- 發(fā)布時間：2022/2/7 來源：深圳市銓祺科技有限公司
一、物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的電動化和智能化帶來功率半導(dǎo)體新周期
（一）復(fù)盤 2020-2021 年功率半導(dǎo)體周期：漲價與隱憂
2019 年底開啟的 5G 手機(jī)滲透率提升成為整個半導(dǎo)體行業(yè)需求動能的來源，市場對于 5G 手機(jī)在未來幾年 的強(qiáng)勁增長充滿信心，但是進(jìn)入 2020 年全球范圍內(nèi)出現(xiàn)新冠疫情，5G 手機(jī)的需求爆發(fā)被按下了暫停鍵。隨著 疫情的進(jìn)一步發(fā)展，居家辦公帶來了遠(yuǎn)程服務(wù)器的巨量需求，沉寂十年的筆電市場迎來大幅增長，同時雙碳政 策推動下，國內(nèi)電動車的高速發(fā)展進(jìn)一步刺激了對于功率半導(dǎo)體的需求。在需求端一片向好的增長趨勢下，芯片供給端由于受到疫情的影響大幅縮水，全球功率半導(dǎo)體封測重鎮(zhèn)馬來西亞無限期封城無疑對功率半導(dǎo)體行業(yè) 雪上加霜。
由于功率半導(dǎo)體供需錯配，本來產(chǎn)品價格較低的功率器件在晶圓廠產(chǎn)能供給的優(yōu)先權(quán)就比較低，晶圓產(chǎn)能 供給緊張的時候代工和封測成本端大幅上升，各大功率半導(dǎo)體廠商紛紛大幅上調(diào)產(chǎn)品價格，預(yù)計行業(yè)平均價格 漲幅超過 20%，部分產(chǎn)品甚至價格上漲了 7-8 倍。根據(jù)我們對于 2020-2021年這一輪周期的復(fù)盤，行業(yè)平均毛 利率在 2021 年 Q3 創(chuàng)近十年歷史新高，行業(yè)接近 29%的增速高點(diǎn)也遠(yuǎn)超上一輪周期的增速高點(diǎn)。但是瘋漲的功率半導(dǎo)體行情也讓市場對于 2022 年的價格回調(diào)壓力充滿擔(dān)憂，大家對于 2018 年 Q4 開始的下行周期中價格下跌的慘烈仍歷歷在目，尤其是消費(fèi)類相關(guān)的功率半導(dǎo)體價格，2022 年跌價壓力較大。
（二）功率半導(dǎo)體下游應(yīng)用全面開花，電動車和光伏/風(fēng)電新能源領(lǐng)域需求激增
在全球分立器件的下游需求中汽車占比最高，達(dá)到 35%左右，國內(nèi)市場中汽車行業(yè)對于分立器件的用量占比為 27%。以 MOSFETs 為代表的中低壓分立器件廣泛應(yīng)用于汽車的電動天窗、雨刮器、安全氣囊、后視鏡等 領(lǐng)域，純電汽車的車載充電機(jī)（OBC）、DC-DC 轉(zhuǎn)換器對于 MOSFETs的需求進(jìn)一步增加。另外汽車車燈轉(zhuǎn)為 LED 大燈以后，MOSFETs 的需求量從原來每個車燈需要 1 顆增加至 18 顆，很多造車新勢力熱衷的車頂和側(cè)邊 漸變玻璃對于 MOSFETs 的需求也在增長。
傳統(tǒng)燃油車中僅有少量的 IGBT 單管用于發(fā)動機(jī)點(diǎn)火器，純電汽車的動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)為電池以后，IGBT 模塊成 為電驅(qū)系統(tǒng)中逆變器的標(biāo)配，此外新能源汽車在車載充電機(jī)（OBC）、DC-DC 升壓器、電空調(diào)驅(qū)動也需要用到 IGBT 單管。根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研與我們測算，四驅(qū)版本的純電車型前后雙電機(jī)各需要 18 顆 IGBT，車載充電機(jī)需要 4 顆，電動空調(diào) 8顆，合計一臺電動車需要 48 顆 IGBT 芯片。
根據(jù) Strategy Analytics 測算，傳統(tǒng)燃油車功率半導(dǎo)體用量僅為 71 美元，48V 輕混車型功率半導(dǎo)體價值量增值至 90 美元，而純電車型的功率半導(dǎo)體用量增幅高達(dá) 364%，大幅上漲至 330 美元。
雙碳政策下，以光伏和風(fēng)電為代表的新能源發(fā)電的裝機(jī)量大幅增長，太陽能發(fā)電中 DC-DC 直流轉(zhuǎn)換器和 光伏逆變器均需要用到 IGBT 作為功率開關(guān)。其中逆變器的效率很大程度上取決于設(shè)計使用的元器件，元器件 的性能可以由功率損耗來衡量，功率損耗分為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。相較于 MOSFETs 而言，IGBT 適用于較低 開關(guān)頻率和大電流的應(yīng)用，大電流下 IGBT 的導(dǎo)通損耗比 MOSFET 更低，MOSFET 有能力滿足高頻、小電流的應(yīng)用，具有更低的開關(guān)損耗，更適合開關(guān)頻率在 100KHz 以上的逆變器模塊。
從逆變器類別來看，由于微型及單相逆變器功率較小，一般采用 IGBT 單管方案為主，高功率三相逆變器 則采用 IGBT 模塊，低功率三相逆變器則兩種方案都有采用。目前集中式光伏逆變器成本在 0.16-0.17 元/W，組 串式光伏逆變器成本在 0.2 元/W 左右，總體光伏逆變器成本在 0.2 元/w，IGBT 模塊占光伏逆變器的成本比例約 為 15%，每 GW 對應(yīng)功率半導(dǎo)體的價值量約為 0.3 億-0.4 億元。
除了電動車和光伏發(fā)電兩大驅(qū)動力以外，智能家居中也大量用到功率半導(dǎo)體的分立器件，比如多功能掃地 機(jī)器人。在一個掃地機(jī)中，可能會有不同的部分用到這樣的功率分立器件：無線充電、電池管理系統(tǒng)、音頻放大器、吸塵器、清潔系統(tǒng)電機(jī)控制、移動電機(jī)控制等，由于功能不同，所需要的 MOS 也不盡相同，大約在 2-6 顆不等。
（三）功率半導(dǎo)體行業(yè)競爭格局
全球功率半導(dǎo)體行業(yè)市場規(guī)模在 2019 年達(dá)到 464 億美元，相較于上一輪高景氣周期的 2018 年同比下滑 3.53%。2020 年和 2021 年在疫情影響全球進(jìn)入“居家辦公模式”，服務(wù)器和 PC 的強(qiáng)勁復(fù)蘇疊加高景氣的電動車 和新能源發(fā)電需求刺激，功率半導(dǎo)體行業(yè)迎來拐點(diǎn)。SIA 預(yù)計 2021 年全球半導(dǎo)體的銷售額將達(dá)到 5530 億美元， 創(chuàng)下新高，同比增長 25.6%，全球功率半導(dǎo)體龍頭廠商英飛凌 Infineon，恩智浦 NXP，意法半導(dǎo)體 STM，安森 美 ON semi，2021 年前三季度分別成長 32.5%，31.43%，31.8%和 28.5%，我們預(yù)計全球功率半導(dǎo)體的行業(yè)增速 預(yù)計在 2021 年有望達(dá)到 30%，市場規(guī)模將接近 600 億美元。從全球功率半導(dǎo)體分立器件需求結(jié)構(gòu)來看，汽車是 需求最大的領(lǐng)域，占比達(dá)到 35%，其次是工業(yè)和消費(fèi)電子領(lǐng)域，需求占比分別為 27%和 13%。
從產(chǎn)品形態(tài)分類，功率半導(dǎo)體可以分為分立器件、模組和功率 IC 三大類別，一類是分立器件指單管，即 1 顆芯片加上封裝外殼，第二類是模塊，把幾個單管和特定功能的電路封裝在一起構(gòu)成模塊，第三類就是功率 IC， 包括交流直流轉(zhuǎn)換器 AC/DC，直流-直流轉(zhuǎn)換器 DC/DC，電源管理 IC 和驅(qū)動 IC。2019 年分立器件/模組與功率 IC 的市場規(guī)模分別為 224 億和 240 億美元，其中英飛凌是分立器件和模組市場當(dāng)之無愧的全球龍頭，市占率高 達(dá) 19%，美國功率半導(dǎo)體大廠安森美市占率為 8.4%，功率 IC市場占有率最高的是德州儀器 TI，市場份額為 16%，其次是英飛凌和 ADI，占比分別為 7.7%和 7.2%。
根據(jù) Omdia 的統(tǒng)計，2019年國內(nèi)功率半導(dǎo)體市場規(guī)模約為 177 億美元，約占全球市場需求的 38%，2020年隨著半導(dǎo)體行業(yè)復(fù)蘇進(jìn)入新一輪高增長周期。目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體分立器件廠商營收規(guī)模最大的是聞泰科技 收購的安世半導(dǎo)體，2020 年營收達(dá)到 96.4 億元人民幣，2021 年大幅成長 53.3%，功率半導(dǎo)體營收增至147.8 億 元。
我國本土 IDM 廠商中功率半導(dǎo)體營收規(guī)模最大的廠商是華潤微電子，2020年公司功率半導(dǎo)體營收達(dá)到 28 億元，預(yù)計 2021 年營收同比增長 49.3%，超過 41 億元人民幣。Fab-less 模式為代表的 MOSFET 廠商無錫新潔 能和 IGBT 模組廠商嘉興斯達(dá)半導(dǎo)在2021 年實現(xiàn)了更快的成長，2021 年營收兩者預(yù)計將分別大增 64.8%和 71.6%。前十大國內(nèi)功率半導(dǎo)體廠商 2021 年營收規(guī)模合計達(dá)到 362.5 億元，同比成長57.4%，相較于國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè) 2021 年前三季度 16.1%的成長速度，顯示了功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)超預(yù)期的復(fù)蘇態(tài)勢。
國內(nèi)主要的功率半導(dǎo)體廠商以分立器件為主，包括二極管、整流管、MOSFETs 等，二極管三極管屬于基本 的電子元器件，這些年技術(shù)迭代較慢，價格也比較低廉，行業(yè)壁壘較低。肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博 士（Schottky）命名的，與 PN 二極管不同，肖特基二極管不是利用 P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體接觸形成 PN 結(jié) 原理制作的，而是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬－半導(dǎo)體勢壘原理制作的。肖特基二極管多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管，例如手機(jī)和手持設(shè)備適配器、彩電的二次電源整流、高頻 電源整流等應(yīng)用。近年來隨著手機(jī)等手持設(shè)備電源適配器等快充電源小型化的市場變化，傳統(tǒng)肖特基已不能夠 滿足低導(dǎo)通電壓的需求，采用溝槽結(jié)構(gòu)的 TMBS將成為肖特基產(chǎn)品的技術(shù)主流。
功率 MOSFET 是 70 年代在經(jīng)典 MOSFET 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，主要作為功率電子開關(guān)使用。不同于經(jīng)典 MOSFET，功率 MOSFET 重點(diǎn)提高了功率特性，尤其是增加器件的工作電壓和工作電流。功率 MOSFET 圍繞 如何解決耐壓和功耗之間的矛盾產(chǎn)生了許多新的工藝結(jié)構(gòu)，從 LD MOSFET 結(jié)構(gòu)起步經(jīng)歷了 VV MOSFET，VU MOSFET，VD MOSFET，SJ MOSFET（超結(jié)）,Trench MOSFET（溝槽型）, SGT MOSFET（屏蔽柵）。
溝槽型 MOSFET，主要用于低壓（100V）領(lǐng)域；SGT（Shielded Gate Transistor，屏蔽柵溝槽）MOSFET，主要用于中 低壓（200V）領(lǐng)域；SJ-MOSFET，即超結(jié) MOSFET，主要在高壓（600V-800V）領(lǐng)域應(yīng)用。SGT MOSFET（Shield Gate Trench MOSFET）是一種新型的功率半導(dǎo)體器件，SGT 工藝比普通溝槽簡單，開關(guān)損耗小。再加上 SGT 比普通溝槽工藝挖掘深度深 3-5 倍，可以橫向使用更多的外延體積來阻止電壓，這也使得 SGT 的內(nèi)阻比普通 MOSFET 低 2 倍以上，所以 SGT MOSFE 作為開關(guān)器件應(yīng)用于新能源電動車、新型光伏發(fā)電、節(jié)能家電等領(lǐng)域 的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、逆變器系統(tǒng)及電源管理系統(tǒng)，是核心功率控制部件。
目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體廠商眾多，產(chǎn)品線差異也比較大，營收規(guī)模較大的廠商主力產(chǎn)品是 MOSFETs，隨著電 動車和光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電領(lǐng)域?qū)τ?IGBT 的大幅需求增長，各個廠商開始逐步將產(chǎn)品線擴(kuò)展至 IGBT，部分龍頭廠商已經(jīng)開始布局第三代半導(dǎo)體 SiC 襯底的功率 MOSFET。根據(jù)我們的統(tǒng)計，目前國內(nèi)在功率半導(dǎo)體產(chǎn)品布局最完善的廠商是聞泰科技旗下的安世半導(dǎo)體，首先公司 主力產(chǎn)品線覆蓋了晶體管（包括保護(hù)類器件 ESD/TVS 等）、Mosfet 功率管、模擬與邏輯 IC 三大領(lǐng)域，小型號 MOSFET 居于全球排名第二，公司汽車類 POWER MOSFET 預(yù)計市場地位僅次于英飛凌。其次公司通過提高研 發(fā)投入進(jìn)一步加強(qiáng)了在中高壓 Mosfet、化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品 SiC 和 GaN 產(chǎn)品布局，同時收購英國 Newport 晶圓廠 100%股權(quán)，獲得了 4000 片/月的 IGBT 產(chǎn)能，目前公司漢堡工廠已經(jīng)開始搬入碳化硅設(shè)備，預(yù)計 SiC MOSFET 新品在 2022 年量產(chǎn)。
在 MOSFET 領(lǐng)域，新潔能和華潤微在溝槽 MOS，屏蔽柵 SGT-MOS 和超結(jié) SJ-MOS 等高附加值的產(chǎn)品具 備技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，新潔能是國內(nèi)率先掌握超結(jié)理論技術(shù)，并量產(chǎn) SGT MOSFET 及超結(jié)功率 MOSFET 的企業(yè) 之一，是國內(nèi)最早同時擁有溝槽型功率 MOSFET、超結(jié)功率 MOSFET、SGT MOSFET 產(chǎn)品平臺的本土企業(yè)。中低壓 MOSFET 基本上已經(jīng)由國產(chǎn)廠商供應(yīng)為主，SGT-MOSFET 的國產(chǎn)替代趨勢已經(jīng)比較明確，隨著 5G、AI、 EV（電動汽車）等應(yīng)用市場的發(fā)展，對于 SGT-MOSFET 的需求將持續(xù)增長。
在 IGBT 領(lǐng)域，比亞迪半導(dǎo)體和時代電氣分別是國內(nèi)供應(yīng)新能源車規(guī) IGBT 和軌交列車 IGBT 的龍頭廠商， 先發(fā)優(yōu)勢明顯，士蘭微在在家電領(lǐng)域應(yīng)用為主的 IPM 模塊市場占據(jù)明顯優(yōu)勢，2021 年市占率接近 10%，斯達(dá)半 導(dǎo)在 IGBT 模組領(lǐng)域積累多年，目前已經(jīng)切入 IGBT 芯片的設(shè)計，車規(guī)級 IGBT 模塊已經(jīng)大批量出貨。
（四）功率半導(dǎo)體行業(yè)供需分析
假設(shè) 2030 年全球汽車銷量達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(jìn)一步增加。
二、電動車大時代：IGBT 廠商 IDM 為王
在新能源汽車中，IGBT 主要應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等，具體功能如下：在主 逆變器中，IGBT 將高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動三相電機(jī)的交流電；在車載充電機(jī)中，IGBT 將交流電轉(zhuǎn)化為 直流電并為高壓電池充電；在 DC-DC 變換器中，IGBT 將高壓電池輸出的高電壓轉(zhuǎn)化成低電壓后供汽車低壓 供電網(wǎng)絡(luò)使用；此外，IGBT 也廣泛應(yīng)用在 PTC 加熱器、水泵、油泵、空調(diào)壓縮機(jī)等輔逆變器中，完成小功率 DC-AC 轉(zhuǎn)換。（報告來源：未來智庫）
（一）電動車爆發(fā)帶來 IGBT 需求激增
1、電驅(qū)逆變器中的 IGBT
電驅(qū)系統(tǒng)是純電汽車的核心，可以理解為傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機(jī)，主要包含了逆變器（Inverter），減速器 （Gearbox）和電機(jī)(Motor)。逆變器中的電子電力控制器件如 IGBT/SiC MOSFET 將電池中的直流電轉(zhuǎn)逆變?yōu)榻?流電傳送到三相電機(jī)，電機(jī)從 0rpm/min 開始輸出峰值扭矩，但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于恒扭矩區(qū)間時，電機(jī)扭矩就會有 所下降，所以這時就需要減速器的介入，減速器通過多級齒輪的傳動即可實現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速、提升扭矩的效果，從 而滿足車輛高速行駛時對扭矩的需求。電驅(qū)系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢是高度集成化，目前主流的電驅(qū)采用三合一的 集成電驅(qū)，如果按照 2021 年 340 萬臺電動車的出貨量測算，我們預(yù)計國內(nèi)電驅(qū)市場容量為 221 億元左右。
通常我們將交流轉(zhuǎn)換為直流稱為整流，反過來直流轉(zhuǎn)換為交流則稱為逆變，電動車的逆變器承擔(dān)的核心職 能是將動力電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供驅(qū)動電機(jī)使用。純電動汽車上的逆變器位于電機(jī)控制器（MCU 內(nèi)）， 除了逆變器外，還有控制器一起組合在 MCU 內(nèi)，MCU 是整個動力系統(tǒng)的控制中心?？刂破魇墙邮茯?qū)動電機(jī)的 需求信號，當(dāng)車輛制動或者加速時，控制器控制變頻器的頻率升降使汽車行駛。逆變器接受動力電池輸出的直 流電能，逆變成三相交流電提供給電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在電動汽車制動過程中又起到制動回收電能的作用。
逆變器內(nèi)部是由 6 個 IGBT 組成。電動車的功率半導(dǎo)體價值增量大部分來自 IGBT 模塊，單 車 MOSFETs 才 400 元左右的價值量，1 個 IGBT 模塊大概是 1000 元左右，目前 A0/A00 級電動車用 1 個逆變器， 1 個 IGBT 模塊，如果是四驅(qū)的電動車一般采用 2 個模塊，價值量為 2000 元左右，大巴車用 3 個模塊，3000 左右，所以 IGBT 平均單車價值量在 2000 元人民幣。
2、車載 OBC 用到的 IGBT
車載充電機(jī)是指固定安裝在電動汽車上的充電機(jī)，具有為電動汽車動力電池，安全、自動充滿電的能力， 充電機(jī)依據(jù)電池管理系統(tǒng)（BMS）提供的數(shù)據(jù)，能動態(tài)調(diào)節(jié)充電電流或電壓參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動作，完成充電 過程，通常車載充電機(jī)作為一個節(jié)點(diǎn)，掛在 CAN 總線上，通過 CAN 與整車控制器交換數(shù)據(jù)。充電器有許多 不同的功率等級，功率等級越高，充電時間就越短。這些充電器需要大量的交流電源，根據(jù)車載充電器的設(shè)計， 由單相或三相電源供電。依據(jù)全球可用的典型交流電源，已發(fā)展出四個通用功率等級，3.3kW 和 6.6kW 充電器 已成為基本構(gòu)建塊用于所有功率等級的充電器。11 kW 和 22 kW 充電器都是將三個單相單元結(jié)合起來，每個單 元運(yùn)行三相中的一相。
來自電網(wǎng)的交流輸入源被濾波、整流并饋送到一個多相 PFC 電路中。PFC 電路是開關(guān)電路，負(fù)責(zé)控制輸入 正弦波的導(dǎo)通周期，以調(diào)節(jié)使輸入電流與輸入電壓一致。這種電壓-電流調(diào)節(jié)對交流電源產(chǎn)生一個高功率因數(shù)， 且需要通過大多數(shù)電力公司的調(diào)節(jié)。這過程分幾個階段，將傳導(dǎo)損耗分散到一組更廣泛的器件上。下一個模塊 使用 H 橋轉(zhuǎn)換器來降低直流電壓，并將其傳送到變壓器的輸入端。該塊通常采用諧振 LLC 電路設(shè)計，且對變壓 器施加的電壓大小的控制使對電池功率的調(diào)節(jié)更簡單。最后，對變壓器的輸出進(jìn)行整流、濾波和連接到高壓電 池。價值量方面，以 6.6KW 慢充為例，大概需要 20 多顆 IGBT 和 MOSFET 分立器件，總體成本在 300 元以下。
3、充電樁中的 IGBT 模塊
充電樁按充電能力不同可以分為交流慢充和直流快充兩大類，以處理不同的用電場景。一級充電樁是120 V、 輸出 15 A 或 20 A 的交流充電樁，每充電 1 小時增加約 4 至 6 英里里程。二級充電功率有 3.3 kW、6.6 kW、9.6 kW、19.2 kW 四種功率級別，適用于輸出電流分別達(dá) 20 A、20 A、50 A、100 A 的 240 V 交流電源插座。直流 快速充電(DCFC)樁的輸入電壓為 440 V 或 480 V，能在 30 分鐘內(nèi)充到 80%左右，用于公共充電樁。
充電樁將由現(xiàn)在主流的 60 kW、90 kW 發(fā)展到將來的 150 kW、240 kW，相應(yīng)地充電樁電源模塊將由現(xiàn)在的 15 kW、20 kW、30 kW 提高到將來的 40 kW、50 kW、60 kW，以縮短充滿電的時間。例如，210 kW 電動汽車 充電點(diǎn)由 14 個 15 kW 模塊組成，每個 15 kW 的電池充電器模塊都是由 3 相交流 380 V 輸入，經(jīng)過 3 相 Vienna 功 率因數(shù)校正(PFC)后，電壓升高到 800 V 直流電壓，再經(jīng)過高壓 DC-DC 輸出 250 V 至 750 V 直流電壓。
Vienna 整流＋LLC 構(gòu)成了充電樁的基本電路。如果考慮設(shè)備成本，使用 Si 基 IGBT 和超級結(jié) MOSFET、 FRD（快恢復(fù)二極管）方案更具成本優(yōu)勢；如果需要高功率密度和高效率，碳化硅 MOS/SBD 方案更具性能優(yōu) 勢。PFC 部分更適合使用碳化硅器件，理由有二：其一，高溫時導(dǎo)通電阻增加較少，能實現(xiàn)高效率，同時可抑 制發(fā)熱，使用更小的散熱板；其二，碳化硅器件的恢復(fù)損耗非常小，開關(guān)損耗較小，能夠提高工作頻率，有助 于輸入線圈的小型化。作為硅器件解決方案，Si 基的超級結(jié) MOS 和 IGBT 也是不錯的替代方案。價值量方面， 慢充 20KW 以內(nèi)用半橋工業(yè) IGBT，單樁價值量在 200 元以內(nèi)，如果采用超級快充 100KW 以上，超大功率的充 電樁會采用 SiC 方案，成本會成倍增加，整體價值量會提升至 1000 元以上。
（二）IGBT 市場需求結(jié)構(gòu)和市場需求預(yù)測
1、預(yù)計 2021 年全球市場規(guī)模約為 76.8 億美元，車規(guī)需求快速增長
2019 年全球 IGBT 市場規(guī)模預(yù)計在 64 億美元，2020 年略有下滑至 60.47 億美元，2021 年市場開始快速復(fù) 蘇，預(yù)計 2021 年全球 IGBT 市場規(guī)模將同比增長 20%，將達(dá)到 76.8 億美元。從市場結(jié)構(gòu)來看，IGBT 主要以 IPM 模塊和 IGBT 模組形式為主，兩者合計營收占比超過 76%，在分立單管和 IGBT 模塊占比最高的是德國英飛凌， 市占率超過 30%，在 IPM 模塊市場日本三菱市占率排在第一位，高達(dá) 32.7%。從 2020 年 IGBT 模塊全球應(yīng)用 占比來看，工業(yè)控制占比 33.5%，是目前 IGBT 最大的應(yīng)用領(lǐng)域，新能源汽車占比 14.2%。未來，汽車電動化、 智能化推動車規(guī)級 IGBT 成為增長最快的細(xì)分領(lǐng)域。
根據(jù)集邦咨詢的統(tǒng)計，2018 年中國 IGBT 市場規(guī)模預(yù)計為 153 億人民幣，相較 2017 年同比增長 19.91%， 2020 年受益于新能源汽車和光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電領(lǐng)域需求的大幅增長，我國 IGBT 市場規(guī)模持續(xù)增長，我 們預(yù)計 2025 年國內(nèi) IGBT 市場規(guī)模將增加至 592 億元，2020 到 2025 年復(fù)合增速 CAGR 為 27%。從需求結(jié)構(gòu)進(jìn) 行分析，2018 年國內(nèi) IGBT 需求占比最大的領(lǐng)域是新能源汽車，占比為 31%，緊隨其后的是消費(fèi)電子和工業(yè)控 制，市場規(guī)模占比分別為 27%和 20%。
2、新能源汽車銷售快速增長，帶動國內(nèi) IGBT 廠商崛起
根據(jù)中汽協(xié)的統(tǒng)計，2021 年預(yù)計中國新能源汽車銷量將達(dá)到 340 萬輛，相較于 2020 年 137 萬輛新能源汽 車的銷售，同比大增 148%。根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，我們預(yù)計 2021 年國產(chǎn)廠商配套的新能源汽車占比提升，其中斯 達(dá)半導(dǎo)體配套汽車輛為 50 萬套，占比 15%，比亞迪半導(dǎo)體主要配套同一集團(tuán)旗下的比亞迪車型，根據(jù)公司 2020 年產(chǎn)能為 40 萬套預(yù)計在車載 IGBT 市場占比 12%，隨著中車時代電氣一期產(chǎn)能的滿產(chǎn)，預(yù)計配套電動車約 24 萬輛占比 7%，特斯拉銷售預(yù)估在國內(nèi)銷售量為 40 萬，占比 12%，特斯拉的車型主要意法半導(dǎo)體供應(yīng) SiC 作為 逆變器的核心器件，英飛凌作為國內(nèi)車載 IGBT 龍頭廠商預(yù)計繼續(xù)保持接近 50%的市占率，其他德國和日本的 廠商供應(yīng)占比約為 13%。
2021 年 10 月開始，全球汽車領(lǐng)域缺芯情況逐漸緩解，我們預(yù)計 2022 年國內(nèi)新能源汽車銷量有望超過 500 萬輛達(dá)到 550 萬輛，同比成長 62%。通過我們的產(chǎn)業(yè)鏈跟蹤與調(diào)研，國內(nèi)廠商 IGBT 產(chǎn)線在 2021 年底相繼投入 量產(chǎn)，預(yù)計 2022 年國內(nèi)車載 IGBT 芯片市場格局將發(fā)生較大的變化。首先是市占率提升最明顯的預(yù)計是中車時 代電氣，由于公司月產(chǎn)能 2 萬片的 8 寸線在 2021 年底已經(jīng)投產(chǎn)，滿產(chǎn)能夠供應(yīng) 200 萬輛新能源汽車所需的 IGBT 模塊，拉平全年預(yù)估公司車載 IGBT 配套的汽車為 106 萬輛，市占率從 7%提升至 19%，其次是士蘭微由于 12 寸 IGBT 產(chǎn)線投產(chǎn)，預(yù)計明年有望配套 20 萬輛左右電動車，市占率達(dá)到 4%。美國安森美預(yù)計在 2022 年配套約 20 萬輛左右的電動車，市占率預(yù)計為 4%。比亞迪和意法半導(dǎo)體的市占率預(yù)計將保持穩(wěn)定，斯達(dá)和英飛凌的占 比將出現(xiàn)下滑。
3、IGBT 國產(chǎn)替代加速進(jìn)行，2025 年市場空間將 500-600 億
從投資功率半導(dǎo)體的角度，我們更看好的是 IGBT 領(lǐng)域的布局，一方面 MOSFET 的技術(shù)相對成熟，另一方面就是電車的增量功率需求也主要是 IGBT。2019 年到-2020年國內(nèi)新能源汽車銷售規(guī)模為 120-130 萬臺，增速 相對平穩(wěn)，2021年國內(nèi)新能源汽車銷量達(dá)到 340 萬臺，按照單車功率半導(dǎo)體價值為 3000 元計算，對應(yīng)約 102 億左右的車載 IGBT 市場規(guī)模。預(yù)計到 2025年國內(nèi)新能源汽車銷售量將達(dá)到 1000 萬臺左右，對應(yīng)需求空間約 為 300 億左右（不考慮 SiC 對于 IGBT 的替代）。
光伏市場今年按照 200GW 的裝機(jī)量測算，預(yù)計市場規(guī)模為 50億人民幣左右，預(yù)計 2025年光伏逆變器裝機(jī)量將達(dá)到 400GW 左右，對應(yīng)市場需求將達(dá)到 110 億人民幣。存量 市場主要是工業(yè)，家電和燃油車領(lǐng)域用到的 IGBT 需求，預(yù)計 2021 年市場規(guī)模約為 150 億，工控領(lǐng)域占比較高， 預(yù)計為 100 億人民幣，如果未來 5年工控領(lǐng)域帶動存量的IGBT 市場按照每年 5%左右的復(fù)合增速成長，預(yù)計 2025 年將達(dá)到 182 億人民幣。綜合存量市場的工業(yè)和家電需求，加上高速增長的車載和光伏對于功率半導(dǎo)體的需求 大幅增長，預(yù)計到 2025年國內(nèi)功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)到 592.3 億元。2021 年車用 IGBT 才 60 億規(guī)模，光伏 逆變器用 IGBT50 億規(guī)模，樂觀來看，車用 IGBT 增長空間還有 5 倍，光伏還有 2 倍，合計還有四倍的增長空間。
（三）IDM 模式最終勝出，產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的競爭力綜合體現(xiàn)
IGBT 下游的需求主要集中在汽車、工業(yè)控制和家電等領(lǐng)域，不同于 MOSFET 多以分立器件形式應(yīng)用為主， IGBT 則以更常見的形式如 IGBT 模塊和 IPM 模塊廣泛應(yīng)用于汽車和家電終端產(chǎn)品，尤其是汽車工業(yè)在歐洲、 日本和美國更為發(fā)達(dá)，所以 IGBT 芯片市場主要被德國英飛凌，日本羅姆、三菱以及美系大廠安森美和 ST 意法 半導(dǎo)體等廠商控制。由于 IGBT 芯片從晶圓生產(chǎn)到芯片封測以及模塊封裝一般都是采用 IDM 模式，所以 IGBT 模塊供應(yīng)商也主要由芯片廠商提供。IGBT 模塊是電動汽車逆變器的核心元器件，所以博世、電裝、德爾福等 Tier1 汽車零部件集成廠商會采購 IGBT 模塊生產(chǎn)電驅(qū)系統(tǒng)供給下游的汽車主機(jī)廠，此外也有部分國內(nèi)的主機(jī)廠 如長城汽車、長安汽車、奇瑞和蔚來自主生產(chǎn)逆變器。
國內(nèi)電動車銷量占據(jù)全球電動車市場的半壁江山，但是由于疫情影響，歐美 IGBT 大廠海外工廠產(chǎn)能利用 率較低，英飛凌車載 IGBT 平均交期在一年以上，國內(nèi)汽車主機(jī)廠由于缺芯影響嚴(yán)重制約汽車銷售。國內(nèi)自主 品牌廠商作為電動車的主力軍，率先導(dǎo)入國產(chǎn) IGBT 芯片產(chǎn)品，這給了國產(chǎn) IGBT 芯片崛起的歷史性機(jī)遇。
比亞迪作為國內(nèi)電動車的龍頭企業(yè)，旗下比亞迪半導(dǎo)體在 2008 年收購寧波中瑋的 IDM 晶圓廠開始進(jìn)入 IGBT 芯片產(chǎn)業(yè)鏈，2012 年導(dǎo)入比亞迪電動車，2015 年自研 IGBT 開始上量，2020 年寧波產(chǎn)線具備 40 萬 套電動車 IGBT 模塊的配套能力，2021 年收購濟(jì)南富能 8 寸產(chǎn)線，新增年產(chǎn)能可配套新能源汽車需求約 90 萬輛，合計配套 130 萬量。
中車時代電氣是國內(nèi)軌交、電網(wǎng)高壓 IGBT 芯片龍頭廠商，2012 年收購英國的丹尼克斯開始進(jìn)入 IGBT 芯 片的生產(chǎn)與研發(fā)。2017 年開始從 6500V、7500V 高壓領(lǐng)域擴(kuò)展至 650V、750V 和 1200V 的車規(guī)級 IGBT 模 塊市場，2018 年開始導(dǎo)入大巴車、物流車和 A00 級車，2019-2021 年芯片設(shè)計改版后已經(jīng)成為國內(nèi)首家突 破 A 級車 IGBT 芯片的廠商，同時與匯川等 Tier1 廠商也保持緊密合作。公司此前有一條月產(chǎn)能為 1 萬片 的 8 英寸產(chǎn)線，2021 年底二期月產(chǎn)能為 2 萬片的 8 寸線投產(chǎn)，預(yù)計可以配套約 200 萬輛新能源車 IGBT 模 塊，憑借 IDM 廠商的產(chǎn)能優(yōu)勢有望在 2022 年獲得車載 IGBT 芯片較大的市場份額。
斯達(dá)半導(dǎo) 2008 年開始進(jìn)入 IGBT 芯片市場，最開始也從英飛凌購買芯片，2015 年出現(xiàn)了切入 IGBT 芯片生 產(chǎn)的機(jī)會，2015 年英飛凌收購 IR（International Rectifier）將其芯片研發(fā)團(tuán)隊解散，該團(tuán)隊成為了斯達(dá)半導(dǎo) 體芯片研發(fā)團(tuán)隊，2016 年開始推廣自己的芯片，目前公司產(chǎn)品已經(jīng)在大巴車、物流車和 A00 級電動車上有 所應(yīng)用，2020 年公司生產(chǎn)的車載 IGBT 模塊配套約 20 萬輛新能源車，預(yù)計 2021 年配套車輛將增加至 50 萬套。
士蘭微在家電領(lǐng)域的 IPM 模塊出貨量優(yōu)勢明顯，2020 年 IPM 模塊出貨量約 1800 萬顆，2021 年上半年出貨 量大增 150%，已經(jīng)占全球 10%的出貨量，公司從家電切入車載 IGBT 領(lǐng)域，目前已經(jīng)有 A00 級別客戶如 零跑和菱電開始采用士蘭微的車載 IGBT 模塊。由于公司 IDM 的模式，產(chǎn)品迭代非?？?，迭代一版產(chǎn)品歷 時只有 3 個月，而 Fabless 廠商則需要 6 個月以上。目前士蘭微的 A 級車 750V 模塊性能處于行業(yè)領(lǐng)先，輸 出功率可以達(dá)到 160kw-180Kw，公司 12 寸的晶圓廠已經(jīng)投產(chǎn)，預(yù)計年底可實現(xiàn)月產(chǎn)能 3.5 萬片的產(chǎn)能目標(biāo)。
（四）IGBT 供給緊平衡，2022 年產(chǎn)業(yè)進(jìn)入爆發(fā)期
我們認(rèn)為 2022 年國內(nèi) IGBT 產(chǎn)業(yè)進(jìn)入爆發(fā)期，國產(chǎn) IGBT 廠商在車載 IGBT 領(lǐng)域的替代進(jìn)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(jìn)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(jī)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(rèn)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(dá)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。
三、碳化硅新世界：襯底成為產(chǎn)業(yè)鏈最重要的環(huán)節(jié)
（一）碳化硅器件優(yōu)良性能帶來全新替代需求
1、SiC 與 IGBT 性能對比
相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 和硅基 MOSFET 相比，導(dǎo)通電阻降低為 1/200，尺寸減小為 1/10；相同規(guī)格的 使用碳化硅基 MOSFET 的逆變器和使用硅基 IGBT 相比，總能量損失小于 1/4。由于碳化硅器件具備的上述優(yōu) 越性能，可以滿足電力電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣工作條件的新要求，從而成為半 導(dǎo)體材料領(lǐng)域最具前景的材料之一。具體對比如下：
① 能量損耗低。SiC 模塊的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗顯著低于同等 IGBT 模塊，且隨著開關(guān)頻率的提高，與 IGBT 模塊的損耗差越大，SiC 模塊在降低損耗的同時可以實現(xiàn)高速開關(guān)，有助于降低電池用量，提高續(xù)航里程，解 決新能源汽車痛點(diǎn)。
② 更小的封裝尺寸。SiC 器件具備更小的能量損耗，能夠提供較高的電流密度。在相同功率等級下，碳化硅 功率模塊的體積顯著小于硅基模塊，有助于提升系統(tǒng)的功率密度。
③ 實現(xiàn)高頻開關(guān)。SiC 材料的電子飽和漂移速率是 Si 的 2 倍，有助于提升器件的工作頻率；高臨界擊穿 電場的特性使其能夠?qū)?MOSFET 帶入高壓領(lǐng)域，克服 IGBT 在開關(guān)過程中的拖尾電流問題，降低開關(guān)損耗和 整車能耗，減少無源器件如電容、電感等的使用，從而減少系統(tǒng)體積和重量。
④ 耐高溫、散熱能力強(qiáng)。SiC 的禁帶寬度、熱導(dǎo)率約是 Si 的 3 倍，可承受溫度更高，高熱導(dǎo)率也將帶來功率密度的提升和熱量的更易釋放，冷卻部件可小型化，有利于系統(tǒng)的小型化和輕量化。（報告來源：未來智庫）
2、碳化硅器件得需求測算：電車和工業(yè)
SiC 器件使用第三代半導(dǎo)體材料碳化硅作為襯底，與同規(guī)格硅基器件相比，SiC 器件效率及耐溫性更高，可 顯著降低能耗，提高功率密度，減小體積，是下一代新能源汽車電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的理想器件，能進(jìn)一步提高 新能源汽車的續(xù)航里程、百公里加速能力和最高時速。特斯拉的 Model3 的主驅(qū)動逆變器采用了 24 個 SiC MOSFET，每個模塊有 2 個 SiC 裸晶(Die)共 48 顆 SiC MOSFET，總成本約為 5000 元。比亞迪漢后驅(qū)三相橋 6 橋臂采用了 30 個 SiC MOS 模塊，總成本 7000 元。2021 年發(fā)布的新款車型中，蔚來 ET，小鵬的 G9，廣汽埃安 的 LX 和長城的機(jī)甲龍均采用 800v 平臺，從 400V 提升到 800V，一個系統(tǒng)用到 30-50 個 SiC 芯片，2 套驅(qū)動系 統(tǒng)的芯片量會增長更多。
新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括：電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載 DC/DC）和非車載充電樁。碳化硅功率器件應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的主逆變器，能夠顯著降低電 力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高功率密度。Wolfspeed 預(yù)計 2026 年車載 SiC 市場規(guī)模將從 2022 年的 16 億美元增加至 2026 年的 46 億美元。
除了新能源汽車領(lǐng)域，光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)以及射頻器件都可以采用 SiC 器件替代 IGBT 作為 電子電子控制器件。使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 與碳化硅 SBD 結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn) 換效率可從 96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升 50 倍，預(yù)計在組串式和集中式 光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品預(yù)計會逐漸替代硅基器件。將碳化硅器件應(yīng)用于軌道交通牽引變流器，能極大發(fā)揮 碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率。預(yù)計工業(yè)領(lǐng)域的 SiC 器件市場規(guī)模預(yù)計從 2022 年的 6 億美金增加至 14 億美金。
3、功率半導(dǎo)體廠商紛紛發(fā)布碳化硅產(chǎn)品
比亞迪：比亞迪在 2020 年發(fā)布的比亞迪漢純電動高性能四驅(qū)版成為國內(nèi)首款采用自研 SiC 模塊的車型，功 率密度提升了一倍，其 SiC 芯片采購自國外廠商。比亞迪半導(dǎo)體碳化硅 SiC 功率模塊是一款三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 的灌封全碳化硅功率模塊，主要應(yīng)用于新能源汽車電機(jī)驅(qū)動控制器，是全球首家、國內(nèi)唯一實現(xiàn)在電機(jī)驅(qū)動控 制器中大批量裝車的 SiC 三相全橋模塊。根據(jù)公司公告顯示，2020 年 SiC 模塊銷售收入為 1.42 億元，按照單價 1577 元測算，預(yù)計 2020 年銷售碳化硅模塊 9 萬個，2021 年上半年銷售收入達(dá)到 1.14 億元，按照 1069 元單價 計算，2021 年上半年銷售碳化硅模塊為 10 萬個，預(yù)計全年銷量將超過 20 萬個。
華潤微：本土功率半導(dǎo)體龍頭廠商華潤微在 2020 年 7 月份發(fā)布 SiC 二極管產(chǎn)品，2021 年實現(xiàn)小批量供貨。2021 年 12 月 17 日，公司又宣布推出 1200V SiC MOSFET 新品，采用 Wolf Speed 的襯底，實現(xiàn)了碳化硅芯片的 國產(chǎn)化。華潤微自主研發(fā)量產(chǎn)的新品 SiC MOS 單管，具有柵氧可靠性好、高電流密度、高開關(guān)速度、工業(yè)級可 靠性、Ron 隨溫度變化小等優(yōu)勢，主要應(yīng)用于新能源汽車 OBC、充電樁、工業(yè)電源、光伏逆變、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng) 域。
時代電氣：從軌交和電網(wǎng)高壓 IGBT 切入新能源汽車功率半導(dǎo)體的時代電氣在 2021 年底發(fā)布了國內(nèi)首款基于自主碳化硅芯片的大功率電驅(qū)產(chǎn)品- C- Power 220s。公司的 SiC MOSFET 芯片已經(jīng)發(fā)展了 4 個代次，從第三代開始面向車規(guī)級應(yīng)用，目前已經(jīng)推出的 1200V/600A 的 SiC MOSFET 模塊 S3 能夠滿足 120KW～200KW 功率 等級電驅(qū)需求，在 190KW 高輸出功率條件下，逆變總損耗可以比硅基 IGBT 降低 54%，逆變效率從 97.%提升 至 98.77%。
（二）碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈之咽喉：襯底
1、襯底行業(yè)概況：分類，產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，價值量分布
SiC 襯底的原材料為高純碳粉和高純硅粉，在 2,000℃以上的高溫條件下通過特定反應(yīng)合成碳化硅粉。在特 殊溫場下，采用成熟的物理氣相傳輸法（PVT 法）生長不同尺寸的碳化硅晶錠，經(jīng)過多道加工工序產(chǎn)出碳化硅 襯底。根據(jù)下游終端的應(yīng)用不同可以分為導(dǎo)電型和半絕緣型兩類，導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件， 與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導(dǎo)電型襯底上生長碳化 硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造各類功率器件。半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射 頻器件。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進(jìn)一步制成氮化鎵 射頻器件。
在半導(dǎo)體應(yīng)用中，SiC 主要用于電力電子器件的制造。從 SiC 器件制造流程順序來看，SiC 器件的制造成本 中，SiC 襯底成本占比 50%，SiC 外延的成本占比 25%，這兩大工序是 SiC 器件的重要組成部分。根據(jù)立昂微和 滬硅產(chǎn)業(yè)披露的招股書，一片 8 寸的硅外延片為 250 元左右，一片 12 寸的硅外延片為 300-400 元左右，而天科 合達(dá)和天岳先進(jìn)披露的 6 寸導(dǎo)電型 SiC 襯底和 4 寸半絕緣 SiC 襯底分別為 3000 元和 8000-9000 元，全球龍頭 Wolfspeed 的 6 寸導(dǎo)電型 SiC 襯底價格高達(dá) 6000 元以上，如果完成外延加工估計達(dá)到 8000 元左右。
SiC 器件成本高的一大原因就是 SiC 襯底制造困難，與傳統(tǒng)的單晶硅使用提拉法制備不同，目前規(guī)?；?長 SiC 單晶主要采用物理氣相輸運(yùn)法（PVT）或籽晶的升華法。這也就帶來了 SiC 晶體制備的兩個難點(diǎn)：
1、生長條件苛刻，需要在高溫下進(jìn)行。一般而言，SiC 氣相生長溫度在 2300℃以上，壓力 350MPa，而 硅僅需 1600℃左右。高溫對設(shè)備和工藝控制帶來了極高的要求，生產(chǎn)過程幾乎是黑箱操作難以觀測。如果溫度 和壓力控制稍有失誤，則會導(dǎo)致生長數(shù)天的產(chǎn)品失敗。
2、生長速度慢。PVT 法生長 SiC 的速度緩慢，7 天才能生長 2cm 左右。而硅棒拉晶 2-3 天即可拉出約 2m 長的 8 英寸硅棒。
此外 SiC 器件制造必須要經(jīng)過外延步驟，外延質(zhì)量對器件性能影響很大。SiC 基器件與傳統(tǒng)的硅器件不同， SiC 襯底的質(zhì)量和表面特性不能滿足直接制造器件的要求，因此在制造大功率和高壓高頻器件時，不能直接在 SiC 襯底上制作器件，而必須在單晶襯底上額外沉積一層高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件，目 前效率也比較低。另外 SiC 的氣相同質(zhì)外延一般要在 1500℃以上的高溫下進(jìn)行。由于有升華的問題，溫度不能 太高，一般不能超過 1800℃，因而生長速率較低。
2、市場格局
全球碳化硅襯底市場主要由美國和歐洲廠商控制，根據(jù) Yole 的統(tǒng)計，2018 年導(dǎo)電型碳化硅襯底市場中 CREE 占比為 62%，美國半導(dǎo)體材料大廠Ⅱ-Ⅵ市占率為 16%，國內(nèi)廠商天科合達(dá)和山東天岳占比僅為 1.7%和 0.5%。半絕緣型襯底市場中 Wolf speed 市占率從 2019 年的 41%下滑至 32%，Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體市占率從 2019 年的 27%上升 至 35%，兩大龍頭合計占據(jù)近 70%的市場。山東天岳以半絕緣型襯底產(chǎn)品為主，2020 年市占率達(dá)到 30%，根絕 公司招股書披露 2020 年公司半絕緣型襯底 3.47 億元營收測算，全球半絕緣型碳化硅市場規(guī)模僅為 12 億元人民 幣。2020 年 Wolf-Speed 營收為 4.71 億美元，剔除 0.59 億美元半絕緣型襯底的營收，預(yù)計導(dǎo)電型碳化硅襯底營 收規(guī)模約為 4.12 億美元，假設(shè) Wolfspeed 市占率在 2020 年接近 50%，合計導(dǎo)電型碳化硅襯底市場規(guī)模約為 8.24 億美元。綜合來看，2020 年全球碳化硅襯底市場約為 10 億美元，2021 年 Wolfspeed 營收增長 12%，預(yù)計 2021 年全球碳化硅襯底銷售規(guī)模增至 11.3 億美元。
在功率半導(dǎo)體芯片市場，尤其是 IGBT 芯片市場的競爭已經(jīng)從芯片設(shè)計延伸至中游的制造和下游的模塊封 裝領(lǐng)域，然而進(jìn)入到碳化硅時代，我們認(rèn)為碳化硅功率半導(dǎo)體的競爭已經(jīng)從芯片設(shè)計、中游制造和下游封裝進(jìn) 一步向產(chǎn)業(yè)鏈上游的襯底和外延環(huán)節(jié)擴(kuò)張。國際大廠很早就意識到了碳化硅之爭的關(guān)鍵就在對于襯底資源的控制權(quán)，早在 2009年日本羅姆就通過收購德國 SiC 襯底和外延片供應(yīng)商 SiCrystal 實現(xiàn)了 SiC 器件研發(fā)的實質(zhì)性 突破。2018年英飛凌收購了德國碳化硅晶圓切割領(lǐng)域的新銳公司 Siltectra，通過收購獲得了一種稱為“冷分裂 （Cold Split）”的材料切割技術(shù)，借助這種專有工藝可以高質(zhì)量低成本的加工晶圓和對晶圓進(jìn)行減薄，尤其是對 于碳化硅這種超高硬度材料的切割優(yōu)勢非常明顯。
2019 年 12 月，意法半導(dǎo)體以1.375億美元現(xiàn)金從三安廣電手中購得了瑞典 SiC 襯底和外延片制造商 Norstel AB，獲得了 6 英寸 SiC 襯底和外延片的生產(chǎn)制造能力。2021 年 11 月 1日，安森美宣布耗資 4.15 億美元對于美國碳化硅生產(chǎn)商 GTAT 的收購，通過外延收購襯底資產(chǎn)可以幫助 安森美減少對于 Wolfspeed 的原材料依賴。時至今日，功率半導(dǎo)體大廠基本上對于襯底資源的搶奪戰(zhàn)已經(jīng)告一 段落，國內(nèi)企業(yè)只有三安光電在這場襯底資源爭奪戰(zhàn)中有所斬獲，曾轉(zhuǎn)移了部分 Norstel AB 的專利到國內(nèi)，才 得以完成國內(nèi)首條從襯底、外延到器件的長沙 6 寸 IDM 產(chǎn)線。
（三）國內(nèi)襯底產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂?/strong>
1、國內(nèi)襯底廠商對比
國內(nèi)供應(yīng)碳化硅襯底主要廠商包括山東天岳、天科合達(dá)、三安光電、山西爍科與河北同光五家，目前在國 內(nèi)市場銷售規(guī)模排在前三位的是山東天岳，山西爍科和天科合達(dá)。根據(jù)公開資料顯示，銷售規(guī)模排在前三位的 碳化硅襯底銷售額分別為 3.5 億（2020 年），3 億左右（2020 年），1.55 億（2019 年）。對比未來五家襯底產(chǎn)能 規(guī)劃，2025 年產(chǎn)能最大的廠商是河北同光，預(yù)計月產(chǎn)能達(dá)到 5.83 萬片，年產(chǎn)能達(dá)到 70 萬片，滿產(chǎn)后產(chǎn)值為 45-60 億元。排在第二位的是三安光電，廈門三安和湖南三安兩地合計碳化硅襯底產(chǎn)能在 2025 年將達(dá)到 4.2 萬片/月， 山東天岳的碳化硅襯底月產(chǎn)能在 2025 年底將達(dá)到 3.5 萬片緊隨其后，其中 2.5 萬片為導(dǎo)電型襯底，占公司總產(chǎn) 能比達(dá)到 71.4%。
轉(zhuǎn)自：ittbank
