（报告出品方/作者：中信建投证券，刘双锋、雷鸣）
一、功率半导体：电力转换及控制的核心器件
1.1电力转换及控制的核心器件
功率半导体是电力电子装置实现电力转换及控制的核心器件。功率半导体器件本质利用半导体的单向导电性改变电路中的电压、电流、频率、导通状态等物理特性，实现电源开关和电力转换等管理，在产业电子化升级过程中，越来越得到重视与应用，是中国工业加工、汽车制造、无线通信、消费电子、电网输变电和新能源等应用领域的核心。如果将大规模集成电路比作现代社会的“数字大脑”，那么功率半导体器件则是现代社会的“电力心脏”。
功率半导体基于PN结原理，可实现导电与断电的控制。当PN结外加正向电压，即外加电压的正端接P区、负端接N区时，外加电场方向与内电场方向相反，内电场被削弱，外电路上形成自P区至N区的电流（正向电流），而正向PN结在流过较大正向电流时的压降很低，表现为正向导通状态。当PN结外加反向电压时，外加电场与内电场方向相同，使空间电荷区加宽，产生自N区至P区的电流（反向电流），此时的PN结表现为高阻态，被称为反向截止状态。由此，PN结实现了电流仅能向一个方向流动的功能。PNP半导体的不同组合，构成了二极管（PN）、晶体管（PNP或NPN）、晶闸管的基本结构（PNPN或更多层），从而实现不同的基本功能。
1.2应用场景多元，核心市场为汽车、泛工业、消费电子
功率半导体可分为功率分立器件、功率模块、功率IC三大类。功率分立器件是功率模块与功率IC的基础元件，根据对电路信号的可控程度分为全控型、半控型及不可控型；按驱动电路信号性质分为电压驱动型、电流驱动型。功率模块是将多个分立功率器件进行模块化封装，而功率IC是将功率分立器件与驱动、控制、保护、接口、监测等外围器件集成。常见功率半导体产品有二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等。
功率分立器件中，二极管/整流器和MOSFET市场最大。根据Omida的统计，全球功率分立器件中，二极管占7%，晶闸管占3%，整流器（由4个二极管组成）占27%，MOSFET占53%，IGBT占10%。中国功率分立器件中，二极管占10%，晶闸管占3%，整流器占23%，MOSFET占54%，IGBT占10%。
功率半导体广泛应用于电力电子、轨交、新能源、家电、音频设备等。二极管、晶闸管等器件生产工艺相对简单，在中低压领域大量使用；MOSFET、IGBT等器件更多应用于高压、高可靠性领域，器件结构相对复杂并且生产工艺门槛较高，成本较高，在新能源车、轨道交通、工业变频等领域广泛使用，其中MOSFET高频特性好，但耐压能力不如IGBT，常用于开关电源、镇流器、高频感应加热/逆变焊机、通信电源等中低压/高频领域，IGBT开关频率稍慢，但可承受大电压和大电流，适合焊机、逆变器、变频器、轨道交通、风电等高压大功率应用。MOSFET和IGBT是功率半导体主要发展方向之一，是未来增长最强劲的半导体功率器件。
汽车是功率半导体的最大应用领域，占比达35%。从全球市场来看，年汽车占比最高，达35%，工业、消费电子占比分别为27%和13%，是第二、第三大应用领域。从中国市场来看，年汽车电子占比达27%，其次为消费电子、工业、电力，占比分别为23%、19%和15%。
1.3迭代周期相对较长，国内外技术代差逐步缩小
功率半导体正向高性能、集成化、低损耗方向升级。一方面，导通损耗和开关损耗导致电力电子器件产生大量热量，既浪费能源，又影响安全性和有效性。另一方面，所有垂直应用都有其特定的功率需求，需要不同类型的功率器件来满足。早期简单的二极管开始逐渐向高性能、集成化、低损耗方向升级。晶闸管、MOSFET、IGBT、集成模块等产品相继涌现，器件设计及制造难度不断提高，应用范围更加广泛，能效表现更加出色。
硅基产品迭代周期约为10年左右，第三代半导体材料正在兴起。年，贝尔实验室发明晶体管，年美国通用电器公司开发出第一个晶闸管产品，标志着电力电子技术的诞生，正式进入了电力电子技术阶段并于年商业化。年代后期，门极可关断晶闸管GTO、电力双极型晶体管BJT、电力场效应晶体管功率MOSFET为代表的全控型器件迅速发展，第二代电力电子器件应运而生，80年代后期，沟槽型功率MOSFET和IGBT相继面世，功率器件正式进入电子应用时代。90年代，超结MOSFET逐步出现，打破传统“硅限”以满足大功率和高频的应用需求。年英飞凌率先推出屏蔽栅功率MOSFET，半导体功率器件的性能进一步提升。从技术演进看，硅基功率器件的迭代周期约10年，当前以第三代半导体材料为媒介的功率器件正在爆发，是功率半导体行业的重要增长点。
高压MOSFET、IGBT与国外存在技术代差，差距逐步缩小。二极管、三极管、晶闸管、低压MOSFET等大部分已实现国产化，而高压MOSFET、IGBT等由于技术及工艺的高壁垒，还依赖进口，随着国产厂商发力追赶，未来进口替代空间巨大。
高压IGBT存在差距，与海外大厂的代际差距在缩小。目前全球主要的IGBT厂商中，英飞凌和三菱电机具有齐全的产品线，技术领先。英飞凌从NPT-IGBT（第四代）直接跳跃到微沟槽场截止（第七代），而国内最新一代的IGBT接近英飞凌第七代，为斯达半导和华虹半导体共同研发，预计年底试生产。斯达半导、士兰微等产品已能覆盖较高端的IGBT，但技术差距仍在。比亚迪半导体和中车时代的IGBT产品分别面向新能源车和高铁，在车规级和高电压领域已经形成自己的竞争优势。
二、需求端：下游需求多重共振，功率半导体需求高涨
全球来看，工控、消费、新能源、电网、5G通信、家电等新市场驱动功率半导体市场成长。根据Omdia预测，年全球功率半导体市场规模约为亿美元，预计至年市场规模将增长至亿美元，-的复合增长率为2.4%。
国内来看，功率半导体产业链日趋完善，市场增速高于全球市场。中国是全球最大的功率半导体消费国，年市场规模达到亿美元，占全球比例达38%。预计未来中国功率半导体市场将平稳增长，年市场规模有望达到亿美元，-年的复合增长率为3.1%。
MOSFET和IGBT在功率半导体器件中，占据较高份额，增长最为强劲。根据Omdia，年全球功率分立器件市场规模约亿美元，其中MOSFET在功率分立器件中占比最大，达52.51%；IGBT为第三大产品，占比为9.99%。中国市场中，年MOSFET、IGBT的市场份额分别为53.98%与9.77%。
MOSFET主要用于消费电子、汽车电子、工业等领域。消费电子领域，主板、显卡、快充、Type-C接口的持续渗透拉动MOSFET的需求。在汽车电子领域，MOSFET在电动马达辅助驱动、电动助力转向及电机驱动等动力控制系统，以及电池管理系统等功率变换模块领域均发挥重要作用，未来将持续受益于新能源车的渗透。年全球MOSFET市场规模达84.20亿美元，受疫情影响，年市场规模下降至73.88亿美元，预计未来全球MOSFET市场将平稳回增，年市场规模有望恢复至77.02亿美元。年国内MOSFET市场规模为33.42亿美元，-年复合增长率为7.89%，高于全球增速，年反弹至30.4亿美元，未来需求向好。
相比于MOSFET，IGBT适用电压更高，更多用于泛工业领域。在中低电压领域，IGBT广泛应用于新能源车和白色家电；在V以上的高电压领域，IGBT广泛应用于轨道交通、清洁发电、智能电网等重要领域。随着IGBT在新能源车、轨交、通信、消费电子、电力等领域的普及使用，全球IGBT市场规模将不断增长。根据Omdia，年全球IGBT（包括IGBT单管和IGBT模块）市场规模为60.66亿美元，-年复合年均增长率为10.77%，年市场规模有望达到66.19亿美元。年国内IGBT市场为23.98亿美元，-年复合年均增长率为14.32%，高于全球平均增速，年市场规模有望达到25.76亿美元。（报告来源：未来智库）
2.1新能源车：汽车向新四化升级，推动车规级半导体量价双升
汽车向电动化、智能化、数字化和网联化四个方向发展，新能源车市场规模激增，单车对能量转换的需求不断增强，汽车电子迎来结构性变革，车规级功率器件需求升级。根据Yole，年新能源车功率半导体市场规模约14.2亿美元，预计年增长到56亿美元，-年复合增速达25.7%。
新能源车销量攀升，渗透率不断提高。根据EVTank预测，年全球新能源车销量或达万辆，-年CAGR达33.42%。包括轻度混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车的新能源车型的渗透率正增长迅速，年新能源车产量将超过新车总产量的25%，到年这一比例将提升至50%以上。国内方面，年中国新能源车销量为.7万辆，同比增长10.9%，其中纯电动汽车销量达到.5万辆，同比增长11.6%；插电式混合动力汽车销量为25.1万辆，同比增长8.4%。
汽车电动化提高电力转换与控制要求，功率半导体规格提升。传统汽车中，功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域，包括直流电机、电磁阀、继电器、LED驱动等，硅基MOSFET、IGBT及模块即可满足需求。而新能源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巨大。
单辆新能源车的功率转换系统主要有：1）主传动/逆变器：V高压，需要硅基IGBT/模块、SiC基MOSFET；2）充电器（OBC）：V高压，需要硅基IGBT/模块、SiC基MOSFET；3）DC-DC转换：涉及低电压直流转换，需要30/40/80/V等硅基MOSFET；4）高压辅助驱动：V高压配电，可用Si/SiC/GaNMOSFET/模块；5）电池管理系统（BMS）：低电压40V，用硅基功率器件。根据StrategyAnalytics，传统燃料汽车中功率半导体芯片的占比仅为21.0%，而纯电动汽车中功率半导体芯片的占比可高达55%。
随着新能源车电动化程度提升，单车功率半导体量价齐升、应用拓展。根据StrategyAnalytics，48V轻度混动、插电、纯电动车型在燃油车基础上单车功率半导体分别增加90美元、美元和美元，占所有半导体价值增量的80%。其中BEV功率半导体单车价值较燃油车增长4-5倍，价值量的提升主要来自：1）量，新增的电控系统提升对功率半导体的数量需求；2）价，高电压高功率提升对IGBT、模块、SiC基产品等单价较高产品的需求；3）非传统功能，除电控系统外，其他如智能座舱、高级辅助/自动驾驶等均有功率半导体增量。
车规功率器件规格升级趋势下，IGBT最为受益。预计年新能源车将超过工业控制成为IGBT最大的下游应用领域，根据Yole预测，预计到年，全球IGBT模块市场将会增长至19.10亿美元，5年复合增长率达13.17%。根据Omdia预测，中国新能源车IGBT模块市场将从年的2.8亿美元快速增长至年的8.8亿美元，4年复合增长率接近30%。
竞争格局方面，欧美厂商主导国内市场，本土厂商正逐步突破。车载功率半导体市场中，第一大供应商为英飞凌，市占率25.5%，第二大为意法半导体，市占率13.9%，前五大公司合计占比62.1%，集中度较高。中国在车载功率半导体领域基础薄弱，但近几年整车厂发展迅速，为本土产品替代提供了机遇。根据佐思汽研和盖世汽车，年英飞凌为国内电动乘用车市场供应62.8万套IGBT模块，在国内新能源车IGBT领域排名第一，占比高达58.2%，比亚迪半导体供应了19.4万套，占比18%，而斯达半导、中车分别供应1.7万套、0.8万套，市占率分别为1.6%、0.8%。随着国内厂商设计能力提升、产线扩充以及整车厂的积极导入，国内车规IGBT市占率有望不断提升。
2.2充电桩：充电基础设施进入高速建设期，充电桩配套拉动功率器件需求
充电基础设施进入高速建设期，国内充电桩保有量高速增长。年至年，全国公共充电桩的数量由5.8万个增长至80.7万个，复合增长率达69.5%，随车配充电桩（私人桩，一般为交流充电桩）保有量从0.8万个增长至87.4万个，复合增长率达.1%。截至年7月，全国充电基础设施累计数量为.5万个，其中公共桩95.0万个（直流充电桩38.3万台、交流充电桩56.7万台），私人桩.4万个，充电站保有量达到6.6万座。从全球范围内看，预计-年充电桩数量分别为万桩、万桩、万桩，每年新增充电桩需求约百万桩。
功率器件约占充电桩总成本的20%，年国内市场或超18亿美元。单个桩根据快慢充、功率不同而成本不同，根据阿尔法工场研究院，直流充电桩（快充桩）的成本约美元，交流充电桩（慢充桩）的成本约美元，IGBT等功率器件占总成本的20%左右。目前直流充电桩按3:1配置（车：充电桩=3:1），交流充电桩按5:1配置，据此测算全球年直流充电桩需求或达万个，交流充电桩需求或达万个，在不考虑价格变动的情况下，年全球充电桩市场对功率器件的需求为40.06亿美元。国内来看，预计年直流和交流充电桩需求分别为和万个，在不考虑价格变动的情况下，国内充电桩市场对功率器件的需求为18.22亿美元。
2.3多领域需求释放，助力功率半导体成长
1、工业自动化与智能化推进，提升工业领域功率半导体需求。随着《中国制造》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，自动化、智能化成为工业发展方向，电子系统逐步取代机械系统，同时提升工业领域功率半导体需求。以动力控制为例，传统工业电机消耗了全球45%的能源，而采用IGBT模块的变频驱动可降低60%的能耗，这种新变频驱动平均功率半导体价值约40美元，传统电机中没有功率半导体，改用变频驱动是行业趋势。根据中商产业研究院的数据，6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，年将达亿美元，CAGR为8.56%，驱动力来自工业自动化、智能化、固态照明、安全控制需求。
2、光伏及风力发电基础设施处于建设高峰期，全球及中国装机容量快速增长。光伏和风力发电是新能源发电的两种主要方式，正处于建设高峰期。（1）光伏发电方面，年全球光伏装机容量达GW，欧洲光伏产业协会预测全球新增光伏装机量未来5年将保持15%以上的复合增速，年接近GW，累计达GW。
中国年光伏装机容量达GW，0-年CAGR为73.6%，装机容量位居世界第一，预计未来5年新增装机量CAGR为9.9%，年约80GW，累计装机容量约达GW。（2）风力发电方面，年全球风电装机容量达GW，0-年CAGR为15.0%；中国风电装机容量年将达GW，0-年CAGR为25.3%，增速显著高于全球平均水平。根据GWEC预测，未来几年全球风电新增装机量增加约70GW/年，年累计有望突破0GW，中国新增装机量约为20GW/年，年累计将超GW。
光伏及风力电站建设大量消耗逆变器和整流器，功率器件需求随之增长。新能源发电输出的电能无法直接满足电网输送的要求，需通过大量的光伏逆变器或风电变流器将其整流成直流电，再逆变成符合电网要求的交流电后才能输入并网，而光伏逆变器中核心的功率器件就是IGBT。除此之外，根据电子工程世界，常规配置下，1MW的光伏组件约需只太阳接线盒，1只太阳接线盒约需要5只光伏二极管，1MW的光伏组件共需要2只光伏二极管；另外，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。
3、5G基站进入大规模建设期，通信用功率半导体需求快速增长。
5G基建及配套设施建设快速铺开，而功率器件是通信设备重要的电力元件。
（1）5G铺设密度要求更高。相对于4G，5G通信频谱分布在高频段，而频率越大的基站，信号衰减速度就会越快，为此5G基站的建设密度就要更大。根据新PCB产业研究所和南通等5G网络空间布局规划，4G基站的分布密度为密集城市中心区域米/个，郊区米/个，农村米/个，5G基站的分布密度为城市中心区域大概-米/个，郊区米-0米/个，农村-0米/个。总体基站数量需求是4G的2-3倍。-年，中国5G基站建设迎来高峰期，预计共计新增5G基站万站；
（2）5G电源功耗需求更高。一方面，5G用的MassiveMIMO设备通道数大幅增加，基带处理计算量大幅上升增加，并将导致数字中频、射频小信号的功耗显著增加；另一方面，每个通道的功放布板面积受限，高集成度的封装带来片内匹配电路设计难度增加，插损加大，5GAAU整机效率下降，导致其功耗上升。根据中国铁塔，目前华为5G基站单系统的典型功耗为0W，中兴为W、大唐为W，而4G的单系统功耗仅为1W，5G是4G的3-4倍。
更高的覆盖密度、更大的功率需要更多电源管理系统，每个电源管理系统中最多有近百个MOSFET，因此通信用功率器件需求将大幅增长。根据中商产业研究院，全球通信功率半导体市场规模将由年的57.45亿美元增长至年的70.3亿美元，复合增长率为4.71%。
4、变频家电持续渗透，功率器件单机价值量提升。家电变频化趋势主要体现于空调、冰箱、洗衣机等耗电较大的电器，利用IPM调节电机输入电源幅值和频率进而实现电机多档位转速。中国是全球最大的白色家电生产基地，约全球白电产能的60%-70%，其中家用空调的变频化程度最高，年的变频占比是52.9%；其次为洗衣机，变频占比为41.5%，而冰箱变频比例在三大白电里属于占比最低，为29.7%。英飞凌数据显示，从非变频家电到变频家电，功率器件单机价值量从0.79美元增长至10.67美元。受益家电变频化需求推动，全球家电用功率半导体规模有望从年的26.45亿欧元增长至年的57.79亿欧元，复合增长率达17%。虽然白电大部分功率器件还是采用海外龙头厂商，但是国内供应商近年发展迅速，如士兰微持续取得技术突破，其IPM模块在白电和工业变频器市场累计出货近千万颗。
2.4第三代半导体应用落地，成为功率半导体第二条成长曲线
半导体材料已演进至第三代。第一代材料是硅和锗，20世纪50年代半导体材料以锗为主，20世纪60年代，硅取代锗成为新的半导体材料，硅绝缘性好，提纯简单，至今仍然是应用最多的半导体材料。第二代材料是砷化镓和磷化铟，可用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件。第三代半导体材料又称为宽禁带半导体材料，主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、氮化铝（AlN）等，其中SiC、GaN比较成熟，主要用于功率、射频等领域。
SiC、GaN具备更强的高温、高压、高频性能，适用于电网、光伏、新能源车、5G、微波射频等领域。SiC具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，其器件适用于高频高温的应用场景，相较于硅器件，可以显著降低开关损耗。因此，SiC可以制造高耐压、大功率电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能电网、光伏、新能源车等行业。GaN具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点，是超高频器件的极佳选择，适用于5G通信、微波射频等领域的应用。
SiC和GaN功率半导体有望实现长期高成长。根据超硬材料工程，集成电路99%以上用硅材料制作，半导体器件的95%以上用硅制作，随着5G通信、新能源车、光伏等新兴应用涌现，以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料快速崛起。
2.4.1SiC：电动车及充电桩快速渗透，SiC功率器件随之高速成长
SiC材料研究已久，但商用化时间较短。SiC因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。SiC从上个世纪70年代开始被开发，1年SiCSBD商用，0年SiCMOSFET商用，SiCIGBT还在研发当中。
SiC基功率器件相对于Si基功率器件的优势主要来自三个方面：低损耗、小型化、耐高温与高电压。
（1）低损耗。SiC材料开关损耗极低，全SiC功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT模块之间的损耗差越大，这意味着IGBT模块不擅长的高速开关工作，SiC功率模块不仅可以大幅降低损耗，还可以实现高速开关。
（2）小型化。SiC材料具备更低的通态电阻，阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si基功率模块的1/10左右。
（3）耐高温与高电压。SiC的禁带宽度高于Si，可承受的温度相对Si更高；SiC材料的导热率为3.7W/cm/K，而硅材料的仅有1.5W/cm/K，更高的热导率可带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。
SiC功率器件可大幅节省新能源车电池、散热、空间等成本。新能源车此前多采用Si基材料，基本已逼近其物理极限，如工作温度、电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等，SiC成为极为理想的替代材料，此外SiC应用到电动汽车的逆变器、OBC、DC/DC等系统，可带来系统级的体积缩小和成本压缩。根据CREE等机构，电动汽车采用SiC功率器件能够提升5%-10%的续航能力，至少能节省-美元的电池成本，未来有望还能节省美元汽车空间成本和0美元散热系统成本，乐观情况下，抵消新增美元的SiC器件成本后，整车成本能节省约0美元。
SiC功率器件在车内应用渗透，逆变器、PCU、充电等系统均在逐步导入SiC。从落地情况看，逆变器目前已从SiIGBT+SiFRD方案，转为开始使用IGBT+SiCSBD的混合方案，预计全SiC的逆变器将从年开始在主流豪华车品牌中量产。车载OBC和DC/DC已经开始采用SiC器件，全SiC方案有望年开始采用。PCU、无线充电都将导入SiC方案。如特斯拉Model3的主逆变器已采用了意法半导体生产的24个SiCMOSFET功率模块，车身比ModelS减轻了20%，是全球第一家将SiCMOSFET应用于商用车主逆变器的OEM厂商。年12月，丰田推出并公开发售“Mirai”燃料电池电动汽车，首次开始使用SiC功率器件。
SiC器件可满足充电桩的高功率需求。充电桩电压随电动汽车电池组电压相关，电池电压从V增加到V，充电桩电压也要从V增加到0V，这也导致充电桩需要采用电压V的功率部件。然而，当电压大于V时，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出短板，其在转换效率、开关频率、工作温度等多方面受限。SiC器件凭借材料特性优势，能够弥补硅材料的缺陷，提供比硅基器件尺寸更紧凑的解决方案，更高的效率和频率，更好的满足高功率充电桩的需求，降低充电成本。
衬底和外延生长是SiC制备中成本占比最大、工艺难度最高的环节。衬底制备上，首先将SiC粉料在单晶炉中经过高温升华之后形成SiC晶锭，然后通过对SiC晶锭进行粗加工、切割、研磨、抛光，得到透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC晶片（即SiC衬底），后续在衬底基础上生长SiC外延或是GaN外延，最终再通过IC设计、制造、封测等环节制作成相应器件。尽管年代SiC衬底就已经实现产业化，但由于复杂的制造工艺流程和更高的材料要求，衬底制备仍是SiC功率器件成本最大的部分，约占47%，外延成本占位居次席，占23%。
SiC规模化生产启动，衬底、外延和晶圆的成本持续下降。衬底和外延方面，随着6英寸SiC单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，8英寸实现规模化生产，降本效应将逐渐显现。制造方面，各个供应商相继扩产，规模不断扩大，技术逐步成熟，规模化带来制造成本的降低。年5月，Cree宣布5年内将投资10亿美元用于扩大SiC产能（其中4.5亿美元用于8英寸量产），完工时将带来SiC晶圆制造产能的30倍增长和SiC材料生产的30倍增长。
年7月27日，意法半导体宣布造出业界首批8英寸SiC晶圆，与6英寸晶圆相比，可用面积扩大近一倍，合格芯片产量是6英寸晶圆的1.8-1.9倍，产能将大幅提高。英飞凌则已推出CoolSiC、CoolGaN系列产品线，并实现量产。目前SiC的成本是Si的4-5倍左右，伴随着产能规模增加，预计未来3-5会逐渐降至Si的2倍左右，英飞凌称3-5年后其有机会把成本降到Si基元件相近的程度。
SiC功率器件需求主要来自电动车及配套的充电桩，占有SiC市场半壁江山。根据Yole，年SiC功率器件的市场规模为5.41亿美元，渗透率不足2%，受益于电动汽车/充电桩、光伏新能源等市场需求驱动，预计年将增长至25.62亿美元，复合增长率约30%。年新能源车中SiC市场规模约为2.25亿美元，预计年市场规模达到15.53亿美元，复合增长率为38%。电动汽车用SiC功率器件占SiC功率器件整体市场份额将从年的41%增长到60%以上。电动汽车充电基础设施也将带来大幅增量，年相关SiC市场规模达2.25亿美元，复合增长率达90%。
国内SiC产业链完整，已有众多本土厂商布局。从全球来看，SiC产业以美国、欧洲、日本厂商为主，其中Cree（子公司Wolfspeed负责SiC器件生产）、Rohm（子公司SiCrystal负责SiC晶圆生产）实现了从SiC底、外延、设计、器件及模块制造的全产业链布局，厂商主要以IDM模式为主，如英飞凌、三菱电机、意法半导体等。从国内来看，全产业链布局的企业有中电科55所、世纪金光；生产SiC衬底的有天科合达、山东天岳等；生产SiC外延片的企业有东莞天域、瀚天天成；负责器件设计的企业有深圳瞻芯电子等；而以IDM形式生产的有三安集成、士兰微、比亚迪半导体、闻泰科技、泰科天润、中车时代电气等。SiC衬底技术方面，Cree、II-VI、Rohm等国外龙头的技术工艺已普遍转为6英寸晶片生产和8英寸研制工作，而国内厂商则以4英寸生产为主，6英寸技术尚未规模化生产。但是中国第三代半导体材料产业链布局已经相对完整，实现了从小批量研发向规模化、商业化生产的跨越，天科合达、山东天岳等占据一定份额。（报告来源：未来智库）
国内SiC产业链相关企业加紧追赶，频频布局相关技术研发与产能建设。（1）单晶衬底方面，目前国内可实现4英寸衬底的商业化生产，山东天岳和天科合达、同光晶体均已完成6英寸衬底的研发，中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底，露笑科技预计年9月基本实现6英寸导电型SiC衬底片小批量生产，安徽徽芯长江预计12月底完成中试并开始试销，目标年产4英寸SiC晶圆3万片、6英寸12万片；（2）外延片方面，国内瀚天天成和天域半导体均可供应4-6英寸外延片，中电科13所、55所亦均有内部供应的外延片生产部门；（3）器件方面，国内-3VSiCSBD已开始批量应用，泰科天润已建成国内第一条SiC器件生产线，SBD产品覆盖V-3V的电压范围，中车时代电气的6英寸SiC生产线也已试片成功。（4）模块方面，国内已开发出V/50-A全SiC功率模块、-V/-A混合SiC功率模块，目前厦门芯光润泽国内首条SiCIPM产线正式投产。
2.4.2GaN：消费电子主驱动，通讯、IDC、汽车等市场高速成长
GaN高频性能较优，适用于微波射频、电力电子和光电子三大领域。GaN与SiC类似，具有击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强等突出特点，且具有低导通损耗、高电流密度等优势，适用于超高频、电压集中在V-3V，中低压集中在V-V，通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域。具体地，微波射频方向包含了5G通信、雷达预警、卫星通讯等应用；电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源车、消费电子等应用；光电子方向包括了LED、激光器、光电探测器等应用。
GaN相比Si功率密度更高，相比SiC适用频率更高。GaN既拥有类似SiC在宽禁带材料方面的性能优势，也拥有更强的成本控制潜力。与Si材料相比，基于GaN材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出，以及更高的能量转换效率，其中GaN晶体管开关就比Si基MOSFET快10倍，比Si基IGBT快倍.GaN也可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。相对于SiC在高于V的高电压、大功率应用具有优势，GaN器件更适合40-V的高频应用，尤其是在V/3KW以下的应用场合。因此，在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS等领域，GaN可以挑战传统MOSFET或IGBT器件的地位。根据GaNSystems，全球电力能源消耗中有20%以上通过低效的功率转换以热的方式流失，通过使用GaN技术可以减少50%能源浪费。
（1）消费电子：GaN快速技术已成燎原之势。消费电子市场对电源产品的小型化、快速化以及低发热量有强烈的需求，这成为GaN器件在消费类电源市场的主要驱动力。8年GaN快充首次在售后市场出现，Navitas和Exagan首次推出带有集成GaN解决方案的45W快速充电电源适配器。此后，GaN快充技术快速被各大手机品牌采用：年9月OPPO宣布在其65W内置快速充电器中采GaNHEMT器件，GaN正式迈进手机原装充电器市场，年2月小米公司在小米10发布会上也宣布使用65W的GaN快充。仅年，小米、联想、三星、Realme、戴尔、LG等多家公司先后在原装充电器中采用GaN技术，截止年5月，至少有10家智能手机厂商推出超过18款自带GaN充电器的手机。
国内GaN快充市场约占全球的五成，未来5年高速增长。相比于Yole，CASAResearch对于GaN快充市场更为乐观。根据CASAResearch预测，年到年全球快充氮化镓器件市场规模将由3亿元快速成长至80亿元以上，复合增长率超过90%。全球各地区市场中，中国市场份额最高，占比在50%左右，预计中国快充氮化镓器件市场规模将从年约1.5亿元增长至年40亿元以上，复合增长率达97%。折算成晶圆需求来看，全球年PD快充市场6英寸GaN晶圆需求量为3.7万片，到年需求量将超过万片，国内年PD快充市场6英寸GaN晶圆需求量为1.7万片，到年需求量约为67.4万片。
（2）汽车：GaN在汽车市场即将迎来突破。在PCIMEurope上，GaNSystems推出一款All-GaN（全氮化镓）汽车，证明了GaN在汽车功率转换方面的可行性。安世半导体已经采用GaN材料开发出针对V高压的车载产品，且未来还有计划推出V产品，打破了GaN仅适用于中低压产品的传统思维。根据Yole，汽车将是GaN功率器件的全新应用场景，市场规模会从年的30万美元增加到年的1.55亿美元，复合增长率达%。
GaN主要在电源转换系统、激光雷达、电机驱动等方面推动车载功率器件的升级。（1）电源转换：基于GaN技术的48V车用总线系统可提高效率、缩小尺寸和降低系统成本，以3kW多相降压转换器为例，GaN方案在kHz/相下工作，远高于传统MOSFETkHz/相的工作频率，得以采用较小的电感值和电感直流阻抗以实现更小的功耗和尺寸。（2）激光雷达：GaNFET较短的脉宽能实现更高分辨率，而更大的脉冲电流可以增强激光雷达的探测距离，加上超小尺寸的优势，是代替MOSFET成为激光雷达的理想驱动器件。（3）电机驱动：基于GaN器件的48V车用电机则能缩小电机尺寸和重量，在高于可听频谱频率下工作，具有更强的转矩和更高的效率，从而实现更长的电池续航时间。
GaN功率市场处于爆发前夕，即将进入10年增长“快车道”。除消费电子、汽车外，数据中心及通信市场也在逐步导入GaN技术，预计市场规模将从年的万美元增长到年的2.23亿美元以上。未来，随着GaN技术成熟与规模效应带来成本降低，预计GaN功率市场在年实现翻番后，继续保持高速发展态势，到年将达到11亿美元，年复合增长率达70%。
国内企业在GaN功率领域处于起步阶段，替代空间巨大。国际主要GaN功率器件厂商包括NXP、EPC、TI、GaNSystem、Fujitsu、Infineon、Transphorm等，前七大厂商市占率合计81%。相比之下，国内厂商处于追赶阶段。国内从事GaN单晶生长的企业主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特等。而从事GaN外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体等。GaN器件方面，主要为安世半导体和三安光电，安世于年11月发布首款GaNFET产品，正式进军GaN领域，年6月推出新一代VGaN产品，尺寸缩小24%，满足车规级要求；三安光电6寸GaN外延片产线已经建成，填补了国内的空白。随着国内厂家不断崛起，GaN功率器件未来国产替代空间巨大。
三、供给端：疫情致供需紧张，国产器件加速向中高端突破
3.1经营模式以IDM为主，设计+代工为辅
功率半导体产业链包括设计、制造、封装测试等环节。根据有无晶圆加工线，可以将功率半导体企业的经营模式主要分为IDM、Fabless以及Foundry/OSAT三种形式。其中，IDM模式即垂直整合制造模式，集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身；Fabless模式即无晶圆加工线设计模式，只负责芯片的电路设计与销售；将生产、测试、封装等环节外包；Foundry/OSAT即代工模式，只负责制造、封装或测试，不负责芯片设计，可以同时为多家设计公司提供代工服务。
功率半导体具有成熟制程、注重工艺、资本开支小和产品迭代慢等特点。四大特点决定功率半导体普遍采用IDM模式。（1）成熟制程。数字逻辑芯片主要用于计算机、手机等领域，追求低功耗、高算力和小尺寸，而功率器件主要用于电力电子领域，追求可靠性与稳定性，工艺制程在nm以上，晶圆主流尺寸在4-8英寸，少部分采用12英寸。（2）注重工艺。功率器件电路结构简单，重难点在于晶圆制造及工艺、封装技术及材料，无需大额资本开支。而数字逻辑芯片电路复杂，需要架构、IP、设计流程、软件辅助工具等环节，设计复杂度较高。（3）资本开支小。功率器件因不需要追赶摩尔定律，制造投入低于逻辑芯片。设备作为制造环节最主要的支出部分，功率器件所需设备有更多选择，可以选择二手设备或价格实惠的国产设备，逻辑产线目前国产化率很低且海外设备价格昂贵。根据IBS统计，一条3nm先进制程产线的投资成本高达-亿美元，而士兰微总投资亿人民币就能建设两条12英寸特色工艺芯片生产线，单条产线建设成本约为亿人民币。（4）产品迭代慢。数字逻辑芯片产品生命周期通常为1-3年，功率半导体可达5-10年，迭代速度慢，不需要频繁投资（包括重新设计、升级设备、升级EDA软件和IP核）迭代产品。
功率半导体厂商以IDM模式为主，设计+代工模式为辅。功率半导体“成熟制程、注重工艺、资本开支小和产品迭代慢”的特点决定了相关厂商以IDM模式为主。海外厂商多以IDM模式为主，龙头厂商如德州仪器、安森美、英飞凌、富士电机等均为IDM模式，代工厂有台积电和联电，设计厂商有富鼎。国内厂商也以IDM模式为主，如士兰微、闻泰科技、三安光电、比亚迪半导体等；但代工和设计厂商较多，代工厂有华虹半导体、中芯国际、芯恩、方正微、燕东微等，设计厂商有斯达半导（向IDM模式转变）、新洁能（已建设封测产能）。
国内IDM厂商扩产动作频繁，Fabless厂商内外兼修保证产能。IDM方面，年12月士兰微与厦门半导体投资集团共同投资的第一条12英寸生产线正式投产，预计今年Q4将实现月产3万片的目标；年1月，闻泰科技位于上海临港的12寸晶圆厂动工，预计年7月投产，年产能约为40万片；年6月，华润微与大基金联合投资75.5亿新建12英寸晶圆生产线，建成后预计将形成月产3万片12寸中高端功率半导体晶圆生产能力。Fabless方面，斯达半导与华虹达成了战略合作，打造的高功率车规级12英寸IGBT芯片已通过终端车企产品验证，同时拟定增募集35亿元建厂旨在建设自有产能；新洁能则在华虹之外寻求海外厂商作为二供，与国内外头部8寸晶圆厂和封测厂紧密合作开展业务，旨在获得产能保障，以减少供应链风险。
3.2低端产品率先实现国产替代，中高端产品持续突破
国外龙头厂商占据功率半导体市场主导地位，国内企业发展空间巨大。在功率半导体领域，国际厂商优势明显，全球前十大功率半导体公司均为海外厂商，包括英飞凌（Infineon）、德州仪器（TexasInstruments）、安森美（ONSemiconductor）、意法半导体（STMicroelectronics）等。行业整体集中度较低，年以销售额计的全球功率半导体龙头企业英飞凌市场份额为13.49%，前十大企业市场份额合计为51.93%。
从发展阶段看，中国功率半导体产业仍处于起步时期。年中国市场销售额前十的厂商中，仅有吉林华微电子一家中国本土公司。不过，在国内市场需求增长及半导体产业链整体向国内转移的推动下，中国涌现了部分优秀半导体功率器件企业，如华润微电子、扬杰科技、士兰微、新洁能等。
二极管、晶闸管等已经率先实现国产替代。在二极管、晶闸管、低压MOSFET等低端产品方面，国内厂商已经具备独立生产的能力，并凭借较低的成本优势，市场份额较大。早在4年，我国二极管及相关产品的出口量就以超出进口量，实现了该产品的贸易净输出。而在新能源车、电力、轨道交通等领域应用较多的高端产品中高压MOSFET、IGBT技术门槛较高，工艺更复杂，且客户认证壁垒较高，目前仍主要依赖于进口，处于被国外巨头垄断的现状。
（1）MOSFET器件方面，竞争格局较为集中，英飞凌独占鳌头。年全球MOSFET器件市场中，英飞凌排名第一，市场占有率达到24.79%，前十大公司市场占有率达到74.42%。中国本土企业中，闻泰收购的安世半导体、中国本土成长起来的华润微电子、扬杰科技进入前十，分别占比3.93%、3.09%和1.80%。年，中国MOSFET器件市场中，英飞凌排名第一，市占率达到24.95%，前十大公司市占率达到74.54%。中国本土企业中，华润微电子、扬杰科技、闻泰收购的安世半导体和吉林华微电子进入前十，分别占比4.79%、3.34%、3.28%和2.93%。
中低端MOSFET国产份额有望提升，中高端领域持续突破。消费电子中低压MOSFET的技术壁垒较低，核心竞争力在于厂商的成本控制能力，国内厂商成本占优，部分国际大厂正逐步退出，国内厂商市场份额有望提升。中高端MOSFET领域，国内厂商研发及量产进度不断加快：华润微已可提供-V-V范围内低、中、高压全系列MOSFET，同时积极布局汽车电子与工控市场，进行新品立项开发，客户送样与量产供应；闻泰科技年推出了针对5G电信基础设施的高耐用的MOSFET，又在上半年推出了尺寸缩小36%、RDS（on）最低的超微MOSFET和采用坚固材料、更节省空间的LFPAK56封装的P沟道MOSFET。
（2）IGBT分立器件方面，市场份额集中，国内厂商占比较低。年全球IGBT分立器件领域中，英飞凌销售额排名第一，市占率高达30.22%，前十大公司合计占比达到75.42%，中国厂商中，吉林华微电子进入前十，市占率为2.41%。年，中国IGBT分立器件市场中英飞凌排名第一，市占率为24.28%，前十大公司合计占比达到69.57%，中国厂商吉林华微电子、华润微电子进入前十，市占率分别为4.71%、3.65%。
IGBT已实现部分高端领域突围，自给率有望持续提升。大功率高电压领域，中车时代电气目前已实现V-0VIGBT全电压范围覆盖，在轨道交通、智能电网、新能源车等多个领域得到认可和应用。车用领域，比亚迪半导体拥有车用IGBT完整产业链，于8年底发布了IGBT4.0技术（相当于国际第五代），年4月底其位于长沙的8英寸晶圆生产线开工建设。斯达半导在8年全球IGBT模块市场中所占份额约为2.2%，年底已量产成功1-6代所有型号的IGBT芯片，第7代和华虹联合研发中。据盖世汽车和斯达半导，年英飞凌为国内电动乘用车市场供应62.8万套IGBT模块，比亚迪供应了19.4万套，斯达半导16万套，比亚迪、斯达半导市占率已分别为16%、13%。随着国内厂商设计能力提升、产线建设及产能释放、整车厂认证，国内车规级高端IGBT自给率有望持续提升。
3.3疫情致供需紧张交期拉长，功率器件加速国产替代
受新冠疫情影响，全球半导体市场供需“剪刀差”加大，功率器件整体缺货涨价。根据集微网，年下半年进口IGBT即出现缺货状况，MOSFET也在年初伴随着疫情爆发进入缺货状态，年下半年缺货趋势仍未缓解，根据富昌电子发布的Q3市场行情交货周期和价格趋势看，芯片交货周期持续拉长，价格持续上升。英飞凌、安森美和Diodes的低压MOSFET、IGBT货期最长达到了50-52周，且价格还在持续走高。下游厂商为保证供给开始转向国内厂商备货，功率器件国产替代加速。（报告来源：未来智库）
四、重点公司分析
斯达半导：专注车规级IGBT，SiC产品有望放量
深耕IGBT模块市场，位居国内领先地位。公司于5年成立，致力于IGBT芯片/模块和快恢复二极管芯片的设计、制造和测试，是国内IGBT行业的领军企业。1年，公司NPT型IGBT芯片独立研发成功，并在2年量产；年FS-Trench芯片独立研发成功，次年形成量产能力，可对标英飞凌第六代IGBT；8年研发出车规级模块系列进军汽车领域；年48VBSG功率组件实现大批量装车应用，累计配套超过10万辆，第六代FS-TrenchVIGBT芯片批量供应，车规级SGTMOSFET研发成功，并与宇通合作开发SiC项目。年华虹半导体与公司共同打造的首款高功率12英寸车规级IGBT规模量产。据IHSMarkit，年公司在全球IGBT模块市场排名第七，市占率2.5%，是唯一进入前十的中国企业。
技术能力、客户资源积累深厚，护城河较深。技术层面，公司全面实现了IGBT和快恢复二极管芯片及模块的国产化，是国内屈指可数的拥有6代IGBT技术的企业，正在自主研发设计的最新一代FSTrench芯片接近第7代IGBT性能。公司IGBT模块产品丰富，料号达八百多种，电压等级覆盖-3V，电流等级覆盖10-3A。客户层面，公司立足工控领域，客户资源良好，是少数可提供适合不同电焊机的IGBT模块的供应商，是多家国内知名变频器厂商的IGBT模块供应商，客户包括国内变频器龙头英威腾和汇川技术。汽车领域，已经配套汇川技术、上海电驱动、巨一动力等电驱厂商，打入奇瑞、长城、江淮等车企供应体系，并与宇通客车保持长期合作关系。IGBT模块作为核心器件，产品认证较为严格，公司具备较深的市场和技术护城河。
汽车业务快速发展，营收占比逐步提升。公司持续发力新能源车及燃油汽车市场，已跻身国内车规级IGBT模块的主要供应商之列。燃油车市场，48VBSG功率组件已大规模供应，正深入开发下一代BSG车规级功率组件。新能源车领域，公司是少数能为客户提供全功率段的车规级驱动控制器IGBT模块的厂商，并能为高端车型提供成熟的车规级SiC模块，并获得国内外多家著名车企和Tier1客户的项目定点。年公司来自汽车的营业收入为2.15亿元，营收占比22%，其中汽车级IGBT模块合计配套超过20万辆新能源车，按照当年国内新能源车.7万辆销量计算，公司的市占率约为14.6%，在车用空调、充电桩、电子助力转向等细分市场份额进一步提升。
发力SiC赛道，几度加码车规级功率产品。年6月，公司和宇通客车达成合作，宇通将采用公司和GREE合作研发得VSIC功率模块开发电动客车电动系统，并预计在年开始实际装车；年12月，公司公告，拟投资2.29亿元，投资建设年产8万颗车规级全SiC功率模组生产线和研发测试中心，建设期约24个月；年3月公司发布定增预案，将以非公开发行方式募资35亿元，其中20亿元将用于投资建设一条年产能36万片的6寸晶圆产线，其中30万片面向3V及以上的智能电网和轨道交通领域的高压特色工艺功率芯片，6万片面向新能源车的SiC芯片。公司立足于汽车业务的先发优势，发力SiC领域，在车规级SiC功率器件市场中提前抢占市场份额和客户资源。随着新能源车渗透率提升，SiC器件加速渗透，需求强劲，公司业绩有望进一步增厚。
自研芯片比例提升，盈利能力增强。公司采用Fabless模式，自研芯片在华虹半导体、先进半导体等进行代工，外购芯片主要采购自英飞凌。在深厚的研发能力和国产晶圆厂商的支持下，公司自研芯片占比持续提升，从6年到H1，公司自主研发芯片比重从31.0%增加至54.1%，有效降低了IGBT模块的成本（IGBT芯片占模块总成本的60.35%）。同时，年公司开始转向IDM模式，35亿定增项目建设了第一条自有晶圆产线，芯片自供能力得到发掘，未来有望降低委外代工成本，获得更好的产能保障。-年公司业绩高速增长，营业收入从2.53亿元增长至9.63亿元，CAGR为30.66%，归母净利润从0.13亿元增长至1.81亿元，CAGR为69.50%；毛利率持续改善，从28.82%提升至31.56%，始终高于同业平均水平。公司业务主线清晰，市场潜力巨大，未来有望随着SiC等车规级产品放量而高速成长。
时代电气：轨交电气龙头，车规级IGBT打开成长空间
时代电气属于中国中车旗下，其前身及母公司——中车株洲电力机车研究所成立于年，于6年在香港联交所上市，并于年9月成功在科创板上市。目前，公司已形成“基础器件+装置与系统+整机与工程”的完整产业链结构，产业涉及高铁、机车、城轨、轨道工程机械、通信信号、大功率半导体、传感器、海工装备、新能源汽车、环保、通用变频器等多个领域。
整体营收相对稳定，功率半导体器件业务发展较快。年公司实现营收.18亿元，同比减少2.79%，主要因疫情影响招标与交付，轨道交通业务收入下降，-年收入CAGR为1.92%。其中，功率半导体器件收入为8.01亿元，占公司整体收入的5%，同比增长54.47%，因承接国家电网IGBT大额采购订单，8-年收入CAGR为9.59%。年公司实现归母净利润18.54亿元，同比减少6.92%，-年收入CAGR为-0.64%。
功率产品可覆盖高电压，处于国内外领先水平，应用于轨交、输配电和新能源等领域。具体来看，公司的双极器件包括整流管、晶闸管、IGCT和功率组件；IGBT器件包括IGBT芯片和IGBT模块；SiC器件包括SiCSBD、SiCMOSFET和SiC模块。器件性能方面，公司双极器件、IGBT器件和SiC器件可覆盖的电压从数百伏到数千伏，涵盖电压电流要求最高的轨交、电力、光伏、风电等领域，处于国内外领先水平。客户方面，公司主要面向中车集团下属主机厂、国铁集团及下属公司、地铁公司、地方铁路公司等，而功率器件客户由前述客户拓展而来，主要包括电网公司、大型厂矿企业、新能源车制造企业和海洋石油开采企业等。
肩负核心器件自主化使命，产品主导国内轨交、电力领域，布局光伏、风力、新能源车。公司建有6英寸双极器件、8英寸IGBT和6英寸碳化硅的产业化基地，拥有芯片、模块、组件及应用的全套自主技术。
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