半导体行业深度研究：IGBT：乘新能源汽车之风国产替代扬帆起航_49页_6mb.pdf

行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 1 半导体 证券 研究报告 2021 年 11 月 21 日 投资 评级 行业 评级 强于大市 (维持 评级 ) 上次评级 强于大市 作者 潘暕 分析师 SAC 执业证书编号： S1110517070005 程如莹 分析师 SAC 执业证书编号： S1110521110002 资料 来源： 贝格数据 相关报告 1 半导体 -行业深度研究 :晶圆代工： 或跃在渊 2021-11-02 2 半导体 -行业深度研究 :第三代半导 体：新能源汽车 +AIOT+5G 撬动蓝海市 场，碳中和引领发展热潮 2021-10-26 3 半导体 -行业研究周报 :台积电单月 营收再创新高， A 股半导体进入预增窗 口 2021-10-12 行业走势图 IGBT： 乘 新能源 汽 车 之风 ， 国产替代扬帆起航 新能源汽 车 开启半导体新一轮成长 趋势 。 汽车 电动化、网联化、智能化发展趋势 中带动汽车半导体 需求大幅度增长。 根据 Gartner 预测的数据， 2024 年单辆汽车中的半导体价值有望超过 1000 美元， 我们预测 中国 2025 年新能源汽车 有望 达到 600-700 万量，经测算中 国新能源汽车半导体市场规模在 2025 年有望达到 62.8 亿 -73.2 亿美元 。 汽 车半导体包含 功率、控制芯片、传感器 ，其中功率半导体的在新能源汽车半 导体价值量中的占比达到 55%。 IGBT 为新能源应用刚需芯片 ， 国内企业迎来国产替代 &行业红利双击 IGBT 应用于 新能源 的电压转换，例如： 汽车动力系统 、光伏逆变器等， IGBT 功率 模块均是 逆变器的核心功率器件 ，在 电动车 动力系统半导体价值量中占 比 52%。 IGBT 透过控制开关控制改变电压具备 耐压的特性 被各类下游市场 广泛使用 ，此外由于 IGBT 工艺与设计难度高 ， 海外企业凭借多年的积累 占 据 较大的市场份额； 国内厂商近年来通过积极投入研发成功在国内新能源汽 车用 IGBT 模块市场中占取到了一定份额 ，但仍有很大的替代空间。 新能源 &碳中和趋势 推动 IGBT 供不应求， 价格与拉货周期均 为 上涨态势 IGBT 除 了新能源汽车也常被用于光伏、风电 、工控、家电、轨交 等领域 ； 受益于 碳中和趋势推动 ， IGBT 迎来广阔的成长空间。 IGBT 目前生产大多以 8 英寸 晶圆为主 ， 需求增速大幅高于供给增速，因此 8 英寸 晶圆需求一直保 持高位 。 供需缺口使得 IGBT 产品货期持续拉长， 截至 2021 年 Q3 仍未出现 缓解的现象 ； 英飞凌与 Microsemi 部分 IGBT 产品的交货周期已延长至 50 周，且相关产品价格也表现出上涨的趋势。 国内 IGBT 企业已实现 0-1 突破， 紧握 缺货朝下国产化机遇启动放量 海外企业 凭借多年积累， 在 IGBT 产品市场占据了一定的先发优势 与市场份 额；国内新能源汽车 IGBT 模块市场中， 海外企业占据垄断地位，其中 英飞 凌市占率达到 58.20%。 国内企业 近年来通过积极投入研发， 紧抓国产替代 机遇 ， 成功在国内新能源汽车用 IGBT 模块市场中占取到了一定份额 ，实现 0 到 1 的突破 ； 随着国产替代加速推进， 包含时代 电气 、士兰微、斯达半导、 宏微科技 、新洁能 、 华润微 等 国内厂商将迎来 1 到 N 放量的黄金期 。 建议 关注 （按市值排序） ： 时代电气、士兰微 、 华润微 、斯达半导、扬杰科 技、新洁能 、宏微科技 、华微电子、东微半导（未上市） 风险提示： 景气度不如预期、产品升级迭代不如预期、 产能紧缺风险 、系统 性风险 -11% -1% 9% 19% 29% 39% 49% 2020-11 2021-03 2021-07 半导体 沪深 300 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 内容目录 1. 新能源汽车开启半导体行业新一轮成长趋势 . 6 1.1. 汽车半导体量价齐升，市场空间正快速扩大 . 6 1.2. 电动化 +数字互联带动功率模拟芯片、控制芯片、传感器需求提升 . 10 1.3. 新能源汽车的电力系统中，功率 IGBT 价值占比达 52% . 11 2. IGBT 为新能源应用刚需芯片，国产替代 &行业红利双击 . 14 2.1. IGBT 设计和工艺难度大、产品生命周期长、高压应用门槛高 . 14 2.1.1. IGBT 结构不断升级，协同第三代半导体技术创新 . 14 2.1.2. 模块封装为核心竞争力之一，适用于各种高电压场景 . 20 2.1.3. 制造工艺正从 8 英寸晶圆朝向 12 英寸升级迭代 . 21 2.2. 新能源应用需求大幅提升，驱动 IGBT 供需持续紧缺 . 23 2.2.1. 新能源汽车： IGBT 是核心零部件，单车价值量达到上千人民币 . 24 2.2.2. 光伏 风电 工控 家电 轨交：新能源应用驱动 IGBT 快速增长 . 27 2.2.3. 晶圆产能持续紧缺， IGBT 供不应求或延续较长时间 . 31 2.2.4. IGBT 供货周期与价格均有增长，供不应求难以缓解 . 32 2.3. 国内 IGBT 企业实现 0-1 突破，紧抓缺货朝下国产化机遇 . 32 3. 相关企业 . 35 3.1. 时代电气：轨道交通装备龙头，新能源车 IGBT 业务迎来突破 . 35 3.2. 士兰微： IDM 深耕功率 IGBT 赛道， 12 英寸厂拥技术和产能优势 . 37 3.3. 华润微：功率半导体 IDM 头部企业，内生 +外延持续扩张 . 39 3.4. 斯达半导： IGBT 国内领先企业，募资 SiC 和高压产线打开成长 . 41 3.5. 新洁能：国内 MOSFET 领军企业， IGBT 开启第二增长曲线 . 43 3.6. 宏微科技： IGBT 行业新星，受益新能源、工控应用需求快速发展 . 45 4. 风险提示： . 47 图表目录 图 1：新能源汽车电动化、 网联化、智能化发展 . 6 图 2： HEV、 PHEV、 BEV 架构 . 6 图 3： HEV、 PHEV、 BEV 能 源消耗和尾气排放和发电排放的示意图 . 6 图 4：全球新能源汽车（ PHEV+BEV）销量（万辆） . 7 图 5：中国新能源汽车销量 （万辆） . 7 图 6：汽车使用阶段碳排放量对比（吨） . 7 图 7：新能源汽车全球各国家销量（千量） . 8 图 8：中国新能源汽车渗透率 . 8 图 9：中国新能源汽车销量预测（万量） . 8 图 10：新能源汽车半导体价值量（美金， 2020 年） . 9 图 11：新能源汽车半导体价值量（美元） . 9 图 12：中国新能源汽车半导体市场规模（亿美元） . 9 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 3 图 13： 2019 年全 球汽车半导体竞争格局 . 9 图 14： 2019 年主要国家汽车芯片自主产业规模对比 . 9 图 15：汽车半导体：功率、控制器、传感器、存储器 . 10 图 16：功率占比大幅提升； . 10 图 17：新能源汽车主要由电池、电机、电控组成 . 11 图 18：新能源电控系 统所需要的半导体 . 11 图 19：电控系统组成 . 11 图 20：汽车逆变器内部结构 . 12 图 21： DC-DC 转换器供给新能源其车低压电子系统的应用 . 12 图 22：新能源汽车 BMS 架构 . 13 图 23：新能源汽车充电架构 . 13 图 24：新能源汽车动力系统价值量占比 . 14 图 25： IGBT 结构、简化等效电路和电气图形符号 . 14 图 26： IGBT 技术迭代速度较慢 . 15 图 27：英飞凌 IGBT 产品参数迭代情况 . 16 图 28：不同材料参数对比 . 17 图 29： Si 和 SiC 在 MOSFET 和 IGBT 的额定电压范围内的比较 . 18 图 30：不同半导体的适用领域各有不同 . 19 图 31： IGBT 产品分类（按电压） . 20 图 32： IGBT 产品分类（按封装形式） . 20 图 33： IGBT 产业链 . 21 图 34： 2020 年全球 IGBT 下游应用占比情况 . 23 图 35：新能源汽车将成为 IGBT 各下游应用中增速最快的市场 . 24 图 36：汽车中的半导体功率器件 . 24 图 37：车载 IGBT 产业链 . 25 图 38：不同车级 IGBT 价值量（人民币） . 26 图 39： IGBT 模块在直流充电桩中的运用 . 27 图 40：中国公共充电桩保有量（万台） . 27 图 41：加速转型情景下的中国发电结构 . 27 图 42： IGBT 在光伏发电中的应用 . 28 图 43：全球光伏逆变器出货量（ GW） . 28 图 44：我国三大逆变器市场份额占比变化 . 28 图 45： IGBT 在风力发电中的应用 . 29 图 46：中国风力发电量统计预测（亿千瓦时） . 29 图 47： FF1800R17IP5 全功率变流器用量随功率用量增长而增加 . 29 图 48：国内白电变频占比 . 29 图 49：通用变频器的电路结构 . 29 图 50：中国电焊机产量（万台） . 30 图 51：电焊机应用方案 . 30 图 52：三点式逆变器主电路原理图 . 30 图 53：二点式逆变器主电路原理图 . 30 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 4 图 54：中国动车组产量及增长情况（辆） . 30 图 55：动车组 IGBT 器件等级及数量 . 30 图 56：华虹、中芯国际整体产能利用率情况 . 31 图 57：世界先进晶圆出货量（千片） . 31 图 58：部分半导体交期情况（周） . 32 图 59：部分国际龙头企业 IGBT 产品价格与拉货周期情况（ “” 表示延长 /上涨） . 32 图 60：部分 IGBT 厂商产品电压覆盖范围 . 33 图 61： 2019 年国内新能源汽车 IGBT 模块市占率 . 33 图 62：部分本土企业 IGBT 业务近况（ IGBT 技术以英飞凌 IGBT 产品技术为基准） . 34 图 63：时代电气功率半导体发展历程 . 35 图 64：时代电气营业收入（亿元）及同 比增速（ %） . 37 图 65：时代电气归母净利润（亿元）及同比增速（ %）： . 37 图 66：时代电气毛利率与净利率（ %） . 37 图 67：时代电气营收结构 . 37 图 68：士兰微发展历程 . 38 图 69：士兰微营业收入（亿元）及同比增速（ %） . 38 图 70：士兰微归母净利润（亿元）及同比增速（ %）： . 38 图 71：士兰微毛利率与净利率（ %） . 39 图 72：士兰微营收结构 . 39 图 73：华润微发展历程 . 39 图 74：华润微营业收入（亿元）及同比增速（ %） . 40 图 75：华润微归母净利润（亿元）及同比增速（ %）： . 40 图 76：华润微毛利率与净利率（ %） . 40 图 77：华润微营收结构 . 40 图 78：斯达半导发展历程 . 41 图 79：斯达半导营业收入（亿元）及同比增速（ %） . 42 图 80：斯达半导 归母净利润（亿元）及同比增速（ %）： . 42 图 81：公司非公开发行非公开发行股票募集资金项目 . 42 图 82：斯达半导毛利率与净利率（ %） . 43 图 83：斯达半导主营业务收入 结构 . 43 图 84：新洁能发展历程 . 43 图 85：新洁能产品分类 . 44 图 86：新洁能营业收入（亿元）及同比增速（ %） . 44 图 87：新洁能归母净利润（亿元）及同比增速（ %）： . 44 图 88：新洁能毛 利率与净利率（ %） . 45 图 89：新洁能营收结构 . 45 图 90：公司非公开发行非公开发行股票募集资金项目 . 45 图 91：宏微科技功率半导体发展历程 . 46 图 92：宏微科技营业收入（亿元）及同比增速（ %） . 47 图 93：宏微科技 归母净利润（亿元）及同比增速（ %）： . 47 图 94：宏微科技毛利率与净利率（ %） . 47 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 5 图 95：宏微科技营收结构 . 47 表 1： BJTMOSFETIGBT 对比 . 15 表 2： Si IGBT 与 SiC MOSFET 对比 . 18 表 3：部分 IGBT 厂商 SiC 业务布局 . 19 表 4：焊接式 VS 压接式 . 21 表 5：部分 8 英寸功率 IGBT 晶圆厂情况（截至 2021 年 1 月） . 22 表 6：部分功率 IGBT 晶圆厂 12 英寸产线规划 . 23 表 7：车规级芯片与消费、工业级芯片要求对比 . 25 表 8：不同动力形式新能源汽车 IGBT 使用量 . 26 表 9：部分厂商近期功率半导体扩产规划 . 31 表 10：公司主要产品 . 35 表 11：公司业务板块 . 40 表 12：公司主要 IGBT 产品 . 41 表 13：宏微科技主要产品 . 46 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 6 1. 新能源汽车开启半导体 行业 新一轮成长 趋势 汽车 三化（ 电动化、网联化、智能化 ） 趋势将带动 汽车 半导体 需求 大幅增长 。 根据国务院 办公厅 2020 年发布新能源汽车产业发展规划（ 2021-2035 年），新能源汽车已成为 全球汽车产业转型发展的主要方向和促进世界经济持续增长的重要引擎， 过去 10 年中国 新能源汽车已经从 0 到 1 突破，有望迎来 1 到 N 的加速发展段，而 电动化、网联化、智 能化 也 成为汽车产业的发展趋势 ，其中 半导体在三化发展中起到至关重要的作用，是汽车 三化发展的核心支撑，随着三化的发展有望带动汽车半导体需求大幅度增长 。 图 1： 新能源汽车电动化、 网联化、智能化发展 资料来源： 中汽数据、长三角新能源汽车研究院 ， 天风证券研究所 1.1. 汽车半导体 量价 齐升，市场空间 正 快速扩大 BEV 纯电动车 有望成为 未来新能源汽车发展的主要方向 。 新能源汽车根据发动机 主要 可 以 分为 HEV（混合电动汽车 ）、 PHEV（ 插电式混合电动汽车）、 BEV（纯电动汽车）。 其 中， HEV 是最常见的混合动力类型，它的动力驱动方式可以通过使用燃料的发动机和带 有电池的电动机。 PHEV 电池容量比较大，由较长的纯电续航里程， 且有充电接口，一般 需要专用的供电桩进行供电，在电能充足的时候，采用电动机驱动车辆，而电能不足时， 发动机发电给动力电池。 BEV 则不需要燃油机，只需要依靠电池提供能量，所以会配置较 大容量的电池。 BEV 的优势在于零排放。受益于国家的双碳计划， BEV 有望成为未来新 能源汽车发展的主要方向。 图 2： HEV、 PHEV、 BEV 架构 图 3： HEV、 PHEV、 BEV 能源消耗和尾气排放和发电排放的示意 图 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 7 资料来源： SplusMai、 SolarJourney，天风证券研究所 资料来源： splusmai、 sciencedirect Atmospheric Environment Volume 185，天风证券研究所 中国新能源汽车销量增速高于全球， 2020 年中国新能源汽车销量达到 136.7 万辆 。 根据 EV-volumes 公布的数据， 2014 年全球 新能源汽车销量为 32.1 万辆 ， 2020 年达到 324 万辆 ， 2014-2020 年复合增长率为 47%； 根据 中国汽车工业协会 公布的数据， 2014 年 中国新能源汽车销量为 7.5 万辆， 2020 年达到 136.7 万辆， 2014-2020 年复合增长率 为 62%；整体来看全球与中国新能源汽车销量皆快速增长，且中国的增速高于全球 。 图 4： 全球新能源汽车 （ PHEV+BEV） 销量 （万辆） 图 5： 中国新能源汽车销量 （万辆） 资料来源： ev-volumes，天风证券研究所 资料来源： 中汽协、 智妍咨询 ，天风证券研究所 双碳计划促进新能源汽车发展，新能源汽车的碳减排潜力相较传统燃油车更具优势。 国内 要实现双碳目标 ，可能性路径包括中国工业和公路交通等领域加速电气化、加速部署可再 生电源等零碳电源等。受益于双碳目标，新能源汽车替代传统燃油车已是大势所趋。在车 辆使用阶段，新能源汽车的碳减排潜力有明显优势。纯电动汽车与油车相比，单车运行阶 段减排比例介于 243%。若电动汽车的电耗降低，新能源电力使用比例提高，新能源汽 车减排量比例还会进一步提升。 图 6： 汽车使用阶段碳排放量对比（吨） 资料来源： 电动邦、 中国节能与新能源汽车可持续发展与碳交易研究， 天风证券研究所 2021 年上半年 全球 新 能源汽车销量 同比接近翻倍， 全球 各 国家 销量皆大幅度提升 。 根据 EV-volumes 预测， 2021 年全球新能源汽车销量预计达到 640 万，相较于 2020 年同比 增长 98%。 全球轻型汽车市场已从 2020 年上半年的 -28% 的低迷中部分恢复， 同比增 长 28%。 2021 年上半年部 分 地区新能源汽车 由于基数较低因此 呈倍数增长 ， 欧洲同比增 32.1 54.3 79.2 126.3 208.2 226.4 324 0 50 100 150 200 250 300 350 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 CAGR 47% 7.5 33.1 50.7 77.7 125.6 120.6 136.7 0 20 40 60 80 100 120 140 160 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 21.29 27.36 0 5 10 15 20 25 30 EV ICEV 43% 2% CAGR 62% 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 8 长 157%，中国 同比增长 197%，美国 同比增长 166%，其余市场 同比增长达到 95%； 除 日本 外，所有主要市场在今年上半年的电动汽车销量和份额均创下新纪录。 图 7：新能源汽车 全球各国家销量（千量） 资料来源： ev-volumes， 天风证券研究所 中国新能源汽车渗透率预计在 2025年达到 20%， 预计中国新能源汽车销量超过 600万辆 。 国务院办公厅印发新能源汽车产业发展规划 (2021 2035 年 )提出，新能源汽车新车销 售量达到汽车新车销售总量的 20%左右 ；此外中汽协预测 2025 年中国汽车销量或到 3000 万辆，根据保守线性推算， 我们 预计 2025 年中国新能源汽车销量达到 600 万辆，年复合 增速达到 34.4%。根据中汽协预测未来五年中国新能源汽车销量年均增速 40%以上的预测， 2025 年新能源汽车销量预计达到 735 万辆。 图 8： 中国新能源汽车渗透率 图 9： 中国新能源汽车销量 预测（万量） 资料来源： 前瞻产业研究院、 ofweek、中汽协 ，天风证券研究所 资料来源： 中国经济网、中汽协 ，天风证券研究所 2020 年 新能源汽车半导体价值量 834 美金 。根据英飞凌、 IHS、 Automotive Group 等 多家机构测算， 2020 年 FHEV、 PHEV、 BEV 单车半导体的成本到了 834 美元， 相较 于 传统燃油车的汽车半导体价值 417 美元 ，单车半导体价值量翻倍成长；相较于 48V 轻 混合车，单车半导体价值量增加 45.8%。 预计 2025 年， 48V 轻混车、 FHEV/PHEV/BEV 1.40% 1.80% 2.70% 4.50% 4.70% 5.40% 0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 2015 2016 2017 2018 2019 2020 137 184 247 332 446 600 0 100 200 300 400 500 600 700 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E CAGR 34.4% 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 9 销量 分别将达到 1880 万辆、 2100 万辆 ， 基于 2020 年单车半导体 BOM 静态测算 ， 2025 年 车用半导体市场规模将 达到 282.7 亿美元 。 图 10：新能源汽车半导体价值量 （美金， 2020 年） 资料来源： 英飞凌电子生态圈、 Infineon、 IHS、 Automotive Group、 NE 时代， 天风证券研究所 新能源汽车半导体价值量持续增加，保守估计 2025 年中国市场规模达到 70 亿美元 。 随 着汽车 电动化、 智能化、网联化 发展 ，半导体在单车上的整体价值也越来越高 ，根 据 Gartner 预测 的数据 ， 2024 年单辆汽车中的半导体价值 有望 超过 1000 美元， 根据前四年的年复合 增长率预测，预计 2025 年达到 1046 美元，中国 2025 年新能源汽车预计达到 600-700 万量，经测算中国新能源汽车半导体市场规模在 2025 年有望达到 62.8 亿 -73.2 亿美元 。 图 11：新能源汽车半导体价值量 （美元） 图 12： 中国新能源汽车半导体市场规模 （亿美元） 资料来源： ylfx、 Gartner， 天风证券研究所 资料来源： ylfx、 Gartner、中国经济网、中汽协 ，天风证券研究所 汽车半导体 国产化率仅 10%，前八大欧美日企业占整体市场的 63%。 根据 ICVTank 数 据， 2019 年汽车半导体前八大企业为欧美日公司，包含恩智浦 、英飞凌 、瑞萨半导体 、 意法半导体、德州仪器等 ，占整体市场规模的 63%。从自主汽车芯片产业规模来看，欧美 日占据整体市场的 93%，欧洲、美国和日本公司分别占 37%、 30%和 25%市场份额；中 国公司仅为 3%，根据 中国汽车芯片产业创新战略联盟数据显示，国内汽车行业中车用芯 片自研率仅占 10%，国内汽车芯片市场基本被国外企业垄断 ，并且具备 90%的替代空间 。 图 13： 2019 年全球汽车半导体竞争格局 图 14： 2019 年 主要国家汽车芯片 自主 产业规模对比 资料来源： ICVTank、前瞻产业研究院、贤集网 ， 天风证券研究所 资料来源： ICVTank、前瞻产业研究院、贤集网 ，天风证券研究所 834 873 913 956 1000 1046 0 200 400 600 800 1000 1200 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 11.40 16.04 22.56 31.73 44.63 62.79 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 14% 11% 10% 8% 7%6%4% 3% 37% NXP Infineon Renesas ST TI Bosch On Semi Microchip 其他 37% 30% 25% 3% 5% 欧洲 美国 日本 中国 其他 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 10 1.2. 电动 化 +数字互联带动功率 模拟芯片 、控制芯片、传感器需求提升 半导体是汽车 发展趋势 （ 电驱化、数字互联 ）的核心 。 汽车在电动化、智能化、网联化的 发展过程中，半导体是发展的核心支撑。 1） 电驱化（电动化） ， 电动与混动汽车的发展要 求动力传动系统向电气化迈进，其中 由电池、电机、电控组成 的三电系统主要以 功率半导 体为主，包含 IGBT、 MOSFET 等。 2） 数字互联（智能化、网联化） ， 智能化发展带动 具备 AI 计算能力的主控芯片市场规模快速成长；此外智能与网联相辅相成，核心都是加 强人车交互，除了加强计算能力的主控芯片外，传感器 、存储也是核心的汽车半导体 ，包 含自动化驾驶的实现使传感器需求 提升、数据量的增加带动存储的 数量和容量的需求提升 。 图 15： 汽车半导体：功率、控制器、传感器、存储器 资料来源： Infineon， 天风证券研究所 汽车半导体绝对值在增长，从分类中功率半导体价值量增加幅度最大。 新能源汽车相比传 统燃油车，新能源车中的功率半导体价值量提升幅度较大。按照传统燃油车半导体价值量 417 美元计算，功率半导体单车价值量达到 87.6 美元，按照 FHEV、 PHEV、 BEV 单车 半导体价值量 834 美元计算，功率半导体单车价值量达到 458.7 美元，价值量增加四倍 多。 图 16：功率占比大幅提升； 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 11 资料来源： 盖世汽车、 Strategy Analytics， 天风证券研究所 1.3. 新能源汽车的 电力系统中 ，功率 IGBT 价值 占比 达 52% 新能源汽车核心 -三电系统（电池、电机、电控）。 1）电池是新能源汽车的能量来源，替 换传统燃油汽车的油箱；动力电池系统主要由电芯、电池 管理 系统等组成。 2）电机 负责 将电能转换为机械能 ，包含 定子、转 子 等 ； 3）电控如同 汽车的大脑 ，用来 控制电机的启 动、暂停、转速、扭矩等各项“动作” 。 三电系统需要大量的半导体产品包括功率半导体、 模拟芯片、控制芯片等；随着电动汽车的发展与普及，汽车半导体迎来快速发展 期 。 图 17： 新能源 汽车 主要由电池、电机、电控组成 图 18： 新能源电控系统 所需要的半导体 资料来源： Naitokikai， 天风证券研究所 资料来源： 中国电子信息产业发展研究院汽车电子产业联盟 ， 天风证券研究所 电 力 系统主要分为四大类 ： DC/DC 转换器、电池管理系统 (BMS)、 逆变器、 车载充电 器 。 1） 电池管理系统 作为电池安全运用的有力保障，使得电池时刻处于安全和可控制的充放 电使用过程中，大大提高了电池在实际使用过程中的循环使用寿命； 2） 车载充电器是内 置在车辆里，用于停车时从 交流电网为高压电池再充电的系统； 3）逆变器的作用在于将 汽车 12V 或 24V（货车用）直流电转换为和市电相同的 220V 交流电； 4） DC/DC 转换 器的作用在于把常电处理 成其它电路设备用的小电压，或把原先的电源加以优化，使得供 电系统更加稳定，同时， DC/DC 转换器也有保护的作用。 图 19： 电控系统组成 23% 11% 21% 55% 13% 7% 43% 27% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 传统燃油车 纯电动车 MCU 功率半导体 传感器 其他 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 12 资料来源： System Plus Consulting、 eeweb， 天风证券研究所 逆变器是汽车的关键部件，主要用到 的半导体 芯片 为 IGBT。 逆变器类似于燃油车的发动 机管理系统 EMS，决定着驾驶行为。无论电机是同步、异步还是无刷直流电机，逆变器 始终以类似的方式运行，其设计应最大限度地减少开关损耗并最大限度地提高热效率。 IGBT 是电动汽车逆变器的核心 电子 器件， 重要性类似电脑里的 CPU。 图 20： 汽车逆变器内部结构 资料来源： Infineon， EBVElektronik， 天风证券研究所 DC-DC 转换器供电给汽车低压电子系统。 DC/DC 变换器是新能源汽车必须配置的功能， 类似燃油汽车中配置的低电压发电机总成，其功能是给车载 12V 或 24V 低压电池充电， 并为整车提供全部的低压供电。 在 新能源汽车中 会 配置一个 DC/DC 变换器 作为能量传递 部件， 从车载动力电池取电， 提高能源的利用率 ，给车载 12V 或 24V 低压电池充电，并 为整车提供全部的低压 电子系统 供电。 图 21： DC-DC 转换器供给新能源其车低压电子系统的应用 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 13 资料来源： avnet， 天风证券研究所 BMS 电池管理系统是电动汽车中电池组的大脑 。 BMS 可根据起动能力对充电状态、健康 状态和功能状态进行快速、可靠的监测，以提供必要的信息。因此， BMS 能够最大限度 地降低因为电池意外失效而导致的汽车故障次数，从而尽可能地提升电池使用寿命和电池 效率，并实现二氧化碳减排功能。 图 22： 新能源汽车 BMS 架构 资料来源： Renesas， 天风证券研究所 OBC 车载充电 器 主要功能 是 为 电池充电。 OBC 的核心功能是整流电源输入，并将其转换 为适合电池的充电电压 可能是 400V 或越来越多的 800V。 一个典型的 OBC 由多个 级联级组成，包括功率因数校正（ PFC）、 DC/DC 转换器、次级整流、辅助电源、控制及 驱动电路。 OBC 具有多种功率等级，功率等级越高，充电时间就越短。最流行的 OBC 功率等级是 3.3kW、 6.6kW、 11kW 和 22kW。 图 23： 新能源汽车充电架构 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 14 资料来源： Circuitdigest， 天风证券研究所 新能源汽车动力系统中， 逆变器 IGBT 价值量 占比 52%。 在电动传统系统中，主逆变器负 责控制电动机，是汽车中的一个关键元器件，决定了驾驶行为和车辆的能源效率。并且， 主逆变器还用于捕获再生制动释放的能量并将此能量回馈给电池，所以，车辆的最大行程 与主逆变器的效率直接相关 。 图 24： 新能源汽车动力系统价值量占比 资料来源： Kearney， 天风证券研究所 2. IGBT 为新能源应用刚需芯片 ， 国产替代 &行业红利 双击 2.1. IGBT 设计 和 工艺 难度 大 、 产品生命周期长 、高压应用门槛高 2.1.1. IGBT 结构不断升级 ， 协同 第三代半导体 技术创新 IGBT 是一个电路 开关 ， 透过开关 控制改变电压 。 IGBT（绝缘栅双极型晶体管， Insulated Gate Bipolar Transistor）是一个三端器件，也是重要的分立器件分支，属于分立器件中 的全控型器件，可以同时控制开通与关断，具有自关断的特征，即是一个非通即断的开关。 IGBT 拥有栅极 G（ Gate）、集电极 C（ Collector）和发射极 E（ Emitter），其开通和关 断由栅极和发射极间的电压 UGE 决定 ；在 IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压， PNP 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通。 图 25： IGBT 结构、简化等效电路和电气图形符号 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 15 资料来源： KIA 官网，天风证券研究所 IGBT 结合了 MOSFET 与 BJT 的优势。 IGBT 结合了 MOSFET 与 BJT 的优点，既有 MOSFET 的开关速度快，输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点， 又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点 ，此外为了提升 IGBT 耐压，减小拖 尾电流 ， 结构相对复杂。 IGBT 被各类下游市场广泛使用，是电力电子领域较为理想的开 关器件 。 表 1： BJTMOSFETIGBT 对比 种类 BJT MOSFET IGBT 结构 驱动方式 电流 电压 电压 导电电荷 电子、空穴 电子 电子 导通损耗 低 高 中 流通能力 大 小 中 开关速度 低 高 中 使用频率 低频（ 50kHz） 栅极开启电压 10V15V（ 10V20V） 5V20V（ 25V30V） 典型应用 电机驱动器（交流电机）、 UPS、集中式和串式太阳能逆变器、 EV/HEV 牵引逆变器 PFC-电源、光伏逆变器、用于 EV/HEV 的直流 /直流，用于 EV 的牵引逆变器、电机驱动器、铁路 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 19 功率等级 3kW 5kW EV 逆变器 价格 Powerex -IGBT PM50RL1A120 (1200V / 50A) $255 Cree-CCS50M12CM2 (1200V / 50A) $455 资料来源： TI 官网 ， Semanticscholar、 Powerex、 Cree，天风证券研究所 根据 功率器件的 特性，不同功率器件的应用领域各有不同。 虽然 IGBT 结合了 MOSFET 与 BJT 的优势，但三者根据各自的器件性能优势，都有适合的应用领域。 BJT 更强调工 作功率， MOSFET 更强调工作频率， IGBT 则是工作功率与频率兼具。 BJT 因其成本优 势，常被用于低功率低频率应用市场， MOSFET 适用于中功率高频率应用市场， IGBT 适用于高功率中频率应用市场。高功率密度的 IGBT 在性能、可靠性等方面将继续发展， 因此在较长一段时间内仍会是汽车电动化的主流器件。 SiC 组件具有高压、高频和高效率 的优势，在缩小体积的同时提高了效率，相关产品则主要用于高压高频领域。 图 30：不同半导体的适用领域各有不同 资料来源： 产业信息网、 PSMA， 天风证券研究所 部分 IGBT 厂商已开始布局 SiC 产业。 SiC 具有较大发展潜力，已吸引多家功率器件厂商 进行布局。英飞凌于 2018 年收购德国厂商 Siltectra，弥补自身晶体切割工艺，又于 2018 年 12 月与 Cree 签署长期协议，保证自身光伏逆变器和新能源汽车领域的产品供应，旗 下 CoolSiC 系列产品已走入量产。 2019 年，意法半导体与 Cree 签署价值 2.5 亿美元的 长单协议，且收购了瑞典 SiC 晶圆厂商 Norstel AB，以满足汽车和工业客户对 MOSFET 与二极管的需求。 2021 年，意法半导体宣布造出 8 英寸 SiC 晶圆。此外，斯达半导、华 润微、等本土厂商也已在 SiC 领域布局。 表 3：部分 IGBT 厂 商 SiC 业务布局 公司 SiC 业务布局 英飞凌 SiC 已实现量产 ST 造出 8 英寸 SiC 晶圆 罗姆 全球 SiC 功率半导体市占率达 20%，可比肩英飞凌与 ST，计划于 2026 年将市占率提升至 30% 三菱电机 规划 8 英寸 SiC 士兰微 SiC 功率器件中试线已经通线，将加快研发 SiC MOSFET 和车规模块 华润微 6 英寸 SiC 晶圆生产线已于 2020 年正式量产 时代电气 已拥有一条 6 英寸 SiC 芯片生产线 斯达半导 拟非公开发行股票， 募资 不超过 35 亿元，用于投资高压特色工艺功率芯片和 SiC 芯片研发及产业化 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 20 项目等项目 新洁能 拟非公开发行股票，募资不超过 14.5 亿元，用于第三代半导体 SiC/GaN 功率器件级封测的研发及产业化等项目 宏微科技 募资 5.58 亿元，用于 新型电力半导体器件产业基地项目、研发中心建设（包括 SiC 功率器件的研发）等项目 华微电子 正积极布局第三