电池管理系统进行能量管理在车身及辅助系统端电流从电池处流出经过DC-DC转换器低压电池辅助系统图19汽车电动化框架资料来源意法半导体国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容17证券研究报告汽车电动化加速功率器件单车价值量最多将增至700美金以上根据英飞凌汽车事业部数据汽车电动化和智能化芯片市场未来五年将分别以22和21的复合增速快速增长21年纯电动汽车功率器件单车价值量约450美元其中主逆变器占70车载充电器OBCBMS及DC-DC电源等系统占30随着自动驾驶汽车功率提升碳化硅及氮化镓加速渗透25年纯电动汽车功率器件单车价值量将约700美元图2021-27年汽车半导体单车价值量变化及市场情况资料来源英飞凌国信证券经济研究所整理工业电机及其控制系统的用电量将增至全球耗电量的一半其中通用变频器占60根据英飞凌数据预计到2040年工业电机系统中电机耗电量将占60全球工业驱动市场高压电机变频器1kV占9中低电压驱动1kV占91其中约三分之二为通用型占60包括风机泵类和空气压缩机及升降起重电机和船舶驱动等领域约三分之一为伺服驱动包括协作机器人物流机器人等以协作机器人为例其单机半导体价值量达350欧元其中功率器件约200欧元图21全球工业驱动市场情况与应用资料来源英飞凌国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容18证券研究报告新能源发电带来电网架构变革光伏风电储能及新型电网均为功率器件应用增量随着光伏风电及储能等新型直流装备将接入配电网配电网的整体架构随之发生变化直流设备接入交流电网再以直流或交流的形式分配于储能设备中每次电能变换均需用到功率器件根据英飞凌数据光伏风电与储能的逆变器等配电装置单位MW的功率器件价值量分别在2000-35002000-50002500-3500欧元左右此外由于配电网遭受的扰动类型会明显增加电网中将有越来越多的如中高压大容量AC-DC换流器DC-DC直流变压器以及直流断路器等装置对应地IGBT等中高压功率器件用量将大幅增加图22新能源发电带来的电网变革图23新能源发电功率半导体单位价值量与每年发电量资料来源国信证券经济研究所整理资料来源英飞凌国信证券经济研究所整理家电变频化带来半导体单机价值量提升白电IPM模块国产化空间大根据英飞凌数据随着家用空调商用空调冰箱洗衣机和热泵的变频化变速电机的应用使得半导体单机价值量由07欧元提升至95欧元其中IPM模块IGBT等功率半导体大量应用于变频白电中以实现电流频率的变化根据产业在线统计尽管中国已成为全球最大的白色家电生产基地其中空调占全球80的产能冰箱和洗衣机亦超50然而家电IPM模块国产比例仍小于15国产化空间较大图24家电变频化半导体单机价值量提升图252017年-2021年我国白电IPM模块国产化率资料来源英飞凌国信证券经济研究所整理资料来源产业在线国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容19证券研究报告碳化硅为增速最快的功率器件21-25年CAGR42预计25年全球碳化硅器件市场将超43亿美元与Si相比SiC击穿场强是Si的10倍这意味着同样电压等级SiCMOSFET外延层厚度只需要Si的十分之一对应漂移区阻抗大大降低且SiC禁带宽度是Si的3倍导电能力更强同时SiC热导率及熔点非常高是Si的2-3倍SiC电子饱和速度是Si的2-3倍能够实现10倍的工作频率因此与IGBT相比SiC器件开关损耗最多可减少74图26碳化硅应用优势及市场空间亿美元资料来源罗姆OmdiaYole国信证券经济研究所整理结合Yole数据我们预计SiC器件市场将从2021年109亿美元增至2025年43亿美元以上复合增速达42其中新能源汽车将从2021年67亿增至2025年34亿美元复合增速51占整个市场80除汽车外光伏风电及储能等新能源市场将从2021年154亿美元增加至2025年514亿美元此外充电设施轨道交通和电机驱动等领域也将快速增加存量替代与增量渗透驱动中国企业快速成长中国企业份额提升迅速产品结构不断升级2021年亚太地区占全球功率半导体市场的743其中中国厂商成长迅速根据Yole数据亚太地区在全球功率半导体市场的占比由2020年714增加到2021年的743中国企业在各细分市场成长迅速2021年全球IGBT分立器件市场士兰微市占率35位列第八在智能功率模块IPMIntelligentPowerModule领域士兰微市占率22位列第八华微电子市占率10位列第十在IGBT模块领域斯达半导市占率30位列第六时代电气市占率20位列第十在MOSFET分立器件领域华润微市占率40位列第八安世半导体市占率37位列第九士兰微市占率30位列第十请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容20