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2020年以來，功率半導(dǎo)體器件類上市公司業(yè)績保持高速增長，2022年上半年，多家公司業(yè)績預(yù)告數(shù)據(jù)靚麗，背后既有國產(chǎn)替代的因素，也有下游市場增量空間的帶動。

中國正在致力于光伏、風(fēng)電、新能源汽車及充電樁、5G、數(shù)據(jù)中心等科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，有力拉動功率半導(dǎo)體器件的市場需求。

全球能源體系向光伏、風(fēng)電等低碳方向轉(zhuǎn)型，推動逆變器和變流器市場快速增長，從而使原材料端的IGBT獲益；5G基站數(shù)量的增多與輸出功率的提高將為功率器件拓展新的市場空間；汽車電動化趨勢加速的背景下，車規(guī)級功率器件的規(guī)格加速升級。據(jù)預(yù)測，風(fēng)電、光伏、儲能新增裝機(jī)市場對IGBT的需求規(guī)模將由2021年的86.7億美元上升至2025年的182.5億美元；到2025年，中國新能源汽車所用IGBT市場規(guī)模將達(dá)到210億元，與充電樁用IGBT合計(jì)310億元。

硅基功率器件的下一代材料為碳化硅，碳化硅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，成為未來功率半導(dǎo)體器件迭代升級的方向。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

功率器件主要分為二極管、三極管、晶閘管、MOSFET和IGBT等，二極管是基礎(chǔ)性器件，主要用作整流，雖然原理成熟，但受產(chǎn)品穩(wěn)定性及客戶認(rèn)證壁壘影響，國產(chǎn)化率不高；三極管主要適用于消費(fèi)電子等產(chǎn)品，用于開關(guān)或放大功率；晶閘管主要用于工業(yè)領(lǐng)域，屬于電流控制型開關(guān)器件，市場規(guī)模較小。

MOSFET全名為金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，即以金屬層的柵極隔著氧化層利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管。功率MOSFET在電路中起到的作用近似于開關(guān)，廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路，特別適用于電腦、手機(jī)、移動電源、車載導(dǎo)航、電動交通工具、UPS電源等電源控制領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)鏈下游涵蓋消費(fèi)電子、工業(yè)、通訊、汽車電子、CPU/GPU及電子照明等多個領(lǐng)域。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國MOSFET的應(yīng)用20%-30%分布在汽車電子及充電樁，20%以上分布在消費(fèi)電子，工業(yè)領(lǐng)域約占20%。

IGBT全名為絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管（BJT）和MOSFET組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式半導(dǎo)體功率器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，IGBT可用于電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子等高壓高頻領(lǐng)域，可根據(jù)工業(yè)裝置中的信號指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的，是電力電子行業(yè)第三次革命的代表性技術(shù)。

相較于MOSFET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。

IGBT適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等。

IGBT可分為單管、模塊和智能功率模塊（IPM）三類產(chǎn)品，三者生產(chǎn)制造技術(shù)和下游應(yīng)用場景均有所差異：在生產(chǎn)制造技術(shù)方面，單管產(chǎn)品和IPM模塊采用環(huán)氧注塑工藝，標(biāo)準(zhǔn)模塊采用灌膠工藝；在下游應(yīng)用場景方面，單管主要應(yīng)用于小功率家用電器、分布式光伏逆變器及小功率變頻器，標(biāo)準(zhǔn)模塊主要應(yīng)用于大功率工業(yè)變頻器、電焊機(jī)、新能源汽車等領(lǐng)域，IPM模塊主要應(yīng)用于變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)等白色家電。

搭上光伏、風(fēng)電、儲能的快車

在全投資模式下，2019年地面光伏電站在1800、1500、1200、1000小時等效利用小時數(shù)的每千瓦時發(fā)電成本分別為0.28、0.34、0.42、0.51元，其中1800小時的發(fā)電成本已經(jīng)低于煤電上網(wǎng)價(jià)格，光伏平價(jià)上網(wǎng)大幕拉開。太陽能發(fā)電中的直流轉(zhuǎn)換器和光伏逆變器均需要用到IGBT作為功率開關(guān)。IGBT等功率器件是逆變器實(shí)現(xiàn)逆變功能的核心，光伏逆變器將光伏組件發(fā)電產(chǎn)生的直流電逆變成交流電，并入交流輸電網(wǎng)或接入家庭交流負(fù)載。

目前逆變器主要以集中式逆變器和組串式逆變器為主，集中式光伏逆變器每瓦成本在0.16-0.17元，組串式光伏逆變器成本每瓦在0.2元左右，總體光伏逆變器成本每瓦在0.2元，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(jià)值量約為0.3億-0.4億元。近年來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，組串式逆變器成本迅速下降，逐漸接近于集中式逆變器成本，市場份額得到進(jìn)一步提升?？紤]到光伏逆變器對IGBT單管的需求量，IGBT占光伏逆變器價(jià)值量的20%-30%。隨著IGBT單管的設(shè)計(jì)和制造工藝水平不斷提升，其所能承受的電流電壓也愈來愈大，以往必須要IGBT模塊才能勝任的一些高功率的工作場景，如今使用IGBT單管也能較好地運(yùn)行。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件風(fēng)電變流器也是IGBT的重要應(yīng)用領(lǐng)域，風(fēng)電變流器能將風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過交直轉(zhuǎn)換變?yōu)榉€(wěn)定電壓和頻率的電能饋入電網(wǎng)。光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電具有季節(jié)性、間歇性、波動性等不穩(wěn)定因素，儲能系統(tǒng)可以對此進(jìn)行平抑、消納、平滑新能源發(fā)電的輸出，將光伏、風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)與蓄電池儲能系統(tǒng)并網(wǎng)，可以合理安排蓄電池的充放電、光伏電池和風(fēng)機(jī)的出力，從而達(dá)到最大限度延長并網(wǎng)供電時間的目的。開源證券預(yù)測，風(fēng)電、光伏、儲能新增裝機(jī)市場對IGBT的需求規(guī)模將由2021年的86.7億美元上升至2025年的182.5億美元。

新能源汽車釋放增量空間

近年來，新能源車全球出貨量快速增長，2020-2021年分別為423萬輛和675萬輛；2021年中國新能源車銷量超過350萬輛，同比增長157.8%，2022年上半年銷量約為248萬輛。隨著技術(shù)的不斷成熟，新能源車需求不斷得到釋放，IDC預(yù)測，2021-2025年中國新能源車銷量復(fù)合增長率將超30%，以功率半導(dǎo)體為代表的汽車電子有望充分受益。

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，減速器和電機(jī)。逆變器中的電子電力控制器件將電池中的直流電轉(zhuǎn)逆變?yōu)榻涣麟妭魉偷饺嚯姍C(jī)，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，這時需要減速器的介入，減速器通過多級齒輪的傳動即可實(shí)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。

傳統(tǒng)汽車中，MOSFET主要用于輔助驅(qū)動各種電動馬達(dá)，包括通風(fēng)系統(tǒng)、雨刮器和電動車窗等，而新能源汽車中的電動助力轉(zhuǎn)向、引擎、電池管理系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)中的變速箱等電氣控制裝置將促使MOSFET的用量大幅上升。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，而對于以電池為動力源的純電汽車，IGBT模塊成為電驅(qū)系統(tǒng)中逆變器的標(biāo)配，車載充電機(jī)、DC-DC升壓器、電空調(diào)驅(qū)動也需要用到IGBT單管。

據(jù)測算，新能源汽車中功率半導(dǎo)體器件的價(jià)值量約為傳統(tǒng)燃油車的5倍以上，其中，IGBT約占新能源汽車電控系統(tǒng)成本的37%，是電控系統(tǒng)中核心的電子器件之一；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(jià)值量增值至90美元，而純電車型的功率半導(dǎo)體價(jià)值上漲至330美元。電動汽車中半導(dǎo)體價(jià)值量接近傳統(tǒng)汽車的兩倍，MOSFET和IGBT為電動車控制器中實(shí)現(xiàn)功率變換的核心部件，在高端電動汽車中，MOSFET器件的用量可達(dá)250只。

新能源車發(fā)展中的重要配套直流充電樁中也需要用到大量的IGBT，占總成本近20%，而2021年中國公共車樁比和私人車樁比分別為7.13和5.17，2026年之前，充電樁行業(yè)的增速有望保持在30%以上。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)預(yù)測，全球車用MOSFET市場至2022年有望達(dá)到116億元；集邦咨詢預(yù)測，到2025年中國新能源汽車所用IGBT市場規(guī)模將達(dá)到210億元，與充電樁用IGBT合計(jì)310億元。

拓展5G潛在市場空間

5G時代的大規(guī)模天線陣列技術(shù)（下稱“MIMO”）需要增加基站側(cè)和手機(jī)側(cè)的天線數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)基站側(cè)幾百個天線同時發(fā)送數(shù)據(jù)，以提升頻譜效率和系統(tǒng)容量。MIMO技術(shù)的采用使得5G的AAU輸出功率由4G的40-80W上升至200W甚至更高，同時處理的數(shù)據(jù)量大幅增加也使得BBU功率大幅提升，對功率器件的工作溫度也有所提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，5G單站功率器件價(jià)值量約100美元，是傳統(tǒng)天線的4倍。由于頻段越高波長越短，覆蓋半徑越小。要達(dá)到4G同等覆蓋面積，需要更多的5G基站數(shù)量，應(yīng)達(dá)4G的1.5-2倍，華創(chuàng)證券估計(jì)5G基站數(shù)量需要近700萬個，按單站100美元價(jià)值量的功率器件計(jì)算，對應(yīng)功率器件市場空間在7億美元。

5G信號的高功率、高數(shù)據(jù)吞吐量特性會使5G手機(jī)的電量消耗遠(yuǎn)高于4G。有測試表明，iPhone12開啟5G后續(xù)航較4G網(wǎng)絡(luò)減少2個小時。在電池大小受限制的前提下，只能通過快速充電來解決續(xù)航問題。中商情報(bào)網(wǎng)預(yù)計(jì)2022年快充市場規(guī)模將增長至986億元，增長率超過30%，為MOSFET等功率半導(dǎo)體器件創(chuàng)造了市場空間。

2022年5月，工信部表示將“適度超前”加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推進(jìn)5G、千兆光網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心建設(shè)，提升覆蓋深度和廣度。5G應(yīng)用帶來數(shù)據(jù)流量爆發(fā)，驅(qū)動數(shù)據(jù)中心擴(kuò)容、降耗，UPS系統(tǒng)的損耗大約占到數(shù)據(jù)中心能耗的6%-10%，選用性能更優(yōu)的IGBT器件可以降低UPS能耗。UPS逆變器中的IGBT、SCR等器件向高功率升級，從而提升降耗性能，功率器件市場有望隨之快速增長。據(jù)Yole預(yù)測，2017年以數(shù)據(jù)中心為代表的計(jì)算、存儲功率器件市場空間為13.5億美元，至2023年有望增長至15.1億美元。

國產(chǎn)替代全面進(jìn)行

國泰君安證券指出，受新冠疫情影響，全球功率器件整體持續(xù)缺貨，IGBT和MOSFET供需持續(xù)緊張，出現(xiàn)價(jià)格持續(xù)上漲、交貨周期持續(xù)拉長的情況，下游客戶為保證芯片供給，開始轉(zhuǎn)向國內(nèi)廠商，恰逢國內(nèi)廠商功率半導(dǎo)體產(chǎn)能在本輪缺貨周期中得到釋放，產(chǎn)能供給充足，且國內(nèi)廠商技術(shù)水平近幾年持續(xù)提升，在中高端市場提前進(jìn)行布局，功率器件領(lǐng)域國產(chǎn)替代迎來難得的良機(jī)。

自2015年以來，中國的IGBT自給率超過10%，并逐漸增長，預(yù)計(jì)2024年中國IGBT行業(yè)產(chǎn)量將達(dá)到0.78億只，需求量約為1.96 億只。國產(chǎn)IGBT仍存在巨大供需缺口，中信建投證券預(yù)計(jì)2025年國內(nèi)IGBT市場規(guī)模將增加至592億元，2020-2025年復(fù)合增速為27%。

開源證券認(rèn)為，分布式光伏逆變器功率較小，主要采用IGBT單管方案，因此在快速增長的需求下，IGBT單管相較IGBT模塊更為緊缺，國產(chǎn)替代的迫切性更高；技術(shù)上來說，IGBT單管的封裝難度較IGBT模塊更低，廠商更容易把握單管產(chǎn)品的性能指標(biāo)和產(chǎn)品穩(wěn)定性、一致性；中國功率半導(dǎo)體企業(yè)總體將先通過IGBT單管供應(yīng)實(shí)現(xiàn)光伏IGBT替代的突破。

2022年上半年，多家A股功率半導(dǎo)體器件公司業(yè)績預(yù)增，專注于軌道交道裝備領(lǐng)域的時代電氣預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤6.07億元，同比增長23.27%；主營半導(dǎo)體功率器件及硅片的立昂微預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤4.35億-4.75億元，同比增長136.59%至158.35%；主營半導(dǎo)體功率器件的揚(yáng)杰科技預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤5.06億-6.09億元，同比增長51.93%-82.96%；專注于IGBT的斯達(dá)半導(dǎo)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤3.25億-3.3億元，同比增長129.49%-136.55%。

SiC器件方興未艾

碳化硅光電性能優(yōu)越，其帶隙寬度大約是硅的3倍，其導(dǎo)熱率為硅的3.3倍，寬禁帶使得其可在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，較高的導(dǎo)熱系數(shù)意味著碳化硅的器件可以縮小冷卻結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)重量和體積，碳化硅二極管在開通過程中可基本實(shí)現(xiàn)零正向恢復(fù)電壓，在關(guān)斷過程中沒有過剩載流子復(fù)合過程，可以減小逆變器恢復(fù)損耗、提高開關(guān)效率。

以碳化硅方案的光伏逆變器為例，整體系統(tǒng)效率可提升1%-2%左右，能量損耗降低50%以上，體積和重量減少40%-60%，大幅降低系統(tǒng)度電成本及安裝維護(hù)成本。再例如，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。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。

海外企業(yè)對此研究多年，并已提高量產(chǎn)規(guī)模，國產(chǎn)廠商亦紛紛布局。斯達(dá)半導(dǎo)擬投資5億元用于SiC芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，華潤微自主研發(fā)的平面型1200VSiC-MOSFET已進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn)階段。近日，士蘭明鎵啟動化合物半導(dǎo)體第二期建設(shè)，擬建設(shè)一條6英寸SiC功率器件芯片生產(chǎn)線，項(xiàng)目總投資為15億元，建設(shè)周期3年，最終形成年產(chǎn)14.4萬片6英寸SiC功率器件芯片的產(chǎn)能。

不過，采用純碳化硅方案的短期成本仍然較高，約需要5-6年回本，目前碳化硅的價(jià)格大約是硅基IGBT的3-4倍。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)?；LSiC單晶主要采用物理氣相輸運(yùn)法或籽晶的升華法。這也就帶來了SiC晶體制備的兩個難點(diǎn)，即生長條件苛刻和生長速度慢，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，目前效率比較低。

原標(biāo)題：功率半導(dǎo)體器件高景氣延續(xù)