功率半导体行业深度报告：行业需求风起云涌功率半导体国产替代正当时.pdf

证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 2021 年 02 月 28 日 行业研究 评级 :推荐 （ 维持 ） 研究所 证券分析师： 吴吉森 S0350520050002 联系人 ： 何昊 S0350120080069 行业需求风起云涌，功率半导体国产替代正当时 功率半导体 行业深度报告 最近一年行业走势 行业相对表现 表现 1M 3M 12M 电子 -3.4 -0.5 11.3 沪深 300 -0.3 7.1 35.4 相关报告 电子行业周报：电子板块震荡、分化格局何 时休 2021-02-21 电子行业周报：苹果公司 2021 年第一财季 业绩解读 2021-01-31 电子行业深度报告： 2020Q4 电子板块公募 基金持仓走势解析 2021-01-31 电子行业周报： 2021M1 价格涨幅再超预 期，强烈推荐面板龙头 2021-01-25 电子行业周报：台积电 2020Q4 业绩解读及 2021Q1 展望 2021-01-18 投资要点： 功率半导体是电子装置核心器件，应用广泛且分散。 功率半导体是 电子装置电能转换与电路控制的核心，本质上是通过利用半导体的 单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。功能半导体包括功率 IC 和功率器件，是系统应用的核心器件，战略地位十分突出。功率 半导体具体用途是变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等。 从产品种类看，根据智研咨询统计数据， 2019 年功率半导体最大的 细分领域是功率 IC，占比 54.30%， MOSFET 占比 16.40%， IGBT 占比 12.40%，功率二极管 /整流桥占比 14.80%。 下游应用多点开花，功率半导体国产替代空间广阔。 功率半导体的 应用领域非常广泛，根据 Yole 数据， 2019 年全球功率半导体器件 市场规模为 175 亿美元。从下游应用来看，汽车、工业和消费电子 是前三大终端市场，根据中商产业研究院数据， 2019 年汽车领域占 全球功率半导体市场的 35.4%，工业领域占比为 26.8%，消费电子 占比为 13.2%。 受益于新能源汽车 、 5G 基站、 变频家电 等下游需求 强劲， 叠加“新基建”、第三代半导体等政策全力助推，快充充电头、 光伏 /风电装机、特高压、城际高铁交通对功率器件的需求也快速扩 张，功率器件迎来景气周期， Yole 预测到 2025 年全球功率器件市 场或达 225 亿美元， 2019-2025 年 CAGR 为 4.28%。从竞争格局看， 行业龙头为英飞凌、安森美、意法半导体等欧美大厂，目前我国功 率半导体市场约占全球四成，大陆厂商以二极管、中低压 MOSFET、 晶闸管等产品为主，整体呈现中高端产品供给不足、约九成依赖进 口的态势，国内以斯达半导、捷捷微电、新洁能等为代表的的功率 厂商相继实现技术突 破，日渐崛起，国产替代空间广阔。 第三代半导体前景广阔，国内企业加码布局。 半导体性能要求不断 提高，在高温、强辐射、大功率环境下，第一、二代半导体材料效 果不佳，以 SiC 和 GaN 为代表的的第三代半导体材料崭露头角。从 下游应用来看，智研咨询数据显示，电动汽车、电源和光伏为碳化 硅功率器件的前三大终端市场，三者合计占比约 67%，爱集微数据 显示，碳化硅功率器件市场规模从 2016 年的 16.1 亿元增至 2019 年的 26.4 亿元， CAGR 为 17.92%。受新能源汽车、光伏等下游景 气需求驱动， IHS 预计 2025 年碳化硅功率器件的 市场规模将达到 30 亿美元， 2019-2025 年 CAGR 为 30.4%； GaN 适用于高频高压 领域， Yole 数据显示， 2017 年全球氮化镓功率器件市场规模为 3.8 -30.00% -20.00% -10.00% 0.00% 10.00% 20.00% 30.00% 40.00% 50.00% 电子 沪深 300 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 2 亿美元，新能源汽车快速增长，电网对输电性能要求提高将推动氮 化镓功率器件市场快速发展， 5G 基站建设将大幅度带动氮化镓功率 器件市场， Yole 预计 2023 年市场规模将达到 13 亿美元， 2019 年 -2023 年 CAGR 为 22.9%。从竞争格局来看，以英飞凌、安森美、 罗姆等为代表的欧美日老牌功率大厂具备先发优势，斯达半导、华 润微、中车电气时代等国产厂商加码布局第三代半 导体赛道，目前 国内 SiC 产业链已初具雏形。 行业评级： 功率半导体下游多个应用领域需求全面开花，正进入量 价齐升的景气周期。国内优秀企业持续取得技术突破并扩充产能， 我国功率半导体发展前景明朗，给予行业“推荐”评级。 推荐标的： 斯达半导（ 603290.SH）：国内 IGBT 龙头，投建车规级 SiC 模组成长可期；捷捷微电（ 300623.SZ） :国内晶闸管龙头，产 品边界不断拓宽成长可期；新洁能（ 605111.SH）：国内 MOSFET 领先企业，乘风而起快速成长；华润微（ 688396.SH）： 2020 年业 绩预告亮眼，功率 IDM 龙头盈利加速释放；立昂微（ 605358.SH）： 内生外延并举，积极布局功率赛道成长可期。 风险提示： 行业竞争加剧；国内企业研发进度不及预期；国产替代 进度不及预期； 推荐公司业绩不达预期； 新冠疫情反弹。 重点关注公司及盈利预测 重点公司 股票 2021-02-28 EPS PE 投资 代码 名称 股价 2019 2020E 2021E 2019 2020E 2021E 评级 300623.SZ 捷捷微电 39.38 0.62 0.59 0.77 63.52 66.75 51.14 买入 603290.SH 斯达半导 226.0 1.13 1.23 1.67 200.0 183.74 135.33 买入 605111.SH 新洁能 176.8 1.29 1.46 1.99 137.05 121.1 88.84 买入 605358.SH 立昂微 86.16 0.36 0.5 0.73 239.33 172.32 118.03 买入 688396.SH 华润微 60.81 0.48 0.79 1.03 126.69 76.97 59.04 买入 资料来源： Wind 资讯 ，国海证券研究所 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 3 内容目录 1、 功率半导体是电子装置核心器件，应用广泛且分散 . 6 1.1、 功率半导体是电能转换与电路控制的核心 . 6 1.2、 功率半导体 分类 . 6 1.3、 功率 IC：功率器件与其他元器件集成，用于小电流环境 . 11 2、 新能源汽车、 5G、工业和智能电网等景气需求驱动行业发展，功率器件市场规模 2025 年或达 225 亿美元 . 13 2.1、 新能源汽车功率半导体成本占比过半，前景广阔 . 14 2.2、 5G 时代已来，通信行业对功率半导体需求激增 . 17 2.3、 IGBT 贡献工业和智能电网领域功率半导体主要增量， 2020 年市场规模或超 150 亿美元 . 18 3、 功率半导体欧美日三足鼎立，国产替代正当时 . 20 3.1、 欧美日厂商 实力强劲，大陆厂商日渐崛起 . 20 3.2、 供需缺口较大，国内功率器件近九成依赖进口 . 21 3.3、 二极管：市场集中度低，有望率先实现国产替代 . 23 3.4、 MOSFET：中低压市场国产替代正当时，高压市场取得突破 . 24 3.5、 IGBT：欧美日大厂占据主要份额，国内供需失衡国产替代空间广阔 . 25 4、 第三代半导体前景广阔，国内企业加码布局 . 28 4.1、 第三代半导 体器件国内 2022 年市场规模或超 600 亿元，各大企业加码布局 . 28 4.2、 碳化硅功率器件：国内产业链已初具雏形， 2025 年 SiC 功率器件市场规模或达 30 亿美元 . 30 4.3、 氮化镓（ GaN）：适用于高频高压领域， 2023 年 GaN 功率器件市场规模或达 13 亿美元 . 36 5、 行业评级 . 38 6、 受益标的 . 39 6.1、 斯达半导（ 603290.SH）：国内 IGBT 龙头，投建车规级 SiC 模组成长可期 . 39 6.2、 捷捷微电（ 300623.SZ）：国内晶闸管龙头，产品边界不断拓宽成长可期 . 39 6.3、 新洁能（ 605111.SH）：国内 MOSFET 领先企业，乘风而起快速成长 . 40 6.4、 华润微（ 688396.SH）： 2020 年业绩预告亮眼，功率 IDM 龙头盈利加速释放 . 41 6.5、 立昂微（ 605358.SH）：内生外延并举，积极布局功率赛道成长可期 . 42 7、 风险提示 . 43 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 4 图表目录 图 1 ：功率器件分类 .错误 !未定义书签。 图 2 ：功率半导体应用领域 . 8 图 3： 2019 年功率半导体下游市场结构占比 . 8 图 4 ：二极管结构示意图 . 8 图 5：二极管单向导通示意图 . 8 图 6 ： MOSFET 结构图 . 9 图 7 ：全球 MOSFET 市场规模稳步增长 . 10 图 8： 2022 年 MOSFET 终端应用占比预测 . 10 图 9 ： IGBT 结构图 . 10 图 10 ： IGBT 主要应用领域 . 11 图 11 ：全球 IGBT 市场规模持续增长 . 11 图 12 ：全球功率半导体市场规模稳步增长 . 13 图 13：汽车为功率半导体最主要终端应用 . 13 图 14 ：全球功率器件市场规模预计 2025 年或达 225 亿美元 . 13 图 15 ： 电动汽车主要功率模块图解 . 14 图 16 ：功率半导体为新能源汽车成本最主要组成部分 . 15 图 17 ： 新能源汽车出货量快速增长 . 16 图 18 ：全球汽车功率半导体市场规模 2023 年或达 136 亿美元 . 16 图 19 ：充电桩安装数量快速增长 . 17 图 20：充电桩功率半导体市场规模快速增长 . 17 图 21 ：充电桩安装数量快速增长 . 17 图 22：充电桩功率半导体市场规模快速增长 . 17 图 23 ：我国新 增 5G 基站建设数量 . 18 图 24：通信功率半导体市场规模稳步增长 . 18 图 25 ：工业功率半导体市场规模稳步增长 . 19 图 26 ： 全球新增光伏装机量预测 . 19 图 27：全球光伏功率半导体市场规模预测 . 19 图 28 ： 2019 年功率器件竞争格局情况 . 21 图 29： 2019 年 MOSFET 竞争格局情况 . 21 图 30 ： 2019 年 IGBT 芯片竞争格局情况 . 21 图 31： 2019 年 IGBT 模块竞争格局情况 . 22 图 32 ： 2018 年中国大陆功率器件自给率 . 23 图 33： 2018 年全球功率器件需求按区域划分 占比 . 23 图 34 ： 英飞凌分立器件交货周期和价格趋势 . 23 图 35：意法半导体分立器件交货周期和价格趋势 . 23 图 36 ：二极管市场规模预测稳步增长 . 25 图 37： 二极管进出口数量逐步减少 . 25 图 38 ： 大陆 MOSFET 竞争格局 . 25 图 39 ： 英飞凌营收稳步增长 . 27 图 40： 英飞凌净利润变化情况 . 27 图 41 ： 2019 年英飞凌各地区营收占比 . 27 图 42： 2019 年英飞凌营收结构 . 27 图 43 ： 中国 IGBT 市场供需对比 . 28 图 44 ：硅基材料和第三代半导体材料适用领域 . 30 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 5 图 45 ： 2018 年 SiC 和 GaN 销售额 . 30 图 46： 我国第三代半导体器件市场规模增长空间明显 . 30 图 47 ： 2017-2019 年 SiC 和 GaN 投资情况 . 31 图 48 ： 碳化硅功率器件相比硅基材料优点 . 32 图 49 ： SiC 二极管与 Si 二极管性能对比 . 32 图 50 ： SiC MOSFET 和 IGBT 对比 . 33 图 51 ： SiC 器件市场规模不断增长 . 34 图 52： 2019 年 SiC 功率器件下游应用 . 34 图 53 ：新能源汽车 SiC 市场规模 2024 年或超 9 亿美元 . 34 图 54： SiC 二极管和晶体管市场规模 . 34 图 55 ：轨道交通中 SiC 功率器件占比预测 . 35 图 56： 光伏逆变器 SiC 功率器件占比预测 . 35 图 57 ： 碳化硅功率器件市场规模 2025 年或达 30 亿美元 . 36 图 58 ： SiC 产业链主要厂商 . 36 图 59 ：氮化镓优异特性 . 37 图 60 ：氮化镓器件产业链及主要企业 . 38 图 61 ： 2019 年 GaN 市场份额 . 39 图 62： GaN 功率器件竞争格局 . 39 图 63 ： 2023 年氮化镓功率器件市场规模或达 13 亿美元 . 39 图 64 ： 斯达半导营收快速增长 . 41 图 65： 斯达半导营利润快速增长 . 41 图 66 ： 捷捷微电营业收入稳步增长 . 42 图 67： 捷捷微电净利润稳步增长 . 42 图 68 ： 新洁能营业收入持续增长 . 43 图 69： 新洁能净利润 2020 年开始回暖 . 43 图 70 ：华润微营业收入变化情况 . 44 图 71： 华润微净利润变化情况 . 44 图 72 ： 立昂微营业收入变化情况 . 44 图 73： 立昂微归母净利润变化情况 . 44 图 74 ： 士兰微营业收入稳步增长 . 45 图 75： 士兰微归母净利润增长情况 . 45 表 1 ：电力转换的四种基本模式 . 6 表 2 ：功率器件各项参数及其应用领域对比 . 8 表 3 ： 5G 基站相较于 4G 基站功耗对比（单位： W） . 18 表 4 ：中国厂商与国外厂商对比 . 21 表 5 ：国内可用于功率 器件制造的晶圆线产能 . 24 表 6 ：国内新增晶圆产线 . 24 表 7 ：全球 IGBT 器件供应商排名 . 26 表 8 ：全球 IGBT 供应商排名（按电压） . 27 表 9 ：三代半导体材料对比 . 29 表 10 ： 2019 年国内部分重点第三代半导体领域投资项目 . 31 表 11 ： Si 基器件与 SiC 器件价格对比 . 33 表 12 ：碳化硅在电动汽车应用情况 . 34 表 13 ：中美日 SiC 在新能源汽车中的应用进展 . 35 表 14 ：国内碳化硅产业链代表企业 . 37 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 6 1、 功率半导体是电子装置核心器件， 应用广泛且分散 1.1、 功率半导体是电能转换与电路控制的核心 功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，本质上，是通过利用半导 体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。 无论是水电、核电、火电还是风电， 甚至各种电池提供的化学电能，大部分均无法直接使用， 75%以上的电能应用需由功 率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。 模拟 IC 中的电源管理 IC 与分立器件中的功率器件功能相似，二者经常集成在 一颗芯片中，因此功率半导体包括功率 IC 和功率器件。功率半导体的具体用途是变 频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等 ，相关产品具有节能的作用，被广泛应 用于汽车、通信、消费电子和工业领域。在汽车中，汽车蓄电池的输入电压在 12V-36V， 而民用电电压为 220V，将民用电电压转换至输入电压的过程叫做变压。蓄电池的输 入电流一般是直流电，将交流电转换为直流电的过程叫做整流。汽车运行时，蓄电池 持续输出直流电，而汽车的各个模块需要使用交流电，交流电转换为直流电的过程叫 做逆变。汽车蓄电池输出的电压很低，无法满足各个模块的需求，将低电压转换成高 电压的过程叫做增幅。电动汽车的马达使用的电流是三相电。首先，蓄电池输出的直 流电经过逆变后成为单向 交流电，将单向交流电变为三相电的过程叫做变相。 表 1： 电力转换的四种基本模式 转换形式 代表设备 实现功能 AC-AC 变压器 升降压，常用在输配电系统中 AC-DC 整流器 将交流电转化为直流电，常用在电器电源中 DC-AC 逆变器 将直流电转化为交流电，常用在变频器中 DC-DC 稳压器 斩波，常用在仪器仪表中 资料来源：基业长青、国海证券研究所 1.2、 功率半导体分类 功率半导体主要分为功率器件、功率 IC。其中功率器件经历了近 70 年的发展历 程： 20 世纪 40 年代，功率器件以二极管为主，主要产品是肖特基二极管、快恢复二 极管等；晶闸管出现于 1958 年，兴盛于六七十年代；近 20 年来各个领域对功率器件 的电压和频率要求越来越严格， MOSFET 和 IGBT 逐渐成为主流，多个 IGBT 可以集 成为 IPM 模块，用于大电流和大电压的环境。功率 IC 是由功率半导体与驱动电路、 电源管理芯片等集成而来的模块，主要应用在小电流和低电压的环境。 根据可控性分类 根据功率半导体的可控性可以将功率半导体分为三类，第一类是不可控型功率器 件，主要是功率二极管。功率二极管一般为两端器件，其中一端为阴极，另 一端为阳 极，二极管的开关操作完全取决于施加在阴极和阳极的电压，正向导通，反向阻断， 电流的方向也是单向的，只能正向通过。二极管的开通和关断都不能通过器件本身进 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 7 行控制，因此将这类器件称为不可控器件。 第二类是半控型功率器件，半控型器件主要是晶闸管（ SCR）及其派生器件，如 双向晶闸管、逆导晶闸管等。这类器件一般是三段器件，除阳极和阴极外，还增加了 一个控制用门极。半控型器件也具有单向导电性，其开通不仅需在阳极和阴极间施加 正向电压，还必须在门极和阴极间输入正向可控功率。这类器件一旦开通就无法通过 门极控制关断，只能从外 部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电流变为零。 这类器件的开通可控而关断不可控，因此被称之为半控型器件。 第三类是是全控型器件，以 IGBT 和 MOSFET 等器件为主。这类器件也是带有 控制端的三端器件，其控制端不仅可以控制开通，也能控制关断，因此称之为全控型 器件。 图 1： 功率器件分类 资料来源：国海证券研究所 根据驱动形式分类 根据驱动形式的不同，我们将功率半导体分为三类，第一类是电流驱动型，第二 类是电压驱动型，第三类是光驱动型。 电流驱动型器件有 SCR、 BJT、 GTO 等，这类器件必须有足够的驱动电流才能 使器件导通或者关断，本质上是通过极电流来控制器件。 GTO 和 SCR 一般通过脉冲 电流控制， BJT 则需要通过持续的电流控制。 电压控制型电路主要是 IGBT 和 MOSFET 等，这类器件的导通和关断只需要特 定的电压和很小的驱动电流，因此器件的驱动功率很小，驱动电路比较简单。 光控型器件一般是专门制造的功率半导体器件，如光控晶闸管。这类器件的开关 行为通过光纤和专用光发射器来控制，不依赖电流或者电压驱动。 从下游应用市场结构来看， 2019年功率半导体下游主要是功率 IC，占比 54.30%， 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 8 其次分别是 MOSFET 以及功率二极管 /整流桥，占比分别为 16.40%和 14.80%。 IGBT 位列第四，占比 12.40%。 表 2：功率器件各项参数及其应用领域对比 类型 可控性 驱动形式 导通方向 电压 特点 应用领域 二极管 不可控型 电流驱动 单向 低于 1V 电压电流较小，只能单向导电 电子设备、工业 晶闸管 半控型 电压驱动 单向 几千伏 体积小、耐压高 工业、 UPS、电焊机、变频器 IGBT 全控型 电压驱动 双向 600V 以上 能承受高电压，不能放大电压 电机、逆变器、高铁、汽车 MOSFET 全控型 电压驱动 双向 十几伏到 1000 伏 开关频率高，不耐超高压，可改变电压 高速开关电源 资料来源：菱端电子、国海证券研究所 图 2： 功率半导体应用领域 图 3： 2019 年功率半导体市场结构占比 资资料来源： Applied Materials、国海证券研究所 资料来源：智研咨询、国海证券研究所 1.2.1、 二极管：最简单的功率器件 二极管是最简单的功率器件，由 P 极和 N 极形成 PN 结结构，电流只能从 P 极 流向 N 极。 二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流单向只能通过。 二极管的 作用有整流电路、检波电路、稳压电路和各种调制电路。二极管承受的电压和电流较 低（锗管导通电压为 0.3V，硅管为 0.7V），电流一般不超过几十毫安，电压和电流过 高会导致二极管被击穿。常见的二极管有肖特基二极管、快恢复二极管、 TVS 二极 管等。 图 4： 二极管结构示意图 图 5： 二极管单向导通示意图 资料来源：电子发烧友网、国海证券研究所 资料来源：富士电机、国海证券研究所 功率 IC, 54.30%MOSFET, 16.40% IGBT, 12.40% 功率二极 管 /整流桥 , 14.80% 其他 , 2.10% 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 9 二极管应用：二极管是最简单的功率器件，由于二极管具有单向导电的特性， 通常用于稳压电路、整流电路、检波电路等。 齐纳二极管通常用于稳压电路，在达到 反向击穿电压前，齐纳二极管的电阻非常高。达到反向击穿电压时，反向电阻降低， 在这个低阻区中电流增加而电压保持恒定。 TVS 二极管常用于电路保护， TVS 管的 响应速度很高，当 TVS 管两端经受瞬间高能量冲击时， TVS 能以极高的速度将高阻 抗降为低阻抗，从而吸收大电流，保护电路。 二极管市场规模：整流器由二极管与一些金属堆叠而成，二者在功能上相似， 因此将二极管和整流器合并研究。 根据 Yole 的数据， 2019 年全球二极管及整流器市 场规模为 39.93 亿美元，占功率器件市场规模的 23.99%。 1.2.2、 MOSFET：高频开关，功率器件最大市场 金属 -氧化物半导体场效应晶体管，可广泛运用于数字电路和模拟电路。 MOSFET 由 P 极、 N 极、 G 栅极、 S 源极和 D 漏级组成。金属栅极与 N 极、 P 极之间有一层二 氧化硅绝缘层，电阻非常高。不断增加 G 与 S 间的电压至特定程度，绝缘层电阻减 小，形成导电沟道，从而控制漏极电流。因此 MOSFET 是通过电压来控制导通，在 G 与 S 间施加特定电压即可导通，不施加电压则关断，器件通断完全可控。 MOSFET 的优点是开关速度很高，通常在几十纳秒至几百纳秒，开关损耗很小，通常用于开关 电源，缺点是在高压环 境下压降很高，随着电压上升电阻变大，传导损耗很高。 MOSFET 的导通与阻断都由电压控制，电流可以双向通过。 图 6： MOSFET 结构图 资料来源：电子发烧友、国海证券研究所 MOSFET 工作原理： MOSFET 本质上是一个开关，开关的导通和关断完全可控。 通过脉宽调制， MOSFET 可以完成变频等功能。假设一个器件前 1 秒输入电压为 100V， 后 1 秒 MOSFET 关断，这 2 秒内相当于持续输入 50V 的等效电压，这就是脉宽调制 的原理。通过控制 MOSFET 导通关断可以改变电压和频率。 MOSFET 是功率器件最大市场。 MOSFET 在功率器件中占比最高， Yole 数据显 示， 2019 年全球 MOSFET 市场规模为 68.54 亿 美 元，占功率器件市场的 41.18%。 MOSFET 的优点在于稳定性好，适用于 AC/DC 开关电源、 DC/DC 转换器，因此 MOSFET 通常用于计算机、消费电子、汽车和工业等领域。 MEMS 预测到 2022 年 MOSFET下游应用中，汽车占比为 22%，计算机及存储占比为 19%，工业占比为 14%。 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 10 图 7： 全球 MOSFET 市场规模稳步增长 图 8： 2022 年 MOSFET 终端应用占比预测 资料来源： Yole、国海证券研究所 资料来源： MEMS、国海证券研究所 1.2.3、 IGBT：电力电子行业“ CPU” 绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT(双极型三极管）和 MOS（绝缘栅型场效应管） 组成的复合式半导体。 IGBT 兼具 MOS 和 BJT 的优点，导通原理与 MOSFET 类似， 都是通过电压驱动进行导通。 IGBT 在克服了 MOSFET 缺点，拥有高输入阻抗和低导 通压降的特点，在高压环境下传导损耗较小。 IGBT 是电机驱动的核心，广泛应用与 逆变器、变频器等，在 UPS、开关电源、电车、交流电机等领域，逐步替代 GTO、 GTR 等产品 。 IGBT 的应用范围一般都在耐压 600V 以上，电流 10A 以上，频率 1KHz 以上的区域。 IGBT 固有结构导致其作为高频开关时损耗较大， IGBT 工作频率通常 为 40-50KHz。 IGBT 的导通与阻断都受电压控制，可以双向导通。 图 9： IGBT 结构图 资料来源： 21ic、国海证券研究所 IGBT 应用： IGBT 的应用领域非常广泛，小到家电、数码产品，大到航空航天、 高铁等领域，新能源汽车、智能电网等新兴应用也会大量使用 IGBT。按电压需求分 类，消费类电子应用的 IGBT 电压通常在 600V 以下，太阳能逆变器需要 1200V 的低 损耗 IGBT，动车使用的 IGBT 电压在 1700V 至 6500V 之间，智能电网应用的 IGBT 通常为 3300V。 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2015 2016 2017 2018 2019 2020E MOSFET市场规模（亿美元） 同比 汽车 , 22% 计算机及 存储 , 19% 工业 , 14% 其他 , 45% 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 11 图 10： IGBT 主要应用领域 资料来源：摩尔精英、国海证券研究所 IGBT 分为 IGBT 芯片和 IGBT 模块，其中 IGBT 模块是由 IGBT 芯片封装而来， 具有参数优秀、最高电压高、引线电感小的特点，是 IGBT 最常见的应用形式， IGBT 模块常用于大电流和大电压环境。根据 ASMC 数据， 2019 年全球 IGBT 市场规模 52.54 亿美元，占功率器件市场规模的 30.10%。其中 IGBT 芯片市场规模为 12.31 亿美元， 占比 23.43%， IGBT 模块市场规模为 40.23 亿美元，占比 76.57%。 图 11： 全球 IGBT 市场规模持续增长 资料来源： ASMC、国海证券研究所 1.3、 功率 IC：功率器件与其他元器件集成，用于小电 流环境 功率 IC 通常由功率器件、电源管理芯片和驱动电路集成而来，能承受的电流比 较小，能承受大电流的模块一般是 IGBT 集成形成的 IPM 模块。功率 IC 可以分为以 0 10 20 30 40 50 60 2016 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E IGBT芯片市场规模（亿美元） IGBT模块市场规模（亿美元） 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 12 下五大类：线性稳压器、开关稳压器、电压基准、开关 IC 和其他功率 IC。 线性稳压器：传统线性稳压器、 LDO 稳压器； 开关稳压器： AC-DC 开关稳压器、 DC-DC 开关稳压器、隔离开关控制器、 非隔离开关控制器； 开关 IC：电压监控器、定序器、开关、热插拔控制器、以太网电源控制器； 电压基准：缓冲放大器、交流放大器； 其他功率管理 IC：以太网供电控制器、功率因数校正控制器、多通道电源管 理 IC、多芯片功率级、单芯片功率级、热插拔控制器和其他电源管理 IC。 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 13 2、 新能源汽车、 5G、工业和智能电网等景气需求驱动 行业发展，功率器件市场规模 2025 年或达 225 亿美元 功率半导体的应用领域非常广泛，根据 Yole 数据， 2019 年全球功率半导体市场 规模为 381 亿美元，预计到 2022 年达到 426 亿美元，复合增长率为 3.79%。其中， 汽车、工业和消费电子是功率半导体的前三大终端市场。根据智研咨询的数据， 2019 年汽车领域占全球功率半导体市场的 35.40%，工业领域占比为 26.80%，消费电子占 比为 13.20%。随着对节能减排的需求日益迫切，功率半导体的应用领域从传统的工 业领域和 4C 领域逐步进入新能源、智能电网、轨道交通、变频家电等市场。 图 12： 全球功率半导体市场规模稳步增长 图 13： 汽车为功率半导体最主要终端应用 资料来源： Yole 预测、国海证券研究所 资料来源：智研咨询、国海证券研究所 作为功率半导体的重要分支，受益于工业、电网、新能源汽车和消费电子领域新 兴应用不断出现，功率器件市场规模不断增长。根据 Yole 数据， 2019 年全球功率器 件市场规模为 175 亿美元，预计到 2025 年 全球功率器件市场或 达 225 亿美元， 2019-2025 年 CAGR 为 4.28%。 图 14： 全球功率器件市场规模预计 2025 年或达 225 亿美元 资料来源： Yole、国海证券研究所 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 0 100 200 300 400 500 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E 全球功率半导体市场规模（亿美元 ) 同比 汽车 , 35.4% 消费电子 , 13.2% 工业 , 26.8% 其他 , 24.6% 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 14 2.1、 新能源汽车功率半导体成本占比过半，前景广阔 汽车中使用最多的半导体分别是传感器、 MCU 和功率半导体。 其中 MCU 占比 最高，其次是功率半导体，功率半导体主要运用在动力控制系统、照明系统、燃油喷 射、底盘安全系统中。传统汽车中，功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域， 新能源汽车普遍采用高压电路，当电池输出高压时，需要频繁进行电压变化，对电压 转换电路需求提升，此外还需要大量的 DC-AC 逆变器、变压器、换流器等，这些对 IGBT、 MOSFET、二极管等半导体器件的需求量很大。汽车电机控制系统中需要使 用数十个 IGBT，以特斯拉 Model X 为例，特斯拉后三相交流异步电机每相要用到 28 个 IGBT，总共使用 84 个 IGBT，加上电机其 他部位的 IGBT， Model X 后电机共使用 96 个 IGBT，前电机使用 36 个 IGBT， Model X 共使用 132 个 IGBT。按照每个 IGBT 4-5 美元的价格计算，双电机 IGBT 价格约 650 美元，如果使用 IGBT 模块则约为 1200 美元。 单辆汽车的功率转换系统主要有 ：（ 1）车载充电机；（ 2） DC/AC 系统，给汽车 空调系统、车灯系统供电；（ 3） DC/DC 转换器（ 300v 到 14v 的转换），给车载小功率 电子设备供电；（ 4） DC/DC converter（ 300v 转换为 650v）；（ 5） DC/AC 逆变器，给 汽车马达电机供电；（ 6）汽车发电机。 功 功率半导体为电动汽车成本最主要组成部分，成本占比过半。 电动汽车将新增 大量与电池能源转换相关的功率半导体器件，功率半导体应用大幅上升。根据麦肯锡 统计数据，纯电动汽车的半导体成本为 704 美元，比传统汽车 350 美元高出近 1 倍， 其中功率半导体的成本为 387 美元，占总成本的 55%。 图 15： 电动汽车主要功率模块图解 资料来源：比亚迪、国海证券研究所 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 15 图 16： 功率半导体为新能源汽车成本最主要组成部分 （美元） 资料来源：麦肯锡、国海证券研究所 新能源汽车出货量快速增长，国内 2025 年或达 542 万辆。 全球来看，新能源汽 车出货量从 2015 年的 54.66 万辆增至 2019 年的 210.17 万辆， CAGR 超 40%，国内 来看，新能源汽车出货量从 2015 年的 33.10 万辆增至 2019 年的 120.60 万辆， CAGR 为 38.16%。受全球碳中和、特斯拉产业链带来的鲶鱼效应，叠加国内外补贴等政策 催化助推新能源汽车产业链发展驱动， EV Tank 预测 2025 年全球新能源汽车销量或 达 1205 万辆， 2019-2025 年 CAGR 达 33.42%，国内来看， IDC 预测 2025 年我国新 能源汽车销量或超 540 万辆， 2019-2025 年 CAGR 为 36.11%，我国为新能源汽车第 一大消费国，出货量占全球比例稳定在 45%以上。 图 17： 新能源汽车出货量快速增长 资料来源：中国产业信息网、国海证券研究所 全球汽车功率半导体市场规模 2023 年或达 136 亿美元，国内或超 60 亿美元。 中国产业信息网数据显示，全球功率半导体市场规模 2018 年为 90 亿美元，预计 2023 年或达 136 亿美元， CAGR 为 8.61%。国内来看，以 45%的全球占比计， 2023 年国 内车用功率半导 体市场规模或超 60 亿美元。 0 100 200 300 400 500 600 700 800 新能源汽车 传统汽车 功率半导体 非功率半导体 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 2015 2016 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 中国新能源汽车销量（万辆） 全球新能源汽车销量（万辆） 中国新能源汽车销量占比 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 16 图 18： 全球汽车功率半导体市场规模 2023 年或达 136 亿美元 资料来源：中国产业信息网、国海证券研究所 新能源汽车充电桩为功率半导体另一大增量，预计 2025 年全球市场规模或达 40.49 亿美元，国内 18.22 亿美元 。新能源汽车充电桩分为直流 IGBT 充电桩和交流 MOSFET 充电桩，直流充电桩的优点在于充电速度快，缺点是价格高昂。直流充电 桩的成本约 4500 美元，交流充电桩的成本约 900 美元，其中 IGBT 等功率器件占总 成本的 20%左右。目前直流充电桩按 3:1 配置，交流充电桩按 5:1 配置，据此我们测 算全球 2025 年直流充电桩需求或达 402 万个，交流充电桩需求或达 241 万个， 2025 年全球充电桩市场对功率半导体的需求为 40.49 亿美元。国内来看， 2025 年直流和交 流充电桩需求分别为 181 和 108 万个，国内充电桩市场对功率半导体的需求为 18.22 亿美元 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 2016 2017 2018 2019E 2020E 2021E 2022E 2023E 全球车用功率半导体市场规模（亿美元） 同比 图 19： 全球充电桩安装数量快速增长 图 20： 全球充电桩功率半导体市场规模快速增长 资料来源：国海证券研究所 资料来源：国海证券研究所 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 直流充电桩（万个） 交流充电桩（万个）