半导体研究系列之五（功率半导体）：电力电子核心，国产替代大势所趋

2019年04月07日 半导体行业 半导体研究系列之（功率半导体）：电力电子核心，国产替代大势所趋 行业专题研究 吴吉森（分析师） 02168865595 wujisenxsdzqcn 证书编号：S0280518110002 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 推荐（维持评级） 行业指数走势图 1 8 15 22 29 36 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。 43 201804 相关报告 201807201810201812201904 半导体沪深300 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543，其中，2017年全球功率半导体器件市场规模为14401亿美元，预计到2022年市场规模将达到17488亿美元，复合增长率为396。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。 受益标的：捷捷微电（300623）国内晶闸管龙头企业，在晶闸管领域率先打破国外垄断；扬杰科技（300373）：内生外延并举，切入SiC领域；华微电子（600360）：老牌功率半导体企业，新兴领域不断突破；士兰微 （600460）：产能加速释放，积极布局GaN领域；闻泰科技（600745）：拟并购安世半导体，未来成长可期；斯达股份：国内IGBT领军企业，受益于下游行业大发展；陆芯科技：新一代功率半导体技术领航企业。 风险提示：行业竞争加剧、研发不及预期、国产替代进度不及预期 《半导体研究系列之四（存储器）：自主可控，存储之道》20190309 《半导体研究系列之三（材料）半导体产业基石，国产替代正当时》20180410 《半导体研究系列之二（设备）星星之火，燎原之势渐起》20180410 《半导体研究系列之一大国重器，进击的中国半导体产业》20180401 目录 1、功率半导体是系统应用核心器件，战略地位突出5 11、功率半导体是电能转换与电路控制的核心512、功率半导体分类5 121、二极管：最简单的功率器件7122、MOSFET：高频开关，功率器件最大市场7123、IGBT：电力电子行业“CPU”9 13、功率IC：功率器件与其他元器件集成，用于小电流环境10 2、新兴应用不断涌现，功率半导体市场持续向好10 21、工业领域对电机需求不断提升1122、汽车电子价格提升，新能源汽车爆发增长1223、节能环保意识增强，智能电网普及1424、5G爆发在即，通信行业对功率半导体需求激增1425、消费电子领域TypeC接口普及，主板升级换代15 3、功率半导体欧美日三足鼎立，国产替代正当时16 31、欧美日三足鼎立，中国厂商实力有待提高1632、供需缺口大，中国功率半导体依赖进口1733、二极管：市场集中度低，有望率先实现国产替代2034、MOSFET：中低压市场有望替代，高压市场取得突破2135、IGBT：自给率不足10，国内厂商逐个突破21 4、新材料功率半导体大有可为，国内企业有望弯道超车24 41、碳化硅功率器件前景广阔，欧美日三分天下2542、氮化镓（GaN）：起步较晚，衬底成本高昂28 5、受益标的：30 51、捷捷微电（300623）：国内晶闸管龙头企业，打破国外厂商垄断3052、扬杰科技（300373）：内生外延并举，切入SiC领域3153、华微电子（600360）：老牌功率半导体企业，新兴领域不断突破3254、士兰微（600460）：产能加速释放，积极布局GaN领域3355、闻泰科技（600745）：拟并购安世半导体，未来成长可期3456、斯达股份：国内IGBT领军企业，受益于下游行业大发展3557、陆芯科技：新一代功率半导体技术领航企业35 6、风险提示36 图表目录 图1：功率器件分类6图2：功率半导体应用领域7图3：2017年功率半导体下游市场结构占比7图4：二极管结构示意图7图5：二极管单向导通示意图7图6：MOSFET结构图8图7：全球MOSFET市场规模稳步增长8图8：2022年MOSFET终端应用占比8图9：IGBT结构图9图10：IGBT主要应用领域9 图11：全球IGBT市场规模持续增长10图12：2017年功率半导体终端市场格局11图13：2017年功率半导体终端市场格局11图14：全球功率半导体器件市场规模稳步增长11图15：工业功率半导体市场规模稳步增长12图16：电动汽车主要功率模块图解12图17：新能源汽车出货量快速增长13图18：汽车电子成本构成（美元）13 图20：充电桩安装数量快速增长14图21：充电桩功率半导体市场规模快速增长14图22：全球新增光伏装机量预测14图23：全球光伏功率半导体市场规模预测14图24：全球通信设备市场规模稳步增长15图25：通信功率半导体市场规模稳步增长15图26：TypeC接口设备出货量预测16图27：TypeC接口对MOSFET需求测算16图28：消费电子功率半导体市场规模稳步增长16图29：2017年功率半导体竞争格局情况17图30：2017年全球功率器件供给按照区域划分占比18图31：2017年全球功率器件需求按区域划分占比18图32：8寸晶圆价格持续上涨18图33：二极管市场规模预测稳步增长20图34：二极管进出口数量逐步减少20图35：英飞凌营收稳步增长22图36：英飞凌净利润快速增长22图37：2018年英飞凌营收结构（按地区）23图38：2018年英飞凌营收结构（按产品）23图39：中国IGBT市场供需对比24图40：SiC二极管与Si二极管对比26图41：SiC与GaN应用领域26图42：碳化硅功率器件市场规模（按应用分类）27图43：SiC上下游产业链28图44：氮化镓功率器件市场规模（按应用分类）28图45：氮化镓功率器件厂商29图46：捷捷微电营业收入稳步增长30图47：捷捷微电净利润稳步增长30图48：扬杰科技营业收入持续增长31图49：扬杰科技净利润增长情况31图50：华微电子营业收入稳步增长32图51：华微电子归母净利润快速增长32图52：士兰微营业收入稳步增长33图53：士兰微归母净利润增长情况33图54：闻泰科技净利润快速增长34图55：安世半导体净利润快速增长34图56：斯达股份营收快速增长35图57：斯达股份营利润快速增长35 图19：汽车功率半导体市场规模错误未定义书签。 表1：电力转换的四种基本模式5表2：功率器件各项参数及其应用领域对比6表3：中国厂商与国外厂商对比17表4：功率器件交货期19表5：国内可用于功率器件制造的晶圆线产能19表6：国内新增晶圆产线20表7：2017年中国MOSFET市场格局21表8：全球IGBT供应商排名22表9：全球IGBT供应商排名（按电压）23表10：半导体材料对比25表11：Si基器件与SiC器件价格对比27表12：公司IGBT应用领域和性能36 1、功率半导体是系统应用核心器件，战略地位突出 11、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12V36V，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。 表1：电力转换的四种基本模式 转换形式 代表设备 实现功能 ACAC 变压器 升降压，常用在输配电系统中 ACDC 整流器 将交流电转化为直流电，常用在电器电源中 DCAC 逆变器 将直流电转化为交流电，常用在变频器中 DCDC 稳压器 斩波，常用在仪器仪表中 资料来源：基业长青、新时代证券研究所 12、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