2019年04月19日 | 功率半导体战略地位日益突出，国产替代前景如何？

▌功率半导体是系统应用核心器件，战略地位突出

功率半导体是电子装臵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 Yole 统计数据， 2017 年功率半导体最大的细分领域是功率 IC，占比 54%， MOSFET 占比 17%，IGBT 占比 12%，功率二极管/整流桥占比 15%。

▌新兴应用不断涌现，功率半导体市场持续向好

功率半导体的应用领域非常广泛，根据 Yole 数据，2017 年全球功率半导体 市场规模为 327 亿美元，预计到 2022 年达到 426 亿美元，复合增长率为 5.43%，其中，2017 年全球功率半导体器件市场规模为 144.01 亿美元，预计 到 2022 年市场规模将达到 174.88 亿美元，复合增长率为 3.96%。在全球功 率半导体市场中，工业、汽车、无线通讯和消费电子是前四大终端市场，根 据中商产业研究院数据，2017 年工业应用市场是功率半导体最大的市场，占 比 34%，汽车领域占比 23%，消费电子占比 20%，无线通讯占比 23%。我 们认为受益于工业、新能源汽车、通信和消费电子领域新兴应用不断出现， 全球功率半导体市场将会不断向好，规模将会不断扩大。

▌中国是全球最大功率半导体市场，国产替代大势所趋

中国是全球最大的功率半导体消费国，根据 Yole 数据，2017 年中国功率半 导体市场空间占全球比例为 39%。功率半导体厂商以欧美日为主，且大多是 IDM 模式，是 IGBT 和中高压 MOSFET 的主要制造商，占据全球功率半导 体 70%的市场份额，英飞凌、安森美是典型代表；中国大陆以二极管、低压 MOSFET、晶闸管等低端功率半导体为主，目前实力较弱，占据全球 10%的 市场份额，供需缺口很大，国产替代迫在眉睫。目前，国外厂商逐步退出低 压功率半导体领域，国内的龙头企业有望依靠成本优势和技术优势承接这部分市场份额；在高端产品领域，中国中车、比亚迪等企业在高铁、汽车等领 域已经取得了突破。我们认为随着国内汽车电子、工业电子等下游产业日渐 崛起，国内功率半导体市场将迎来更广阔的发展前景，国内企业迎来绝佳的发展良机，国产替代将是大势所趋。

1、 功率半导体是系统应用核心器件，战略地位突出

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臵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。

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。

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 一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。

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。

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，2016 年全球二极管及整流器 市场规模为 33.43 亿美元，其中整流器市场规模为 27.58 亿美元，占比为 82.50%。

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 间的电压至一定程度，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 间施加一定电压即可导通，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。

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，2018 年全 球 MOSFET 市场规模为 59.61 亿美元，占功率器件市场的 39.78%。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。Yole 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%。

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。

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。

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 的数据，2018年全球 IGBT 芯片市 场规模为 11.36 亿美元，IGBT 模块市场规模为 37.61 亿美元，总计 48.97 亿美元， 占功率器件市场的 32.68%。

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 为以下五大类：线性稳压、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。

2、 新兴应用不断涌现，功率半导体市场持续向好

功率半导体的应用领域非常广泛，根据 Yole 数据，2017 年全球功率半导体市 场规模为 327 亿美元，预计到 2022 年达到 426 亿美元，复合增长率为 5.43%。其 中，工业、汽车、无线通讯和消费电子是功率半导体的前四大终端市场。根据中商 产业研究院的数据，2017 年工业应用市场占全球功率半导体市场的 34%，汽车领 域占比为 23%，消费电子占比为 20%，无线通讯占比为 23%。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。

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，功率半导 体器件市场规模不断增长。根据 Yole 数据，2017 年全球功率半导体器件市场规模 为 144.01 亿美元，预计到 2022 年功率半导体器件市场规模将达到 174.88 亿美元， 复合增长率为 3.96%。

2.1、 工业领域对电机需求不断提升

工业领域是功率半导体最大的市场，数控机床、牵引机等电机对功率半导体需 求很大，主要使用的功率半导体是 IGBT。随着《中国制造 2025》和“工业 4.0” 不断推进，工业的生产制造、仓储、物流等流程改造对电机需求不断扩大，工业功 率半导体需求增加。

根据中商产业研究院的数据，2016 年全球工业功率半导体的市场规模为 90 亿 美元，受益于工业技术的进步，2020 年全球工业功率半导体的市场规模将达到 125 亿美元，复合增长率为 8.56%。

2.2、 汽车电子价格提升，新能源汽车爆发增长

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，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，特斯拉共使用 96 个 IGBT。按照每 个 IGBT4-5 美元的价格计算，双电机 IGBT 价格大概在 650 美元左右，如果使用 IGBT 模块则为 1200 美元左右。

单辆汽车的功率转换系统主要有：（ 1）车载充电机（chargeronboard），（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。

电动汽车将搭载大量新的功率模块，拉动功率半导体快速发展。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%。

全球汽车功率半导体市场规模稳步增长。根据中商产业研究院、英飞凌数据， 2017年全球汽车功率半导体市场规模为58亿美元，预计到2020年达到70亿美元，复合增长率 6.47%。

与新能源汽车相配套的充电桩对功率半导体需求也很大，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， 其中功率半导体占总成本的 20%左右。目前直流充电桩按 3:1 配臵，交流充电桩按 5:1 配臵，据此我们测算 2020 年直流充电桩需求为 151 万个，交流充电桩需求为 90.6 万个，2020 年全球充电桩市场对功率半导体的需求为 15.22 亿美元。

2.3、 节能环保意识增强，智能电网普及

功率半导体在智能电网和智能电表中应用也非常广泛。智能电网发电过程中使 用大量的逆变器和整流器，其中核心的功率半导体是 IGBT。光伏电网还需要使用 大量的光伏二极管，按常规配臵，1MW 的光伏组件约需太阳接线盒 5000 只，每只 太阳接线盒平均需要 5 只光伏二极管，1MW 的光伏组件共需要 25000 只光伏二极 管。同时，用电过程也需要使用变压器对电压进行转换，变压器的核心器件也是 IGBT，智能电网对功率半导体需求非常大。配套的智能电表也需要使用功率半导 体，智能电表需要使用二极管和桥式整流器来实现电路数据处理，一般情况下需要使用 1-2 只整流器，9-13 只二极管。

2.4、 5G 爆发在即，通信行业对功率半导体需求激增

通信行业也是功率半导体的一大终端市场，其中通信基站和数据中心等设备需 要维持全天供电，供电系统中的逆变器、整流器使用大量的功率半导体。5G 将成 为通信功率半导体市场的增长动力，5G 通信带动基站等设备的建设。根据 Market Research Future 的预测，受益于 5G 通信爆发，全球通信设备市场规模将维持高速增长，2016 年全球通信设备市场规模约 288 亿美元，预计到 2023 年市场规模将达到 562 亿美元，复合增长率约 10%。

通信设备市场规模不断提升，功率半导体需求不断增加，根据中商产业研究院 数据，全球通信功率半导体市场规模将由 2017 年的 57.45 亿美元增长至 2020 年的 65.96 亿美元，复合增长率为 4.71%，5G 基站升级是通信功率半导体市场最重要的 推动力。

2.5、 消费电子领域 Type-C 接口普及，主板升级换代

消费电子类型很多，电视、手机、冰箱、空调等产品都要使用功率半导体，一 般是小电压的功率半导体，如 MOSFET 等。2017 年消费电子占功率半导体市场的 20%。随着消费电子不断升级换代，对电源使用效率、续航提出更高要求，需要更 多的功率半导体。

Type-C 接口普及对功率半导体需求大幅增加，主要使用的功率半导体是 MOSFET。Type-C 集合了充电、数据、音视频接口的功能，接口不分正反面，不易损伤手机充电口，数据传输速度高于传统 USB 接口，充电效率高。苹果、华为 等公司都大力推进 Type-C 接口的普及。传统 USB 接口中使用的 MOSFET 数量为 3 个，Type-C接口中 MOSFET 的数量为 5 个，消费电子对 MOSFET 需求增加。根据 GSMArena 的数据，2017 年 Type-C 接口的渗透率为 42%。IHS 预计 2019 年 Type-C 接口设备的出货量将达到 20 亿台，其中 Type-C 在计算机中渗透率将达到 80%，在 智能手机和平板电脑中渗透率达到 50%。USB-IF 预计 2021 年配备 Type-C 接口的 电子设备出货量将达到 50 亿台。

计算机主板升级换代，供电相数增加。MOSFET 的作用是稳定电源供给，可用在计算机主板供电中，通常每相供电需要 2 个 MOSFET。目前主流产品的供电相数一般是 6 相，共需要 12 个 MOSFET。计算机主板升级换代，对 MOSFET 需求 不断增大。

全球消费电子功率半导体市场规模稳步增长。受益于 Type-C 接口普及以及电子产品升级换代，消费电子对功率半导体需求稳步增加。根据中商产业研究院数据， 2017 年全球消费电子功率半导体的市场规模为 19.6 亿美元，预计到 2020 年市场规 模将达到 23 亿美元，复合增长率为 5.48%。

3、 功率半导体欧美日三足鼎立，国产替代正当时

3.1、 欧美日三足鼎立，中国厂商实力有待提高

欧美日厂商多为 IDM 模式，实力强劲

功率半导体厂商大多有完整的晶圆厂、芯片制造厂和封装厂，英飞凌、安森美 等龙头企业均为IDM 模式，对成本和质量控制能力很强，实力强劲。欧美日的功 率半导体厂家大多是 IDM 模式，以高端产品为主；中国大陆的厂商大多也是 IDM 模式，产品以低端二极管和低压 MOSFET 为主，实力较弱；中国台湾以 Fabless 模 式为主，主要负责芯片制造和封装。

功率半导体行业集中度很高，根据 IHS 的数据，2017 年全球前 10 大功率半导 体厂商占据了 60.60%的市场份额。其中英飞凌是全球最大的功率半导体厂商，市 场占比为18.50%。功率半导体厂商以欧美日为主，中国厂商起步较晚，技术比较 落后，与欧美日厂商差距较大。目前功率半导体厂商可以分为三个梯队，第一梯队是英飞凌、安森美等欧美厂商为主，第二梯队亿三菱电机、富士电机等日本厂商为主，第三梯队是士兰微、安世半导体等中国厂商。

3.2、 供需缺口大，中国功率半导体依赖进口

从供给端来看，全球功率半导体的主要产地集中在欧美日，当地厂商拥有先进 的技术和良好的成本管理能力，是 IGBT 和中高压 MOSFET 的主要制造商，占据 全球功率半导体 70%的市场份额。其次是中国台湾，中国台湾的厂商从代工向设计 的方向发展，与欧美日仍然有一定差距，目前占据全球 10%的市场份额。中国大陆 以二极管、低压 MOSFET、晶闸管等低端功率半导体为主，目前实力较弱，占据全球 10%的市场份额。

从需求端来看，中国是全球最大的功率半导体消费国。根据 Yole 数据，中国功率半导体市场空间占全球比例为 39%，居第一位；欧洲第二位，占比 18%，美国占比 8%，日本占比 6%，其他地区占比 29%。

功率半导体呈供需严重不匹配的格局，欧美日的功率器件产量占全球的 70%，中国是全球最大的功率器件市场，中国功率器件产能仅占全球的 10%，且以低端产 品为主，功率器件缺口巨大。

晶圆缺货涨价，国产缺口较大

功率半导体的制造需要使用 8 寸晶圆，8寸晶圆供给不足导致功率半导体供需 紧张，价格持续上涨。2016-2018 年，8 寸晶圆价格涨幅超过 30%，预计未来8 寸 晶圆供给紧张的情况还将继续。

从晶圆供给端来看，8 寸晶圆产能不足导致此轮涨价。受 2008 年金融危机的 影响，全球整机出口疲软，对晶圆需求较低，晶圆厂扩产能的意愿不强。随着全球 经济复苏，整机出口回暖，对晶圆需求增加，晶圆供给不足。新建一条晶圆生产线需要 1-2 年的时间，短期内难以解决晶圆短缺的问题。其次，12 寸晶圆生产线挤占 8 寸晶圆产能。随着制程工艺不断提高，晶圆厂转向 12 寸晶圆生产投资，部分 12 寸晶圆生产线由原有的 8 寸晶圆生产线改造而来，挤占了 8 寸晶圆产能。目前全球 约有 70%的晶圆是 12 寸，8 寸晶圆占比约 20%，8 寸晶圆供给不足。

从下游需求端看，模拟芯片与功率半导体争夺 8 寸晶圆产能。8 寸晶圆可用于 模拟芯片与功率半导体制造，受益于新能源汽车等领域的爆发，模拟芯片与功率半 导体市场规模持续增长，8 寸晶圆供不应求。其中模拟芯片市场规模与复合增长率 明显高于功率半导体，模拟芯片将抢占8 寸晶圆产能，晶圆供需缺口进一步加大。