功率半導體器件高景氣延續

吳新竹

2020年以來，功率半導體器件類上市公司業績保持高速增長，2022年上半年，多家公司業績預告數據靚麗，背后既有國產替代的因素，也有下游市場增量空間的帶動。

中國正在致力于光伏、風電、新能源汽車及充電樁、5G、數據中心等科技基礎設施建設，有力拉動功率半導體器件的市場需求。

全球能源體系向光伏、風電等低碳方向轉型，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，車規級功率器件的規格加速升級。據預測，風電、光伏、儲能新增裝機市場對IGBT的需求規模將由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市場規模將達到210億元，與充電樁用IGBT合計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，有助于提升系統的功率密度，成為未來功率半導體器件迭代升級的方向。

功率器件主要分為二極管、三極管、晶閘管、MOSFET和IGBT等，二極管是基礎性器件，主要用作整流，雖然原理成熟，但受產品穩定性及客戶認證壁壘影響，國產化率不高;三極管主要適用于消費電子等產品，用于開關或放大功率;晶閘管主要用于工業領域，屬于電流控制型開關器件，市場規模較小。

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

據統計，中國MOSFET的應用20%-30%分布在汽車電子及充電樁，20%以上分布在消費電子，工業領域約占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組成的復合全控型電壓驅動式半導體功率器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導通壓降兩方面的優點，IGBT可用于電機節能、軌道交通、智能電網、航空航天、家用電器、汽車電子等高壓高頻領域，可根據工業裝置中的信號指令來調節電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現精準調控的目的，是電力電子行業第三次革命的代表性技術。

相較于MOSFET而言，IGBT適用于較低開關頻率和大電流的應用，大電流下IGBT的導通損耗比MOSFET更低，MOSFET有能力滿足高頻、小電流的應用，具有更低的開關損耗，更適合開關頻率在100KHz以上的逆變器模塊。

IGBT適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統，如交流電機、變頻器、開關電源、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）三類產品，三者生產制造技術和下游應用場景均有所差異：在生產制造技術方面，單管產品和IPM模塊采用環氧注塑工藝，標準模塊采用灌膠工藝;在下游應用場景方面，單管主要應用于小功率家用電器、分布式光伏逆變器及小功率變頻器，標準模塊主要應用于大功率工業變頻器、電焊機、新能源汽車等領域，IPM模塊主要應用于變頻空調、變頻洗衣機等白色家電。

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的每千瓦時發電成本分別為0.28、0.34、0.42、0.51元，其中1800小時的發電成本已經低于煤電上網價格，光伏平價上網大幕拉開。太陽能發電中的直流轉換器和光伏逆變器均需要用到IGBT作為功率開關。IGBT等功率器件是逆變器實現逆變功能的核心，光伏逆變器將光伏組件發電產生的直流電逆變成交流電，并入交流輸電網或接入家庭交流負載。

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對應功率半導體的價值量約為0.3億-0.4億元。近年來隨著技術的不斷進步，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，市場份額得到進一步提升。考慮到光伏逆變器對IGBT單管的需求量，IGBT占光伏逆變器價值量的20%-30%。隨著IGBT單管的設計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單管也能較好地運行。

風力發電機組的核心部件風電變流器也是IGBT的重要應用領域，風電變流器能將風機發出的電能經過交直轉換變為穩定電壓和頻率的電能饋入電網。光伏、風電等新能源發電具有季節性、間歇性、波動性等不穩定因素，儲能系統可以對此進行平抑、消納、平滑新能源發電的輸出，將光伏、風電發電系統與蓄電池儲能系統并網，可以合理安排蓄電池的充放電、光伏電池和風機的出力，從而達到最大限度延長并網供電時間的目的。開源證券預測，風電、光伏、儲能新增裝機市場對IGBT的需求規模將由2021年的86.7億美元上升至2025年的182.5億美元。

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。隨著技術的不斷成熟，新能源車需求不斷得到釋放，IDC預測，2021-2025年中國新能源車銷量復合增長率將超30%，以功率半導體為代表的汽車電子有望充分受益。

電驅系統是純電汽車的核心，可以理解為傳統燃油車的發動機，主要包含了逆變器，減速器和電機。逆變器中的電子電力控制器件將電池中的直流電轉逆變為交流電傳送到三相電機，當電機轉速高于恒扭矩區間時，電機扭矩就會有所下降，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現降低轉速、提升扭矩的效果，從而滿足車輛高速行駛時對扭矩的需求。

傳統汽車中，MOSFET主要用于輔助驅動各種電動馬達，包括通風系統、雨刮器和電動車窗等，而新能源汽車中的電動助力轉向、引擎、電池管理系統、驅動系統中的變速箱等電氣控制裝置將促使MOSFET的用量大幅上升。傳統燃油車中僅有少量的IGBT單管用于發動機點火器，而對于以電池為動力源的純電汽車，IGBT模塊成為電驅系統中逆變器的標配，車載充電機、DC-DC升壓器、電空調驅動也需要用到IGBT單管。

據測算，新能源汽車中功率半導體器件的價值量約為傳統燃油車的5倍以上，其中，IGBT約占新能源汽車電控系統成本的37%，是電控系統中核心的電子器件之一;傳統燃油車功率半導體用量僅為71美元，48V輕混車型功率半導體價值量增值至90美元，而純電車型的功率半導體價值上漲至330美元。電動汽車中半導體價值量接近傳統汽車的兩倍，MOSFET和IGBT為電動車控制器中實現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250只。

新能源車發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，充電樁行業的增速有望保持在30%以上。據中國產業信息網預測，全球車用MOSFET市場至2022年有望達到116億元;集邦咨詢預測，到2025年中國新能源汽車所用IGBT市場規模將達到210億元，與充電樁用IGBT合計310億元。

5G時代的大規模天線陣列技術（下稱“MIMO”）需要增加基站側和手機側的天線數量，從而實現基站側幾百個天線同時發送數據，以提升頻譜效率和系統容量。MIMO技術的采用使得5G的AAU輸出功率由4G的40-80W上升至200W甚至更高，同時處理的數據量大幅增加也使得BBU功率大幅提升，對功率器件的工作溫度也有所提高。據統計，5G單站功率器件價值量約100美元，是傳統天線的4倍。由于頻段越高波長越短，覆蓋半徑越小。要達到4G同等覆蓋面積，需要更多的5G基站數量，應達4G的1.5-2倍，華創證券估計5G基站數量需要近700萬個，按單站100美元價值量的功率器件計算，對應功率器件市場空間在7億美元。

5G信號的高功率、高數據吞吐量特性會使5G手機的電量消耗遠高于4G。有測試表明，iPhone12開啟5G后續航較4G網絡減少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航問題。中商情報網預計2022年快充市場規模將增長至986億元，增長率超過30%，為MOSFET等功率半導體器件創造了市場空間。

2022年5月，工信部表示將“適度超前”加快基礎設施建設，推進5G、千兆光網、數據中心建設，提升覆蓋深度和廣度。5G應用帶來數據流量爆發，驅動數據中心擴容、降耗，UPS系統的損耗大約占到數據中心能耗的6%-10%，選用性能更優的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Yole預測，2017年以數據中心為代表的計算、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。

國泰君安證券指出，受新冠疫情影響，全球功率器件整體持續缺貨，IGBT和MOSFET供需持續緊張，出現價格持續上漲、交貨周期持續拉長的情況，下游客戶為保證芯片供給，開始轉向國內廠商，恰逢國內廠商功率半導體產能在本輪缺貨周期中得到釋放，產能供給充足，且國內廠商技術水平近幾年持續提升，在中高端市場提前進行布局，功率器件領域國產替代迎來難得的良機。

自2015年以來，中國的IGBT自給率超過10%，并逐漸增長，預計2024年中國IGBT行業產量將達到0.78億只，需求量約為1.96 億只。國產IGBT仍存在巨大供需缺口，中信建投證券預計2025年國內IGBT市場規模將增加至592億元，2020-2025年復合增速為27%。

開源證券認為，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，國產替代的迫切性更高;技術上來說，IGBT單管的封裝難度較IGBT模塊更低，廠商更容易把握單管產品的性能指標和產品穩定性、一致性;中國功率半導體企業總體將先通過IGBT單管供應實現光伏IGBT替代的突破。

2022年上半年，多家A股功率半導體器件公司業績預增，專注于軌道交道裝備領域的時代電氣預計實現扣非歸母凈利潤6.07億元，同比增長23.27%;主營半導體功率器件及硅片的立昂微預計實現扣非歸母凈利潤4.35億-4.75億元，同比增長136.59%至158.35%;主營半導體功率器件的揚杰科技預計實現扣非歸母凈利潤5.06億-6.09億元，同比增長51.93%-82.96%;專注于IGBT的斯達半導預計實現扣非歸母凈利潤3.25億-3.3億元，同比增長129.49%-136.55%。

碳化硅光電性能優越，其帶隙寬度大約是硅的3倍，其導熱率為硅的3.3倍，寬禁帶使得其可在高溫環境下穩定運行，較高的導熱系數意味著碳化硅的器件可以縮小冷卻結構，減小系統重量和體積，碳化硅二極管在開通過程中可基本實現零正向恢復電壓，在關斷過程中沒有過剩載流子復合過程，可以減小逆變器恢復損耗、提高開關效率。

以碳化硅方案的光伏逆變器為例，整體系統效率可提升1%-2%左右，能量損耗降低50%以上，體積和重量減少40%-60%，大幅降低系統度電成本及安裝維護成本。再例如，使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結合的功率模塊的光伏逆變器，轉換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環壽命提升50倍。將碳化硅器件應用于軌道交通牽引變流器，能極大發揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率。

海外企業對此研究多年，并已提高量產規模，國產廠商亦紛紛布局。斯達半導擬投資5億元用于SiC芯片研發及產業化項目，華潤微自主研發的平面型1200VSiC-MOSFET已進入風險量產階段。近日，士蘭明鎵啟動化合物半導體第二期建設，擬建設一條6英寸SiC功率器件芯片生產線，項目總投資為15億元，建設周期3年，最終形成年產14.4萬片6英寸SiC功率器件芯片的產能。

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，與傳統的單晶硅使用提拉法制備不同，目前規模化生長SiC單晶主要采用物理氣相輸運法或籽晶的升華法。這也就帶來了SiC晶體制備的兩個難點，即生長條件苛刻和生長速度慢，SiC基器件與傳統的硅器件不同，SiC襯底的質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。