物联网驱动的电动化和智能化带来功率半导体新周期
（一）复盘2020-2021年功率半导体周期：涨价与隐忧
2019年底开启的5G手机渗透率提升成为整个半导体行业需求动能的来源，市场对于5G手机在未来几年的强劲增长充满信心，但是进入2020年全球范围内出现新冠疫情，5G手机的需求爆发被按下了暂停键。随着疫情的进一步发展，居家办公带来了远程服务器的巨量需求，沉寂十年的笔电市场迎来大幅增长，同时双碳政策推动下，国内电动车的高速发展进一步刺激了对于功率半导体的需求。在需求端一片向好的增长趋势下，芯片供给端由于受到疫情的影响大幅缩水，全球功率半导体封测重镇马来西亚无限期封城无疑对功率半导体行业雪上加霜。
由于功率半导体供需错配，本来产品价格较低的功率器件在晶圆厂产能供给的优先权就比较低，晶圆产能供给紧张的时候代工和封测成本端大幅上升，各大功率半导体厂商纷纷大幅上调产品价格，预计行业平均价格涨幅超过20%，部分产品甚至价格上涨了7-8倍。根据我们对于2020-2021年这一轮周期的复盘，行业平均毛利率在2021年Q3创近十年历史新高，行业接近29%的增速高点也远超上一轮周期的增速高点。但是疯涨的功率半导体行情也让市场对于2022年的价格回调压力充满担忧，大家对于2018年Q4开始的下行周期中价格下跌的惨烈仍历历在目，尤其是消费类相关的功率半导体价格，2022年跌价压力较大。
（二）功率半导体下游应用全面开花，电动车和光伏/风电新能源领域需求激增
在全球分立器件的下游需求中汽车占比最高，达到35%左右，国内市场中汽车行业对于分立器件的用量占比为27%。以MOSFETs为代表的中低压分立器件广泛应用于汽车的电动天窗、雨刮器、安全气囊、后视镜等领域，纯电汽车的车载充电机（OBC）、DC-DC转换器对于MOSFETs的需求进一步增加。另外汽车车灯转为LED大灯以后，MOSFETs的需求量从原来每个车灯需要1颗增加至18颗，很多造车新势力热衷的车顶和侧边渐变玻璃对于MOSFETs的需求也在增长。
传统燃油车中仅有少量的IGBT单管用于发动机点火器，纯电汽车的动力系统转为电池以后，IGBT模块成为电驱系统中逆变器的标配，此外新能源汽车在车载充电机（OBC）、DC-DC升压器、电空调驱动也需要用到IGBT单管。根据产业链调研与我们测算，四驱版本的纯电车型前后双电机各需要18颗IGBT，车载充电机需要4颗，电动空调8颗，合计一台电动车需要48颗IGBT芯片。
根据Strategy Analytics测算，传统燃油车功率半导体用量仅为71美元，48V轻混车型功率半导体价值量增值至90美元，而纯电车型的功率半导体用量增幅高达364%，大幅上涨至330美元。
双碳政策下，以光伏和风电为代表的新能源发电的装机量大幅增长，太阳能发电中DC-DC直流转换器和光伏逆变器均需要用到IGBT作为功率开关。其中逆变器的效率很大程度上取决于设计使用的元器件，元器件的性能可以由功率损耗来衡量，功率损耗分为导通损耗和开关损耗。相较于MOSFETs而言，IGBT适用于较低开关频率和大电流的应用，大电流下IGBT的导通损耗比MOSFET更低，MOSFET有能力满足高频、小电流的应用，具有更低的开关损耗，更适合开关频率在100KHz以上的逆变器模块。从逆变器类别来看，由于微型及单相逆变器功率较小，一般采用IGBT单管方案为主，高功率三相逆变器则采用IGBT模块，低功率三相逆变器则两种方案都有采用。目前集中式光伏逆变器成本在0.16-0.17元/W，组串式光伏逆变器成本在0.2元/W左右，总体光伏逆变器成本在0.2元/w，IGBT模块占光伏逆变器的成本比例约为15%，每GW对应功率半导体的价值量约为0.3亿-0.4亿元。
除了电动车和光伏发电两大驱动力以外，智能家居中也大量用到功率半导体的分立器件，比如多功能扫地机器人。在一个扫地机中，可能会有不同的部分用到这样的功率分立器件：无线充电、电池管理系统、音频放大器、吸尘器、清洁系统电机控制、移动电机控制等，由于功能不同，所需要的MOS也不尽相同，大约在2-6颗不等。
（三）功率半导体行业竞争格局
全球功率半导体行业市场规模在2019年达到464亿美元，相较于上一轮高景气周期的2018年同比下滑3.53%。2020年和2021年在疫情影响全球进入“居家办公模式”，服务器和PC的强劲复苏叠加高景气的电动车和新能源发电需求刺激，功率半导体行业迎来拐点。SIA预计2021年全球半导体的销售额将达到5530亿美元，创下新高，同比增长25.6%，全球功率半导体龙头厂商英飞凌Infineon，恩智浦NXP，意法半导体 STM，安森美ON semi，2021年前三季度分别成长32.5%，31.43%，31.8%和28.5%，我们预计全球功率半导体的行业增速预计在2021年有望达到30%，市场规模将接近600亿美元。从全球功率半导体分立器件需求结构来看，汽车是需求最大的领域，占比达到35%，其次是工业和消费电子领域，需求占比分别为27%和13%。
从产品形态分类，功率半导体可以分为分立器件、模组和功率IC三大类别，一类是分立器件指单管，即1颗芯片加上封装外壳，第二类是模块，把几个单管和特定功能的电路封装在一起构成模块，第三类就是功率IC，包括交流直流转换器AC/DC，直流-直流转换器DC/DC，电源管理IC和驱动IC。2019年分立器件/模组与功率IC的市场规模分别为224亿和240亿美元，其中英飞凌是分立器件和模组市场当之无愧的全球龙头，市占率高达19%，美国功率半导体大厂安森美市占率为8.4%，功率IC市场占有率最高的是德州仪器TI，市场份额为16%，其次是英飞凌和ADI，占比分别为7.7%和7.2%。
根据Omdia的统计，2019年国内功率半导体市场规模约为177亿美元，约占全球市场需求的38%，2020年随着半导体行业复苏进入新一轮高增长周期。目前国内功率半导体分立器件厂商营收规模最大的是闻泰科技收购的安世半导体，2020年营收达到96.4亿元人民币，2021年大幅成长53.3%，功率半导体营收增至147.8亿元。我国本土IDM厂商中功率半导体营收规模最大的厂商是华润微电子，2020年公司功率半导体营收达到28亿元，预计2021年营收同比增长49.3%，超过41亿元人民币。Fab-less模式为代表的MOSFET厂商无锡新洁能和IGBT模组厂商嘉兴斯达半导在2021年实现了更快的成长，2021年营收两者预计将分别大增64.8%和71.6%。前十大国内功率半导体厂商2021年营收规模合计达到362.5亿元，同比成长57.4%，相较于国内集成电路产业2021年前三季度16.1%的成长速度，显示了功率半导体产业超预期的复苏态势。
国内主要的功率半导体厂商以分立器件为主，包括二极管、整流管、MOSFETs等，二极管三极管属于基本的电子元器件，这些年技术迭代较慢，价格也比较低廉，行业壁垒较低。肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的，与PN二极管不同，肖特基二极管不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体势垒原理制作的。肖特基二极管多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，例如手机和手持设备适配器、彩电的二次电源整流、高频电源整流等应用。近年来随着手机等手持设备电源适配器等快充电源小型化的市场变化，传统肖特基已不能够满足低导通电压的需求，采用沟槽结构的TMBS将成为肖特基产品的技术主流。
功率MOSFET是70年代在经典MOSFET的基础上发展而来的，主要作为功率电子开关使用。不同于经典MOSFET，功率MOSFET重点提高了功率特性，尤其是增加器件的工作电压和工作电流。功率MOSFET围绕如何解决耐压和功耗之间的矛盾产生了许多新的工艺结构，从LD MOSFET结构起步经历了VV MOSFET，VU MOSFET，VD MOSFET，SJ MOSFET（超结）,Trench MOSFET（沟槽型）, SGT MOSFET（屏蔽栅）。沟槽型MOSFET，主要用于低压（100V）领域；SGT（Shielded Gate Transistor，屏蔽栅沟槽）MOSFET，主要用于中低压（200V）领域；SJ-MOSFET，即超结MOSFET，主要在高压（600V-800V）领域应用。SGT MOSFET（Shield Gate Trench MOSFET）是一种新型的功率半导体器件，SGT工艺比普通沟槽简单，开关损耗小。再加上SGT比普通沟槽工艺挖掘深度深3-5倍，可以横向使用更多的外延体积来阻止电压，这也使得SGT的内阻比普通MOSFET低2倍以上，所以SGT MOSFE作为开关器件应用于新能源电动车、新型光伏发电、节能家电等领域的电机驱动系统、逆变器系统及电源管理系统，是核心功率控制部件。
目前国内功率半导体厂商众多，产品线差异也比较大，营收规模较大的厂商主力产品是MOSFETs，随着电动车和光伏、风电等新能源发电领域对于IGBT的大幅需求增长，各个厂商开始逐步将产品线扩展至IGBT，部分龙头厂商已经开始布局第三代半导体SiC衬底的功率MOSFET。
根据我们的统计，目前国内在功率半导体产品布局最完善的厂商是闻泰科技（600745.SH）旗下的安世半导体，首先公司主力产品线覆盖了晶体管（包括保护类器件ESD/TVS等）、Mosfet功率管、模拟与逻辑IC三大领域，小型号MOSFET居于全球排名第二，公司汽车类POWER MOSFET预计市场地位仅次于英飞凌。其次公司通过提高研发投入进一步加强了在中高压Mosfet、化合物半导体产品SiC和GaN产品布局，同时收购英国Newport晶圆厂100%股权，获得了4000片/月的IGBT产能，目前公司汉堡工厂已经开始搬入碳化硅设备，预计SiC MOSFET新品在2022年量产。
在MOSFET领域，新洁能（605111.SH）和华润微（688396.SH）在沟槽MOS，屏蔽栅SGT-MOS和超结SJ-MOS等高附加值的产品具备技术领先优势，新洁能是国内率先掌握超结理论技术，并量产SGT MOSFET及超结功率MOSFET的企业之一，是国内最早同时拥有沟槽型功率MOSFET、超结功率MOSFET、SGT MOSFET产品平台的本土企业。中低压MOSFET基本上已经由国产厂商供应为主，SGT-MOSFET的国产替代趋势已经比较明确，随着5G、AI、EV（电动汽车）等应用市场的发展，对于SGT-MOSFET的需求将持续增长。
在IGBT领域，比亚迪半导体和时代电气（03898）分别是国内供应新能源车规IGBT和轨交列车IGBT的龙头厂商，先发优势明显，士兰微（600460.SH）在家电领域应用为主的IPM模块市场占据明显优势，2021年市占率接近10%，斯达半导（603290.SH）在IGBT模组领域积累多年，目前已经切入IGBT芯片的设计，车规级IGBT模块已经大批量出货。
（四）功率半导体行业供需分析
假设2030年全球汽车销量达到1亿辆，如果50%的燃油车替换为电动车，对应约5000万辆电动车，按照单车功率半导体价值量为400美元计算，预计全球车规功率半导体市场规模达到200亿美元，如果国内电动车市场占全球的50%，那么2030年国内车规功率半导体市场空间将达到100亿美元。存量市场2021年全球功率半导体市场规模将增长至441亿美元，国内需求占全球市场份额的36%，2021年市场规模有望达到159亿美元，未来十年按照5%的复合增速测算，存量市场如工控和家电领域的需求在2030年将达到239亿美元。光伏领域对于功率半导体市场需求为30亿美元，加总以后预计到2030年国内功率半导体市场空间达到369亿美元，对应2500亿人民币左右的市场空间。
1台新能源汽车平均消耗一片8英寸硅片，其中分立器件、IGBT消耗0.4片，DMOS占0.1片，IC占了0.5片，主要是MCU和电源管理芯片，2021年新能源汽车销量为340万台，同比增长1.5倍，预计2022年国内新能源汽车销量达到500万辆，对应的增量需求为160万片8寸晶圆，折合13~14万片月产能，如果2025年国内电动车销量达到1000万辆，对应增量需求为54-55万片月产能。
截止2020年12年全球晶圆产能约为2082万片/月（等效8寸），中国大陆晶圆产能占比为15.3%，预计为318.4万片/月（等效8寸），国内主要晶圆厂12寸产能约100万片/月，8寸产线约为115万片/月。其中我们统计国内所有功率半导体厂商新增产线的产能增量，预计2022年全年新增功率半导体产能为18万片/月（等效8寸），如果假设2022年国内新增电动车销量为200万台，全球新增500万台电动车，所需要对应约250万片8寸的年产能，对应需要新增20.8万片月产能，而全球功率半导体的新增产能几乎都在中国，仅仅满足全球的电动车的需求新增供给尚且不够，如果考虑光伏需要的产能则供应缺口进一步增加。
本文编选自“中信建投证券研究”微信公众号，作者：刘双锋，智通财经编辑：陈筱亦
