新能源电子之功率半导体篇：新能源时代，国产功率半导体弯道超车新机遇

|研究院南通分行 行内偕作•行业深度 2023年11月30日 新能源电子之功率半导体篇—— 新能源时代，国产功率半导体弯道超车新机遇 ■功率半导体的技术趋势与应用领域。功率半导体是电力电子设备实现电力转换和电路控制的核心元器件，主要包括功率分立器件、功率模块和功率IC。功率半导体经历了一系列创新发展，围绕工艺和材料持续迭代升级，器件性能不断增强。根据电压、功率和频率的不同选择，功率半导体广泛应用于新能源汽车、光伏、风电、储能、充电桩、电网、铁路、工业、通信、消费电子等领域。 ■需求端：新能源变革带动功率半导体需求持续增长。新能源从生产、传输、储存到应用带来了功率半导体的增量需求，新能源变革为功率半导体带来巨大增长空间，预计功率半导体市场将从2021年的461亿美元增长到2027年的596亿美元，复合年均增长率为4.4%。传统领域功率半导体增速较慢，新能源领域增速较快，以功率模块为例，新能源汽车将从2021年的18.15亿美元增长到2027年的 75.46亿美元，CAGR26.8%；光伏将从2021年的3.69亿美元增长到2027年的 5.74亿美元，CAGR7.7%；风电将从2021年的4.41亿美元增长到2027年的8.00亿美元，CAGR10.4%；储能将从2021年的2亿美元增长到2027年的11亿美元，CAGR30.3%。 ■供给端：欧美日全面领先，国内厂商快速崛起。在泛新能源市场快速增长之前，我国功率半导体产业由于能力不足，一直集中在中低压和低频的电子产品领域，产品价值量较低。根据Omdia数据，2021年全球前十大功率器件厂商没有一家中国企业。随着我国功率半导体工艺制造水平的提高和下游新能源市场的快速发展，国内功率半导体厂商在这些新兴领域的竞争力明显增强。根据我们估算，国产功率模块在全球新能源汽车市场份额达到37%。预计随着泛新能源领域的快速增长，以IGBT、MOSFET为代表的功率半导体产业将实现国产替代。建议我行重点关注下游客户泛新能源领域占比较高的国产功率半导体厂商。（具体可参见表5） ■业务建议。从过去二十年的趋势来看，全球半导体行业经历了互联网泡沫、经济危机、新冠疫情的短期波动，长期呈现出持续增长态势。功率半导体受益于新能源变革，是未来十年半导体行业持续发展的重要力量。尽管新能源行业进入调整期，考虑到新能源整体渗透率较低，未来潜在市场空间广阔，功率半导体仍可积极布局。（本部分有删减，招商银行各行部请参照文末联系方式联系研究院） ■风险提示。（1）下游新能源行业阶段性调整带来供需过剩的风险。（2）地缘政治和贸易摩擦的风险。（3）技术更新迭代的风险。（4）市场竞争加剧的风险。 （5）主要原材料供应集中度高的风险。（6）知识产权纠纷的风险。 胡国栋行业研究员 ：0755-83169269 ：huguodong@cmbchina.com 鲁皇江南通分行风险管理部 ：0513-55000224 ：lhj2016@cmbchina.com 相关研究报告 《新能源电子之被动元件篇——电动化时代，被动元件的新机 遇》 目录 1.功率半导体的技术趋势与应用领域1 1.1功率半导体简介及分类1 1.2功率半导体围绕器件工艺、集成、材料迭代升级3 1.3功率半导体应用领域广泛6 2.需求端：新能源变革带动功率半导体需求持续增长8 2.1功率半导体在新能源领域受益显著8 2.2分立器件：下游应用广泛，新能源增量显著11 2.3功率模块：在高压、高功率、大电流领域扮演重要角色13 2.4功率IC：新能源相关的功率IC保持较快增长15 2.5MOSFET和IGBT：在新能源领域中最主流的功率器件16 2.6宽禁带功率器件：在高压高频领域有望取代硅基功率器件20 3.供给端：欧美日全面领先，国内厂商快速崛起22 3.1供应链向IDM一体化和大硅片方向发展22 3.2欧美日厂商先发优势，占据主要市场份额24 3.3国内厂商快速崛起，产品布局各具特色26 4.业务建议及风险提示31 4.1业务建议31 4.2风险提示32 图目录 图1：功率半导体的主要功能1 图2：功率半导体的主要类型2 图3：功率半导体器件迭代路径4 图4：MOSFET器件性能演进升级4 图5：IGBT器件性能演进升级4 图6：功率半导体器件输出功率与工作频率水平5 图7：功率半导体器件工作电压与输出功率水平5 图8：SiC、GaN与Si材料性能对比6 图9：SiC与IGBT器件在不同工况下效率对比6 图10：功率半导体的制造流程7 图11：功率半导体的应用领域7 图12：IEA净零排放情景下，新能源技术发展趋势8 图13：功率半导体在新能源各应用领域的价值量9 图14：功率半导体市场规模（按下游市场划分）9 图15：功率半导体市场规模（按器件类型划分）10 图16：功率器件市占率（电压分类，2021年）11 图17：功率器件市占率（电压分类，2027年）11 图18：功率分立器件市场规模（按应用类型划分）12 图19：功率分立器件市场结构（2021年）12 图20：功率分立器件市场结构（2027年）12 图21：功率模块的性能对比13 图22：功率模块市场规模（按应用类型划分）14 图23：功率模块市场结构（2021年）14 图24：功率模块市场结构（2027年）14 图25：功率IC市场规模（按应用类型划分）15 图26：功率IC市场结构（2020年）16 图27：功率IC市场结构（2025年）16 图28：功率MOSFET市场规模（按应用类型划分）17 图29：MOSFET市场应用类型占比（2021年）18 图30：MOSFET市场器件结构占比（2021年）18 图31：IGBT器件市场规模19 图32：IGBT市场应用类型占比（2021年）19 图33：IGBT市场器件结构占比（2021年）19 图34：SiC在新能源领域应用路线图20 图35：SiC与GaN器件市场规模（按应用类型）21 图36：SiC与GaN器件市场规模（按器件类型）22 图37：SiC器件结构占比（2021年）22 图38：GaN器件结构占比（2021年）22 图39：功率半导体上游制造供应链23 图40：各类型功率半导体晶圆尺寸（2022年）24 图41：功率半导体市场份额（2021年）24 图42：功率IC市场份额（2021年）24 图43：功率分立器件市场份额（2021年）25 图44：功率模块市场份额（2021年）25 图45：MOSFET器件市场份额（2021年）26 图46：IGBT器件市场份额（2021年）26 图47：SiC器件市场份额（2022年）26 图48：SiC衬底市场份额（2022年）26 图49：国内功率半导体供应链27 图50：新能源汽车国内和全球销售情况30 图51：新能源乘用车功率模块厂商分布情况（2023年1-8月）30 图52：全球半导体行业长期市场前景广阔31 表目录 表1：功率分立器件性能对比2 表2：主流功率MOSFET性能对比17 表3：IGBT器件性能对比18 表4：国内功率半导体公司产品线布局对比28 表5：主要公司在各行业产品布局29 表6：国内功率半导体公司主要情况（亿元）30 功率半导体是电力电子设备必不可少的核心元器件，直接决定电力电子设备的效率和使用寿命。本篇报告围绕功率半导体的技术趋势和应用领域、功率器件的市场需求变化、功率半导体的供应格局来分析功率半导体在新能源时代的相关机会，最后阐明商业银行在功率半导体行业的业务机会与风险。 1.功率半导体的技术趋势与应用领域 1.1功率半导体简介及分类 功率半导体是电力电子设备实现电力转换和电路控制的核心元器件。功率半导体又称作电力半导体，主要用来对电力进行转换，对电路进行控制，用于改变电压或电流的波形、幅值、相位、频率等参数。功率半导体本质上是一种电力开关，能够在低阻状态下流过从几安培到几千安培的电流，能够在毫秒甚至微秒时间内对高达数千伏高电压、数千安培的大电流进行控制。功率半导体器件可用于整流（交流转换直流）、逆变（直流转换交流）、转换（直流转直流）、变频（改变交流电频率）、功率控制等。电力设备采用多个功率半导体器件按照一定的拓扑结构进行组合，就能实现负载电力转换需求。 图1：功率半导体的主要功能 资料来源：富士电机、招商银行研究院 功率半导体可以分为功率分立器件、功率模块和功率IC。早期的功率半导体是以分立器件的形式出现的，被称为功率分立器件，率先发展的是功率二极管和三极管，随后晶闸管（Thyristor）快速发展，现在MOSFET和IGBT是主流的功率分立器件。功率模块是由两个或两个以上功率分立器件按一定电路连接并进行模块化封装，实现功率分立器件功能的模块。功率IC是将功率分立器件与其控制电路、外围接口电路及保护电路等功能集成在一体的集成电路， 属于集成电路中的模拟IC。功率IC可进一步分为AC/DC、DC/DC、PMIC、驱动IC等，在电力电子设备中负责对电能的变换、分配、检测等。 图2：功率半导体的主要类型 资料来源：招商银行研究院 功率器件按器件结构可分为功率二极管、晶闸管、三极管、IGBT、MOSFET等。早期的二极管、晶闸管、三极管在结构上都由简单的PN结组成，开关速度慢，常用于低频领域。二极管具有单向导电性，用于整流、检波以及作为开关元件。晶闸管是一种能在高电压、大电流条件下工作的开关元件，被广泛应用于可控整理、交流调压、逆变器和变频器等电路中，是典型的以小电流控制大电流的电子元件。晶体管是电子电路的核心元件，主要包括MOSFET和IGBT，具有高频率、低损耗特点。MOSFET开关频率高，更适用于高频中高压领域；IGBT耐压很高，更适用于高压中低频领域。 器件类型可控性驱动形式电压频率特点应用领域 表1：功率分立器件性能对比 二极管不可控电流驱动低于1V 100-3000V, 电压较小，仅单向导通，工作频率低 晶闸管 半控型 电压驱动 <10kHz 关器件，工作频率低 器 三极管 全控型 电流驱动 20-1700V, 耐压较高，导通电阻低，有 放大器电路、电动 体积小，耐压高，可作为开 电子设备、工业工业、UPS、变频 <20kHz线性放大功能，工作频率低机 MOSFET全控型电压驱动 20-1200V， 100-1000kHz 不能放大电压、可作为开关器件、工作频率高、适用于高频中高压领域 消费电子、通信、工控、汽车电子、新能源 IGBT全控型电压驱动 600-6500V, <100kHz 可改变电压、可作为开关器件、工作频率高、适用于高压中低频领域 轨道交通、工控、新能源、汽车电子 资料来源：英飞凌、Yole、招商银行研究院 功率半导体还可以按功率处理能力、驱动类型、可控性、衬底材料等多种方式划分。按照功率处理能力，可分为低压小功率器件、中功率器件、大功率器件和高压特大功率器件。按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，可分为电流驱动型和电压驱动型。按照控制电路信号对器件的控制程度，可分为不可控型、半控型和全控型。按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。按照功率器件衬底材料的不同，可分为以锗和硅为代表的第一代半导体材料、以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的第二代化合物半导体材料、以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代宽禁带半导体材料。 1.2功率半导体围绕器件工艺、集成、材料迭代升级 功率半导体经历了一系列创新发展过程。1956年，美国通用电气公司开发出第一款晶闸管，标志着第一代功率半导体器件的诞生，晶闸管是半控型器件，体积大效率低，工作频率一般低于400Hz。1962年，通用电气开发出门极可关断的GTO晶闸管，1969年日立开发出电力场效应晶体管功率MOSFET，GTO、BJT、MOSFET为代表第二代功率半导体器件迅速发展，工作频率达到兆赫级。1984年，通用电气推出绝缘栅极双极型晶体管IGBT，其结合了MO