IGBT功率半导体器件

IGBT功率半导体器件
IGBT在MOSFET基础上升级，市场空间增速快。IGBT 作为半导体功率器件中的全控器件，由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降两方面的优点。
　　IGBT 的开关特性可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用，其应用领域极其广泛。
　　碳化硅具有较高的能量转换效率，不会随着频率的提高而降低，碳化硅器件的工作频率可以达到硅基器件的10倍，相同规格的碳化硅基MOSFET总能量损耗仅为硅基IGBT的30%。碳化硅材料将在高温、高频、高频领域逐步替代硅，在5G通信、航空航天、新能源汽车、智能电网领域发挥重要作用。
功率器件主要为二极管、三极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等，市场主要被国外厂商垄断。
本文主要参考文献链接
https://mp.weixin.qq.com/s/vvnY7U99xCSiuVWJmSEs1g
国泰君安-电子元器件行业：新能源需求引领，国内功率半导体行业快速发展-211111
https://baijiahao.baidu.com/sd=1716792414939211999&wfr=spider&for=pc
　　二极管是基础性器件，主要用作整流，虽然原理成熟，但受产品稳定性及客户认证壁垒影响，国产化率仍然较低；
　　三极管主要适用于消费电子等产品，用于开关或功率放大，国外厂商仍占据市场份额的前列，国内厂商在附加值较低的部分已完成了国产替代；
　　晶闸管主要用于工业领域，属于电流控制型开关器件，市场整体规模较小。
　　MOSFET是最为成熟的功率器件之一，适用于消费电子、网络通信、工业控制、汽车电子等，相较于前三者，适用频率高，但一般用于功率不超过10kw的电力电子装置，在中低压领域，国内厂商正逐步展开国产替代；
　　IGBT在MOSFET基础上升级，市场空间增速快。IGBT 作为半导体功率器件中的全控器件，是由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降两方面的优点。
　　IGBT 的开关特性可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用，应用领域极其广泛。大概已经能够理解，最近时代电气/新洁能/斯达半导/宏微科技等IGBT概念股独秀一枝的原因。大热阳光电源/锦浪科技就是做逆变器的。
　　功率半导体根据材料种类来划分，主要分为三类：以Si、Ge为代表的第一代半导体，以GaAs、InP为代表的第二代半导体以及以SiC、GaN为代表的第三代半导体。第三代半导体材料禁带更宽，具备更好的高频性能和高温性能。以SiC和GaN为主要形式的分立器件以及功率模组，相比于Si基IGBT和Si基MOSFET可以适用于更加高电压、高电流的环境，并可以有效缩小所需芯片面积，减少变频器三分之二的热损耗。
　　SiC与GaN由于其性能的优越性，可以适用于更广泛的范围。SiC与GaN在5G、电动汽车、光伏等各个领域均表现出更加优异的性能。特斯拉已经将电动汽车model3中的IGBT器件替换为多个SiC MOSFET模块，取得了更优的性能。
　　根据Omdia的数据，2019年功率半导体全球市场规模为463亿美元。功率IC市场规模为244 亿美元，占52.7%，功率器件市场规模为210 亿美元，占47.3%。功率器件中的晶体管市场规模为144.4 亿美元，占功率器件市场的68.76%。
　　晶体管市场主要由MOSFET 和IGBT 组成，其中MOSFET 市场占56.09%，约81 亿美元，IGBT 市场占43.91%，约63.4 亿美元。其主要厂商包括英飞凌、意法半导体、德州仪器、安森美、三菱等，其中功率半导体龙头厂商为英飞凌。
　　看下游应用，功率半导体下游需求主要以车载方向和电机驱动等为主。根据Yole 的2019 年统计数据，功率半导体主要下游驱动应用方向分别为车载方向(包括EV、HEV，硅MOSFET)、电机驱动(Motor Drive，IGBT 模组)、智能手机以及无线设备(硅MOSFET)、计算机技术以及存储(硅MOSFET)、工业方向(硅MOSFET)和EV、HEV 方向(IGBT 模组)等。
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由于功率半导体供需错配，本来产品价格较低的功率器件在晶圆厂产能供给的优先权就比较低，晶圆产能供给紧张的时候代工和封测成本端大幅上升，各大功率半导体厂商纷纷大幅上调产品价格，预计行业平均价格 涨幅超过 20%，部分产品甚至价格上涨了 7-8 倍。根据对于 2020-2021年这一轮周期的复盘，行业平均毛利率在 2021 年 Q3 创近十年历史新高，行业接近 29%的增速高点也远超上一轮周期的增速高点。但是疯涨的功率半导体行情也让市场对于 2022 年的价格回调压力充满担忧，大家对于 2018 年 Q4 开始的下行周期中价格下跌的惨烈仍历历在目，尤其是消费类相关的功率半导体价格，2022 年跌价压力较大。

（二）功率半导体下游应用全面开花，电动车和光伏/风电新能源领域需求激增
在全球分立器件的下游需求中汽车占比最高，达到 35%左右，国内市场中汽车行业对于分立器件的用量占比为 27%。以 MOSFETs 为代表的中低压分立器件广泛应用于汽车的电动天窗、雨刮器、安全气囊、后视镜等 领域，纯电汽车的车载充电机（OBC）、DC-DC 转换器对于 MOSFETs的需求进一步增加。另外汽车车灯转为 LED 大灯以后，MOSFETs 的需求量从原来每个车灯需要 1 颗增加至 18 颗，很多造车新势力热衷的车顶和侧边渐变玻璃对于 MOSFETs 的需求也在增长。
传统燃油车中仅有少量的 IGBT 单管用于发动机点火器，纯电汽车的动力系统转为电池以后，IGBT 模块成为电驱系统中逆变器的标配，此外新能源汽车在车载充电机（OBC）、DC-DC 升压器、电空调驱动也需要用到 IGBT 单管。根据产业链调研与测算，四驱版本的纯电车型前后双电机各需要 18 颗 IGBT，车载充电机需要 4 颗，电动空调 8颗，合计一台电动车需要 48 颗 IGBT 芯片。

除了电动车和光伏发电两大驱动力以外，智能家居中也大量用到功率半导体的分立器件，比如多功能扫地机器人。在一个扫地机中，可能会有不同的部分用到这样的功率分立器件：无线充电、电池管理系统、音频放大器、吸尘器、清洁系统电机控制、移动电机控制等，由于功能不同，所需要的 MOS 也不尽相同，大约在 2-6 颗不等。
（三）功率半导体行业竞争格局
全球功率半导体行业市场规模在 2019 年达到 464 亿美元，相较于上一轮高景气周期的 2018 年同比下滑 3.53%。2020 年和 2021 年在疫情影响全球进入“居家办公模式”，服务器和 PC 的强劲复苏叠加高景气的电动车和新能源发电需求刺激，功率半导体行业迎来拐点。SIA 预计 2021 年全球半导体的销售额将达到 5530 亿美元， 创下新高，同比增长 25.6%，全球功率半导体龙头厂商英飞凌 Infineon，恩智浦 NXP，意法半导体 STM，安森 美 ON semi，2021 年前三季度分别成长 32.5%，31.43%，31.8%和 28.5%，预计全球功率半导体的行业增速预计在 2021 年有望达到 30%，市场规模将接近 600 亿美元。从全球功率半导体分立器件需求结构来看，汽车是 需求最大的领域，占比达到 35%，其次是工业和消费电子领域，需求占比分别为 27%和 13%。

国内主要的功率半导体厂商以分立器件为主，包括二极管、整流管、MOSFETs 等，二极管三极管属于基本的电子元器件，这些年技术迭代较慢，价格也比较低廉，行业壁垒较低。肖特基二极管是以其发明人肖特基博 士（Schottky）命名的，与 PN 二极管不同，肖特基二极管不是利用 P 型半导体与 N 型半导体接触形成 PN 结 原理制作的，利用金属与半导体接触形成的金属－半导体势垒原理制作的。肖特基二极管多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，例如手机和手持设备适配器、彩电的二次电源整流、高频 电源整流等应用。近年来随着手机等手持设备电源适配器等快充电源小型化的市场变化，传统肖特基已不能够 满足低导通电压的需求，采用沟槽结构的 TMBS将成为肖特基产品的技术主流。

功率 MOSFET 是 70 年代在经典 MOSFET 的基础上发展而来的，主要作为功率电子开关使用。不同于经典 MOSFET，功率 MOSFET 重点提高了功率特性，尤其是增加器件的工作电压和工作电流。功率 MOSFET 围绕如何解决耐压和功耗之间的矛盾产生了许多新的工艺结构，从 LD MOSFET 结构起步经历了 VV MOSFET，VU MOSFET，VD MOSFET，SJ MOSFET（超结）,Trench MOSFET（沟槽型）, SGT MOSFET（屏蔽栅）。
沟槽型 MOSFET，主要用于低压（100V）领域；SGT（Shielded Gate Transistor，屏蔽栅沟槽）MOSFET，主要用于中低压（200V）领域；SJ-MOSFET，即超结 MOSFET，主要在高压（600V-800V）领域应用。SGT MOSFET（Shield Gate Trench MOSFET）是一种新型的功率半导体器件，SGT 工艺比普通沟槽简单，开关损耗小。再加上 SGT 比普通沟槽工艺挖掘深度深 3-5 倍，可以横向使用更多的外延体积来阻止电压，使得 SGT 的内阻比普通 MOSFET 低 2 倍以上，所以 SGT MOSFE 作为开关器件应用于新能源电动车、新型光伏发电、节能家电等领域 的电机驱动系统、逆变器系统及电源管理系统，是核心功率控制部件。

（四）功率半导体行业供需分析
假设 2030 年全球汽车销量达到 1 亿辆，如果 50%的燃油车替换为电动车，对应约 5000 万辆电动车，按照单车功率半导体价值量为 400 美元计算，预计全球车规功率半导体市场规模达到 200 亿美元，如果国内电动车 市场占全球的 50%，那么 2030 年国内车规功率半导体市场空间将达到 100 亿美元。存量市场 2021 年全球功率 半导体市场规模将增长至 441 亿美元，国内需求占全球市场份额的 36%，2021 年市场规模有望达到 159 亿美元， 未来十年按照 5%的复合增速测算，存量市场如工控和家电领域的需求在 2030 年将达到 239 亿美元。光伏领域对于功率半导体市场需求为 30 亿美元，加总以后预计到 2030 年国内功率半导体市场空间达到 369 亿美元，对应 2500 亿人民币左右的市场空间。
1 台新能源汽车平均消耗一片 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 和电源管理芯片，2021 年新能源汽车销量为 340 万台，同比增长 1.5 倍，预计 2022 年国内新能源汽车销量达到 500 万辆，对应的增量需求为 160 万片 8 寸晶圆，折合 13~14 万片月产能，如果 2025 年国内电动车销量达到 1000 万辆，对应增量需求为 54-55 万片月产能。
截止 2020 年 12 年全球晶圆产能约为 2082 万片/月（等效 8 寸），中国大陆晶圆产能占比为 15.3%，预计为 318.4 万片/月（等效 8 寸），国内主要晶圆厂 12 寸产能约 100 万片/月，8 寸产线约为 115 万片/月。其中统计国内所有功率半导体厂商新增产线的产能增量，预计 2022 年全年新增功率半导体产能为 18 万片/月（等效 8 寸），如果假设 2022 年国内新增电动车销量为 200 万台，全球新增 500 万台电动车，所需要对应约 250 万片 8 寸的年产能，对应需要新增 20.8 万片月产能，全球功率半导体的新增产能几乎都在中国，仅仅满足全球的电 动车的需求新增供给尚且不够，如果考虑光伏需要的产能则供应缺口进一步增加。

通常将交流转换为直流称为整流，反过来直流转换为交流则称为逆变，电动车的逆变器承担的核心职能是将动力电池输出的直流电转换为交流电供驱动电机使用。纯电动汽车上的逆变器位于电机控制器（MCU 内）， 除了逆变器外，还有控制器一起组合在 MCU 内，MCU 是整个动力系统的控制中心。控制器是接受驱动电机的 需求信号，当车辆制动或者加速时，控制器控制变频器的频率升降使汽车行驶。逆变器接受动力电池输出的直 流电能，逆变成三相交流电提供给电机运转，在电动汽车制动过程中又起到制动回收电能的作用。
逆变器内部是由 6 个 IGBT 组成。电动车的功率半导体价值增量大部分来自 IGBT 模块，单车 MOSFETs 才 400 元左右的价值量，1 个 IGBT 模块大概是 1000 元左右，目前 A0/A00 级电动车用 1 个逆变器， 1 个 IGBT 模块，如果是四驱的电动车一般采用 2 个模块，价值量为 2000 元左右，大巴车用 3 个模块，3000 左右，所以 IGBT 平均单车价值量在 2000 元人民币。

3、充电桩中的 IGBT 模块
充电桩按充电能力不同可以分为交流慢充和直流快充两大类，以处理不同的用电场景。一级充电桩是120 V、 输出 15 A 或 20 A 的交流充电桩，每充电 1 小时增加约 4 至 6 英里里程。二级充电功率有 3.3 kW、6.6 kW、9.6 kW、19.2 kW 四种功率级别，适用于输出电流分别达 20 A、20 A、50 A、100 A 的 240 V 交流电源插座。直流 快速充电(DCFC)桩的输入电压为 440 V 或 480 V，能在 30 分钟内充到 80%左右，用于公共充电桩。
充电桩将由现在主流的 60 kW、90 kW 发展到将来的 150 kW、240 kW，相应地充电桩电源模块将由现在的 15 kW、20 kW、30 kW 提高到将来的 40 kW、50 kW、60 kW，以缩短充满电的时间。例如，210 kW 电动汽车 充电点由 14 个 15 kW 模块组成，每个 15 kW 的电池充电器模块都是由 3 相交流 380 V 输入，经过 3 相 Vienna 功 率因数校正(PFC)后，电压升高到 800 V 直流电压，再经过高压 DC-DC 输出 250 V 至 750 V 直流电压。

根据集邦咨询的统计，2018 年中国 IGBT 市场规模预计为 153 亿人民币，相较 2017 年同比增长 19.91%， 2020 年受益于新能源汽车和光伏、风电等新能源发电领域需求的大幅增长，中国 IGBT 市场规模持续增长，预计 2025 年国内 IGBT 市场规模将增加至 592 亿元，2020 到 2025 年复合增速 CAGR 为 27%。从需求结构进 行分析，2018 年国内 IGBT 需求占比最大的领域是新能源汽车，占比为 31%，紧随其后的是消费电子和工业控制，市场规模占比分别为 27%和 20%。
2、新能源汽车销售快速增长，带动国内 IGBT 厂商崛起
根据中汽协的统计，2021 年预计中国新能源汽车销量将达到 340 万辆，相较于 2020 年 137 万辆新能源汽 车的销售，同比大增 148%。根据产业链调研，预计 2021 年国产厂商配套的新能源汽车占比提升，斯达半导体配套汽车辆为 50 万套，占比 15%，比亚迪半导体主要配套同一集团旗下的比亚迪车型，根据公司 2020 年产能为 40 万套预计在车载 IGBT 市场占比 12%，随着中车时代电气一期产能的满产，预计配套电动车约 24 万辆占比 7%，特斯拉销售预估在国内销售量为 40 万，占比 12%，特斯拉的车型主要意法半导体供应 SiC 作为逆变器的核心器件，英飞凌作为国内车载 IGBT 龙头厂商预计继续保持接近 50%的市占率，其他德国和日本的 厂商供应占比约为 13%。
2021 年 10 月开始，全球汽车领域缺芯情况逐渐缓解，预计 2022 年国内新能源汽车销量有望超过 500 万辆达到 550 万辆，同比成长 62%。通过产业链跟踪与调研，国内厂商 IGBT 产线在 2021 年底相继投入量产，预计 2022 年国内车载 IGBT 芯片市场格局将发生较大的变化。首先是市占率提升最明显的预计是中车时 代电气，由于公司月产能 2 万片的 8 寸线在 2021 年底已经投产，满产能够供应 200 万辆新能源汽车所需的 IGBT 模块，拉平全年预估公司车载 IGBT 配套的汽车为 106 万辆，市占率从 7%提升至 19%，其次是士兰微由于 12 寸 IGBT 产线投产，预计明年有望配套 20 万辆左右电动车，市占率达到 4%。美国安森美预计在 2022 年配套约 20 万辆左右的电动车，市占率预计为 4%。比亚迪和意法半导体的市占率预计将保持稳定，斯达和英飞凌的占 比将出现下滑。

（三）IDM 模式最终胜出，产业链各个环节的竞争力综合体现
IGBT 下游的需求主要集中在汽车、工业控制和家电等领域，不同于 MOSFET 多以分立器件形式应用为主， IGBT 则以更常见的形式如 IGBT 模块和 IPM 模块广泛应用于汽车和家电终端产品，尤其是汽车工业在欧洲、日本和美国更为发达，所以 IGBT 芯片市场主要被德国英飞凌，日本罗姆、三菱以及美系大厂安森美和 ST 意法半导体等厂商控制。由于 IGBT 芯片从晶圆生产到芯片封测以及模块封装一般都是采用 IDM 模式，所以 IGBT 模块供应商也主要由芯片厂商提供。IGBT 模块是电动汽车逆变器的核心元器件，所以博世、电装、德尔福等 Tier1 汽车零部件集成厂商会采购 IGBT 模块生产电驱系统供给下游的汽车主机厂，此外也有部分国内的主机厂 如长城汽车、长安汽车、奇瑞和蔚来自主生产逆变器。
国内电动车销量占据全球电动车市场的半壁江山，但是由于疫情影响，欧美 IGBT 大厂海外工厂产能利用 率较低，英飞凌车载 IGBT 平均交期在一年以上，国内汽车主机厂由于缺芯影响严重制约汽车销售。国内自主 品牌厂商作为电动车的主力军，率先导入国产 IGBT 芯片产品，这给了国产 IGBT 芯片崛起的历史性机遇。
比亚迪作为国内电动车的龙头企业，旗下比亚迪半导体在 2008 年收购宁波中玮的 IDM 晶圆厂开始进入 IGBT 芯片产业链，2012 年导入比亚迪电动车，2015 年自研 IGBT 开始上量，2020 年宁波产线具备 40 万 套电动车 IGBT 模块的配套能力，2021 年收购济南富能 8 寸产线，新增年产能可配套新能源汽车需求约 90 万辆，合计配套 130 万量。
中车时代电气是国内轨交、电网高压 IGBT 芯片龙头厂商，2012 年收购英国的丹尼克斯开始进入 IGBT 芯 片的生产与研发。2017 年开始从 6500V、7500V 高压领域扩展至 650V、750V 和 1200V 的车规级 IGBT 模 块市场，2018 年开始导入大巴车、物流车和 A00 级车，2019-2021 年芯片设计改版后已经成为国内首家突破 A 级车 IGBT 芯片的厂商，同时与汇川等 Tier1 厂商也保持紧密合作。公司此前有一条月产能为 1 万片 的 8 英寸产线，2021 年底二期月产能为 2 万片的 8 寸线投产，预计可以配套约 200 万辆新能源车 IGBT 模 块，凭借 IDM 厂商的产能优势有望在 2022 年获得车载 IGBT 芯片较大的市场份额。
斯达半导 2008 年开始进入 IGBT 芯片市场，最开始也从英飞凌购买芯片，2015 年出现了切入 IGBT 芯片生 产的机会，2015 年英飞凌收购 IR（International Rectifier）将其芯片研发团队解散，该团队成为了斯达半导 体芯片研发团队，2016 年开始推广自己的芯片，目前公司产品已经在大巴车、物流车和 A00 级电动车上有 所应用，2020 年公司生产的车载 IGBT 模块配套约 20 万辆新能源车，预计 2021 年配套车辆将增加至 50 万套。
士兰微在家电领域的 IPM 模块出货量优势明显，2020 年 IPM 模块出货量约 1800 万颗，2021 年上半年出货 量大增 150%，已经占全球 10%的出货量，公司从家电切入车载 IGBT 领域，目前已经有 A00 级别客户如零跑和菱电开始采用士兰微的车载 IGBT 模块。由于公司 IDM 的模式，产品迭代非常快，迭代一版产品历 时只有 3 个月，Fabless 厂商则需要 6 个月以上。目前士兰微的 A 级车 750V 模块性能处于行业领先，输出功率可以达到 160kw-180Kw，公司 12 寸的晶圆厂已经投产，预计年底可实现月产能 3.5 万片的产能目标。

三、碳化硅新世界：衬底成为产业链最重要的环节
（一）碳化硅器件优良性能带来全新替代需求
1、SiC 与 IGBT 性能对比
相同规格的碳化硅基 MOSFET 和硅基 MOSFET 相比，导通电阻降低为 1/200，尺寸减小为 1/10；相同规格的使用碳化硅基 MOSFET 的逆变器和使用硅基 IGBT 相比，总能量损失小于 1/4。由于碳化硅器件具备的上述优 越性能，可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求，从而成为半 导体材料领域最具前景的材料之一。具体对比如下：
① 能量损耗低。SiC 模块的开关损耗和导通损耗显著低于同等 IGBT 模块，随着开关频率的提高，与 IGBT 模块的损耗差越大，SiC 模块在降低损耗的同时可以实现高速开关，有助于降低电池用量，提高续航里程，解决新能源汽车痛点。
② 更小的封装尺寸。SiC 器件具备更小的能量损耗，能够提供较高的电流密度。在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，有助于提升系统的功率密度。
③ 实现高频开关。SiC 材料的电子饱和漂移速率是 Si 的 2 倍，有助于提升器件的工作频率；高临界击穿电场的特性使其能够将 MOSFET 带入高压领域，克服 IGBT 在开关过程中的拖尾电流问题，降低开关损耗和 整车能耗，减少无源器件如电容、电感等的使用，从而减少系统体积和重量。
④ 耐高温、散热能力强。SiC 的禁带宽度、热导率约是 Si 的 3 倍，可承受温度更高，高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放，冷却部件可小型化，有利于系统的小型化和轻量化。

3、功率半导体厂商纷纷发布碳化硅产品
比亚迪：比亚迪在 2020 年发布的比亚迪汉纯电动高性能四驱版成为国内首款采用自研 SiC 模块的车型，功率密度提升了一倍，SiC 芯片采购自国外厂商。比亚迪半导体碳化硅 SiC 功率模块是一款三相全桥拓扑结构灌封全碳化硅功率模块，主要应用于新能源汽车电机驱动控制器，是全球首家、国内唯一实现在电机驱动控制器中大批量装车的 SiC 三相全桥模块。根据公司公告显示，2020 年 SiC 模块销售收入为 1.42 亿元，按照单价 1577 元测算，预计 2020 年销售碳化硅模块 9 万个，2021 年上半年销售收入达到 1.14 亿元，按照 1069 元单价 计算，2021 年上半年销售碳化硅模块为 10 万个，预计全年销量将超过 20 万个。

华润微：本土功率半导体龙头厂商华润微在 2020 年 7 月份发布 SiC 二极管产品，2021 年实现小批量供货。2021 年 12 月 17 日，公司又宣布推出 1200V SiC MOSFET 新品，采用 Wolf Speed 的衬底，实现了碳化硅芯片的 国产化。华润微自主研发量产的新品 SiC MOS 单管，具有栅氧可靠性好、高电流密度、高开关速度、工业级可靠性、Ron 随温度变化小等优势，主要应用于新能源汽车 OBC、充电桩、工业电源、光伏逆变、风力发电等领 域。
时代电气：从轨交和电网高压 IGBT 切入新能源汽车功率半导体的时代电气在 2021 年底发布了国内首款基于自主碳化硅芯片的大功率电驱产品- C- Power 220s。公司的 SiC MOSFET 芯片已经发展了 4 个代次，从第三代开始面向车规级应用，目前已经推出的 1200V/600A 的 SiC MOSFET 模块 S3 能够满足 120KW～200KW 功率 等级电驱需求，在 190KW 高输出功率条件下，逆变总损耗可以比硅基 IGBT 降低 54%，逆变效率从 97.%提升 至 98.77%。

2、市场格局
全球碳化硅衬底市场主要由美国和欧洲厂商控制，根据 Yole 的统计，2018 年导电型碳化硅衬底市场中 CREE 占比为 62%，美国半导体材料大厂Ⅱ-Ⅵ市占率为 16%，国内厂商天科合达和山东天岳占比仅为 1.7%和 0.5%。半绝缘型衬底市场中 Wolf speed 市占率从 2019 年的 41%下滑至 32%，Ⅱ-Ⅵ半导体市占率从 2019 年的 27%上升 至 35%，两大龙头合计占据近 70%的市场。山东天岳以半绝缘型衬底产品为主，2020 年市占率达到 30%，根绝 公司招股书披露 2020 年公司半绝缘型衬底 3.47 亿元营收测算，全球半绝缘型碳化硅市场规模仅为 12 亿元人民 币。2020 年 Wolf-Speed 营收为 4.71 亿美元，剔除 0.59 亿美元半绝缘型衬底的营收，预计导电型碳化硅衬底营 收规模约为 4.12 亿美元，假设 Wolfspeed 市占率在 2020 年接近 50%，合计导电型碳化硅衬底市场规模约为 8.24 亿美元。综合来看，2020 年全球碳化硅衬底市场约为 10 亿美元，2021 年 Wolfspeed 营收增长 12%，预计 2021 年全球碳化硅衬底销售规模增至 11.3 亿美元。

（三）国内衬底产业链梳理
1、国内衬底厂商对比
国内供应碳化硅衬底主要厂商包括山东天岳、天科合达、三安光电、山西烁科与河北同光五家，目前在国内市场销售规模排在前三位的是山东天岳，山西烁科和天科合达。根据公开资料显示，销售规模排在前三位的 碳化硅衬底销售额分别为 3.5 亿（2020 年），3 亿左右（2020 年），1.55 亿（2019 年）。对比未来五家衬底产能 规划，2025 年产能最大的厂商是河北同光，预计月产能达到 5.83 万片，年产能达到 70 万片，满产后产值为 45-60 亿元。排在第二位的是三安光电，厦门三安和湖南三安两地合计碳化硅衬底产能在 2025 年将达到 4.2 万片/月， 山东天岳的碳化硅衬底月产能在 2025 年底将达到 3.5 万片紧随其后，其中 2.5 万片为导电型衬底，占公司总产 能比达到 71.4%。

功率半导体发展关键点
　　功率半导体属于特色工艺产品，非尺寸依赖型，在制程方面不追求极致的线宽，不遵守摩尔定律。数字芯片更加注重制程的升级，目前处理器等高端数字芯片的先进制程基本在14 nm 以下，高端产品更是达到了5 nm 制程，算力发展速度较快。对于功率半导体而言，性能发展速度较慢，制程基本稳定在90 nm-0.35 μm 之间，发展关键点主要包括制造工艺、封装技术、基础材料的升级。
　　发展关键点1:制造工艺。功率半导体制造工艺的具体难点在于沟槽工艺以及背面工艺(晶圆减薄、高剂量离子注入)等。以IGBT 为例，自上世纪80 年代被推出后，每一次的性能升级都离不开表面结构及背面工艺的进步。
　　目前中高端的功率器件(MOSFET和IGBT)均使用沟槽工艺。制备沟槽型器件工艺壁垒高，设计-制造环节须历经长期技术沉淀。沟槽栅IGBT 的沟槽宽度仅有1-2 μm，沟槽深度要达到4 μm 以上。因此，通过酸腐蚀工艺制备沟槽时，须对沟槽的宽度和深度实现精确控制。此外，沟槽壁亦要尽可能光滑以提升良率。
　　同时，IGBT 沟槽底部的倒角亦须圆润、均一以免影响器件耐压。沟槽形貌与设备条件、刻蚀工艺和后处理有着十分紧密的联系，须大力协调三者之间关系才可规模量产沟槽形貌良好的IGBT 产品。因此，功率半导体的制造工艺壁垒较高，需要晶圆厂与芯片设计部门长期合作，对器件的设计及制造技术长期打磨及优化。
　　发展关键点2:封装工艺。由于功率半导体工作环境极端，对可靠性和寿命等要求较高，因此封装工艺同样是功率半导体的主要关注点。封装工艺主要从三种途径进行改进：①提高芯片面积与占用面积之比；②将封装的电阻和热阻减至最小；③将寄生电阻和电感减至最小。
　　以TOLL封装为例，一种高效节省空间的封装，具有极低的寄生电阻和强大的热性能，非常适合于高电流和高压应用。根据EEWORLD，TOLL 封装引线设计中润湿性侧翼，在汽车领域竞争力明显，是汽车应用中的常用技术。
　　车规级IGBT模块封装技术壁垒更高，封装质量及散热重要性突出。车规级IGBT 模块是功率半导体封装技术壁垒最高的产品之一。车规级封装是保障高温运行、高功率密度、高可靠性的关键因素，不仅仅涉及到芯片表面互连、贴片互连、端子引出、散热等关键技术工艺。
　　发展关键点3:材料迭代。功率半导体还专注于材料的迭代，现有第三代半导体材料可有效提升原有硅基材料的性能，突破原有器件性能天花板。以SiC、GaN 等第三代半导体材料为基础的功率半导体可在更高频、更高压的环境下工作，性能上超过原有Si基IGBT 和Si基MOSFET，且原有的成本问题也不断得到了优化。
以SiC 材料为例，英飞凌的SiC 开关相较于Si-二极管可减少80%的损耗，其从2017 年开始，SiC的芯片成本和系统成本不断降低，芯片成本不断趋近于Si，系统成本在某些频率下甚至可以低于Si。
新能源+光伏需求空间测算
　　功率半导体在汽车中主要负责能量转换，电动车功率半导体用量提升。燃油车的功率半导体应用场景主要包括启停模块、车灯、引擎、车身、音响控制、防盗以及动力传输系统等。而对于电动车而言，功率半导体用量在燃油车的基础上显著提升，主要增量体现在车载充电系统(OBC)、电池管理(BMS)、高压负载、高压转低压DCDC、主驱动等，用量相比于传统燃油车显著提升，将成为电动车核心元件之一。
　　新能源车市场空间：在新能源汽车拉动下，国内电动车IGBT市场空间从2020 年的2.0 亿美金成长至2026 年的22.3 亿美金，CAGR为49.9%。MOSFET 市场来看，由于燃油车亦采用MOSFET 功率器件，据测算2020 年国内车规MOSFET 市场空间为5.0 亿美金，2026 年将达到6.5 亿美金，2020-2026 年CAGR 为4.6%。
　　同时，IGBT等功率半导体是逆变器实现直流转交流的关键所在，在逆变器成本中约占据13%的价值。IGBT 和MOSFET 等电力电子开关器件的高频率开合特性是逆变器实现直流电转交流电这一基础功能的基础。
　　逆变器生产所需原材料主要包括电子元器件、机构件以及辅助材料，其中电子元器件包括功率半导体、集成电路、电感磁性元器件、PCB 线路板、电容、开关器件、连接器等，机构件主要为压铸件、钣金件等，辅助材料主要包括塑胶件等绝缘材料。根据固德威招股说明书披露，机构件、电感、IGBT 功率器件为3 大核心耗材，占据近60%的成本，其中IGBT 功率器件占据约13%，位列第三。
　　光伏逆变器IGBT需求：根据测算，我们预估2026 年全球光伏IGBT 市场需求将从2020 年的28.3 亿元提升至63.5 亿元。若假设国内厂商能拿到65%的市场份额，则国内光伏IGBT 需求将从2020 年的18.4 亿元提升至2026 年的41.3 亿元，CAGR达到14.4%。
　　功率半导体竞争格局
　　未来国内的功率半导体无论是二极管/晶闸管，还是MOSFET，乃至难度更高的IGBT，市场份额均有望显著提升，实现功率半导体的国产替代。
　　二极管/晶闸管
　　对于二极管和晶闸管而言，由于技术壁垒较低，国内厂商市占率较高：
　　1、 晶闸管国内厂商份额领先。在晶闸管的市场格局方面，根据IHSMarkit 和WSTS 的统计数据，2019 年度瑞能半导体晶闸管产品的全球市场占有率为21.8%，全球排名第二，中国市场占有率达36.2%，国内排名第一。此外，根据捷捷微电披露，公司部分晶闸管产品占据国内同类产品50%左右份额，部分产品的技术参数媲美进口同类产品。
　　2、 二极管市场较为分散，国内出口金额大于进口。二极管技术简单，中国大陆厂商凭借低成本及政府的大力扶持快速崛起。从今年来的进、出口金额来看，二极管国产替代率较高，并远销海外。
　　MOSFET
　　中国占全球MOSFET 需求38%，国内厂商份额较低。根据Yoledevelopment 2021 年的报道，中国占据全球MOSFET 销售额的38%。就MOSFET 竞争格局而言，英飞凌为分立MOSFET 全球龙头厂商，市场份额占24.6%，中国厂商主要有Nexperia 和华润微(China Resources)，分别占4%和3%的市场份额。
　　国内MOSFET产品覆盖大多数电压等级，市场覆盖范围广。通过梳理国内主要上市公司MOSFET 的主要电压等级(包括P 型和N 型沟道)，我们发现国内公司产品覆盖广度已经可满足大部分的下游应用需求。其中从电压范围来看，华润微、士兰微、新洁能、捷捷微电的MOSFET 产品覆盖面较广。
　　IGBT
　　就IGBT竞争格局而言，在分立IGBT方面，全球龙头供应商为英飞凌，市场份额占32.5%，中国厂商士兰微进入前十，市场份额占2.2%；在IPM方面(下游主要是消费和工业)，全球龙头供应商为三菱电机，市场份额占37%，中国厂商士兰微再次进入前十，市场份额占1%(在IPM 领域份额较高)。
　　在IGBT模组方面，英飞凌为全球绝对龙头，市场份额占35.6%，中国厂商斯达排名第八，市场份额2.4%。中国厂商进入IGBT 行业较晚，但是通过研发交流，产业链协作，中国厂商目前已经研发出第六代FSTrenchIGBT，并在第七代RC IGBT 上具备相应的技术储备，同时随着政府对中国IGBT 企业的政策支持，叠加中国下游市场对产品的大量需求，中国企业有望实现大规模的国产替代，后来居上与国际巨头正面竞争。
　　最后，解释一下最近涨的火热的时代电气。公司是国内领先的同时掌握IGBT、SiC、大功率晶闸管及IGCT 器件及其组件技术的IDM 模式企业之一。1700V-6500V 系列高压IGBT 产品打破国外垄断局面；750V 和1200V IGBT 已应用至新能源汽车，并与国内多个龙头整车企业建立重要合作伙伴关系。

参考链接
https://mp.weixin.qq.com/s/vvnY7U99xCSiuVWJmSEs1g
国泰君安-电子元器件行业：新能源需求引领，国内功率半导体行业快速发展-211111
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来源：普通网友