【招银研究|行业深度】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
（以下内容从招商银行《【招银研究|行业深度】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》研报附件原文摘录）
作者：招商银行研究院 南通分行 ■ 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，CAGR 26.8%；光伏将从2021年的3.69亿美元增长到2027年的5.74亿美元，CAGR 7.7%；风电将从2021年的4.41亿美元增长到2027年的8.00亿美元，CAGR 10.4%；储能将从2021年的2亿美元增长到2027年的11亿美元，CAGR 30.3%。 ■ 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。 相关报告 《新能源电子之被动元件篇——电动化时代，被动元件的新机遇》 正文 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。 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。 表1：功率分立器件性能对比资料来源：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MOSFET的驱动功率小、开关速度快和BJT通态压降小、载流能力大的优点，成为现代功率半导体的主要器件。1989年日本三菱推出了搭载控制和保护功能的IGBT-IPM智能功率模块。1997年日本富士电机推出超结SJ-MOSFET，从结构上进一步突破硅材料的性能界限。 MOSFET和IGBT成为当前主流的功率半导体器件。早期的二极管、三极管和晶闸管，其开关速度慢，常用于低频领域。二极管仅具备单向导通；晶闸管可正向触发导通，具备开关特性；三极管依靠小电流控制开关通断，有线性放大功能。当前主流的功率半导体是MOSFET和IGBT。MOSFET器件开关频率高，在高耐压下导通电阻会很高，更适用于高频中高压领域（100-1000KHz, 20-1200V）；IGBT器件耐压很高，作为MOSFET+BJT结构的复合型器件，相比MOSFET具有串联结构耐压更高、导通电阻低、能放大电流的优势，更适用于高压中低频领域（＜100KHz, 600-6500V）。 图3：功率半导体器件迭代路径资料来源：Yole、招商银行研究院 功率半导体器件工艺持续迭代创新，性能不断升级。功率半导体器件从不可控制、电流控制到电压控制，从小功率、中功率、大功率到超大功率，从分立器件、功率模块、智能功率模块到双列直插智能功率模块的几条路径持续升级。从功率半导体器件结构来看，MOSFET从平面型、沟槽型、超级结、屏蔽栅器件结构不断升级，器件耐压性和开关频率性能大幅提升；IGBT从穿通、非穿通、场截止和平面栅、沟槽栅两条路径升级，器件结构升级带来耐压、降低损耗和导通电阻性能不断提升。 图4：MOSFET器件性能演进升级资料来源：长江证券、招商银行研究院 图5：IGBT器件性能演进升级资料来源：长江证券、招商银行研究院 功率半导体集成度持续提升，从分立器件向集成化模块演进。相比单个功率分立器件，集成度更高的功率模块和功率IC能够实现高可靠、高集成、高效率的性能，更适应于高压大电流应用场景。功率模块由多个分立的功率单管按特定功能串、并联组成，能简化外部连接电路，可靠性更高。以IGBT为例，IGBT模块的最高电压一般会比IGBT单管高1-2个等级。功率IC通常由功率器件及其驱动电路、保护电路等外围电路集成而成，主要包括各类电源管理芯片(PMIC)。相比功率分立器件和功率模块，功率IC集成度更高，但适用电流电压范围较低，常应用于消费电子领域。 图6：功率半导体器件输出功率与工作频率水平资料来源：招商银行研究院 图7：功率半导体器件工作电压与输出功率水平资料来源：Yole、招商银行研究院 功率半导体传统硅基材料到宽禁带材料，器件性能大幅提升。随着硅基功率半导体器件工艺结构提升逐渐接近理论极限值，利用宽禁带材料制造功率半导体器件体现出比硅基材料更优异的特性。相比传统硅基，宽禁带材料在耐压和开关频率上具有更佳的性能，未来将逐步替代硅基功率器件成为高压高频应用领域的市场主流。其中，SiC器件在导通电阻、阻断电压和结电容方面的性能显著优于传统Si基功率器件，更容易实现小型化、更耐高温工作，更适用于高压、高能量密度应用场景，未来可以在高压领域替代IGBT功率器件，在车载应用场景下SiC比IGBT器件在不同工况下效率明显提升。GaN器件可以实现更小的导通电阻和栅极电荷，具有更高的开关频率，更适合于高频应用场景，但是在高压高功率场景不如SiC器件。GaN器件有望在中低功率领域替代二极管、MOSFET等硅基功率器件。 图8：SiC、GaN与Si材料性能对比资料来源：招商银行研究院 图9：SiC与IGBT器件在不同工况下效率对比资料来源：Infineon、招商银行研究院 1.3功率半导体应用领域广泛 功率半导体产业链包括上游半导体制造、中游电源模块以及下游终端系统应用。功率半导体上游主要包括设计、制造到封装测试，包括晶圆、外延、制造、切割、封装等工艺环节。功率半导体中游主要是电源转换器或电源模块，下游应用领域涉新能源相关行业及所有电子行业领域。从功率半导体制造环节来看，通过区熔法（CZ）和直拉法（FZ）得到单晶硅，经过切割抛光后获得晶圆衬底，衬底进行外延工艺加工生产外延片，根据器件结构进行薄膜沉积、涂胶、光刻、刻蚀、离子注入、清洗等多道工艺获得裸片晶圆，裸片晶圆经过封装成为功率器件，多个裸片按一定电路连接并进行模块化封装为功率模块。最后，再将封装好的功率单管或功率模块器件应用到逆变器等电源模块中。 根据电压、功率和频率不同，功率半导体应用于不同行业场景。功率半导体可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、电机、智能家电、消费电子、数据中心、UPS等领域。根据电压、功率、频率等性能差异，功率半导体适用于不同的场景。其中，IGBT耐压高，常用于新能源汽车、风光储逆变器、智能电网、轨道交通等高压场景；MOSFET的高频特性优、成本低，常用于消费电子、工业、通讯、汽车电子、电动工具等中低功率场景；SiC具备高耐压性和高导热性，在新能源汽车的高电压平台和光伏逆变器等领域有望逐步替代IGBT。相比单管功率分立器件，集成度更高的功率模块和功率IC能够实现高可靠、高集成、高效率，在高压大电流场景应用广泛。 图10：功率半导体的制造流程资料来源：Yole、招商银行研究院 图11：功率半导体的应用领域资料来源：Yole、招商银行研究院 需求端：新能源变革带动功率半导体需求持续增长 2.1 功率半导体在新能源领域受益显著 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。光伏和风电是目前新能源发电增量的主要来源，在功率半导体技术的推动下，光伏和风电保持迅猛发展势头。根据IEA净零排放情景估算，预计到2030年，全球光伏新增装机量将达到4200GW，风电新增装机量将达到2400GW。在新能源电能的输电过程中，光伏发电的间歇性以及风电的不规则频率都会增加电网传输的复杂性，柔性输电是电网必须具备的能力，功率半导体保障了新能源电能的稳定传输。储能系统能够灵活和精准地调节电网电量和频率，根据IEA预计到2030年，电网储能新增装机量将达到660GW，功率半导体能够在效率、性能和系统成本等方面为储能系统提供创新解决方案。在新能源电能的应用端，新能源汽车、高速铁路是交通领域的典型应用，IEA预计到2030年全球新能源汽车销量超过4000万辆。相应配套的充电基础设施也在迅猛增长，IEA预计到2030年充电桩新增装机量达到4000万个。 图12：IEA净零排放情景下，新能源技术发展趋势资料来源：IEA、招商银行研究院 新能源变革为功率半导体带来巨大增长空间。无论是新能源电能的发电端、传输管道还是用电端，每次电力变换均需用到功率半导体。凭借支持高电压、大电流的特性，功率半导体可应用于新能源的变频、变压、整流和功率控制等阶段，提升新能源电能的利用效率。根据英飞凌的预计，在光伏领域，功率半导体的价值量为1500-5000欧元/MW；在风电领域，功率半导体的价值量为2000-3500欧元/MW；在储能领域，功率半导体的价值量为2500-3500欧元/MW；在充电桩领域，功率半导体的价值量为100-5000欧元/桩；在电解制氢领域，功率半导体的价值量为500-2000欧元/MW。相应地，IGBT和SiC等中高压功率器件用量将大幅增加。 图13：功率半导体在新能源各应用领域的价值量资料来源：英飞凌、招商银行研究院 受益于各行业电动化发展，功率半导体实现稳步增长。高效可靠的功率半导体和逆变器技术是实现各行业电动化的关键所在。随着新能源的深入发展，能源、交通、工业、通信、消费电子、计算、医疗等领域的电动化变革快速推进，相关领域的功率半导体需求快速增长。根据Yole的分析，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%。 图14：功率半导体市场规模（按下游市场划分）资料来源：Yole、招商银行研究院 功率模块受益于新能源行业发展，市场增速显著快于行业整体增速。根据Yole的分析，功率IC依然占据整体市场份额的一半，将从2021年的256.3亿美元增长到2027年的290.3亿美元，复合年均增长率为2.1%；功率分立器件增速略快于功率IC，将从2021年的141.5亿美元增长到2027年的171.6亿美元，复合年均增长率为3.3%；功率模块能够实现高可靠、高集成、高效率的性能，在高压大电流场景应用广泛，受益于新能源汽车、光伏、风电的快速增长，功率模块将从2021年的62.7亿美元增长到2027年的134.0亿美元，市场份额从13.6%增长到22.5%，复合年均增长率为13.5%。 图15：功率半导体市场规模（按器件类型划分）资料来源：Yole、招商银行研究院 新能源行业高压需求快速增长，高压功率器件占比持续提升。新能源汽车持续提升充电功率、缩短充电时间，电压平台将从400V提升到800V、1000V甚至更高的水平，高电压成为了新能源汽车行业的发展趋势。光伏系统电压提升是降低平准化度电成本（LCOE）的重要途径，高电压系统线损更低、系统效率更高，光伏系统电压从600V提升到1000V、1500V高压系统成为大型光伏项目的发展趋势。新能源行业高电压需要，带动上游功率器件高压器件占比持续提升。根据Yole的分析，中低压功率器件的市场占有率将持续下降，40V功率器件市占率从2021年的23%下降到2027年的16%，100V功率器件市占率从2021年的23%下降到2027年的16%；高压功率器件的市场占有率将持续提升，600V功率器件市占率从2021年的46%提升到2027年的49%，1200V功率器件市占率从2021年的11%提升到2027年的20%，1700V功率器件市占率从2021年的2%提升到2027年的3%。 图16：功率器件市占率（电压分类，2021年）资料来源：Yole、招商银行研究院 图17：功率器件市占率（电压分类，2027年） 资料来源：Yole、招商银行研究院 2.2 分立器件：下游应用广泛，新能源增量显著 传统行业功率分立器件市场增速放缓，新能源相关行业成为推动功率分立器件市场持续增长的主要动力。功率分立器件的应用领域已从传统的工业控制、家电、通信、消费电子、轨道交通领域拓展到新能源汽车、光伏、风电、充电桩、储能等新能源领域。根据Yole的分析，功率分立器件将从2021年的141.5亿美元增长到2027年的171.6亿美元，复合年均增长率为3.3%。传统的消费电子、家电、通信依然占据较大市场份额，但增速已经放缓，新能源行业成为推动功率分立器件持续增长的主要动力。汽车是规模最大的细分市场，汽车市场将从2021年的38.4亿美元增长到2027年的51.8亿美元，复合年均增长率为5.12%。光伏市场将从2021年的2.05亿美元增长到2027年的3.17亿美元，复合年均增长率为7.5%。充电桩市场将从2021年的1.83亿美元增长到2027年的3.21亿美元，复合年均增长率为9.8%。UPS市场将从2021年的3.58亿美元增长到2027年的4.52亿美元，复合年均增长率为3.9%。风电市场将从2021年的0.71亿美元增长到2027年的0.85亿美元，复合年均增长率为3.1%。 图18：功率分立器件市场规模（按应用类型划分）资料来源：Yole、招商银行研究院 硅基MOSFET是功率分立器件市场最主要的产品类型。根据Yole的预计，硅基MOSFET将从2021年的85.1亿美元增长到2027年的91.5亿美元，复合年均增长率为1.2%。IGBT主要以高压功率模块产品为主，IGBT分立器件将从2021年的13.7亿美元增长到2027年的14.5亿美元，复合年均增长率为1.0%。整流器（Rectifier）保持较快增长，将从2021年的36.1亿美元增长到2027年的46.1亿美元，复合年均增长率为4.1%。第三代半导体材料功率器件将实现高速增长，SiC MOSFET将从2021年的0.86亿美元增长到2027年的3.85亿美元，复合年均增长率为28.4%；GaN将从2021年的0.52亿美元增长到2027年的9.61亿美元，复合年均增长率为62.9%。 图19：功率分立器件市场结构（2021年）资料来源：Yole、招商银行研究院 图20：功率分立器件市场结构（2027年）资料来源：Yole、招商银行研究院 2.3 功率模块：在高压、高功率、大电流领域扮演重要角色 功率模块由多个功率分立器件按特定的功能封装组成。相比功率分立器件，功率模块具有简化电路设计、降低成本、提升功率密度、提升可靠度的优势，更适合高压大电流场景。常见的功率模块包括IGBT模块、MOSFET模块、SiC模块、二极管、SiC二极管和IPM（智能功率）模块等。 图21：功率模块的性能对比资料来源：ROHM、招商银行研究院 随着新能源行业向高功率、高电压、大电流方向持续发展，功率模块市场增速远高于其他功率器件。功率模块在高压高功率领域具有较大优势，根据Yole的分析，功率模块将从2021年的62.7亿美元增长到2027年的134.0亿美元，复合年均增长率为13.5%。功率模块的应用领域从传统的工业、家电、轨道交通、电力领域拓展到新能源汽车、光伏、风电、充电桩、储能、UPS等新能源领域。汽车是规模最大的细分市场，汽车市场将从2021年的18.15亿美元增长到2027年的75.46亿美元，复合年均增长率为26.8%。充电桩是增速最高的细分市场，充电桩市场将从2021年的0.27亿美元增长到2027年的2.28亿美元，复合年均增长率为42.3%。其他新能源相关领域增速也高于行业增速，光伏市场将从2021年的3.69亿美元增长到2027年的5.74亿美元，复合年均增长率为7.7%；风电市场将从2021年的4.41亿美元增长到2027年的8.00亿美元，复合年均增长率为10.4%；储能市场将从2021年的2亿美元增长到2027年的11亿美元，复合年均增长率为30.3%；UPS市场将从2021年的1.96亿美元增长到2027年的3.04亿美元，复合年均增长率为7.5%。 图22：功率模块市场规模（按应用类型划分）资料来源：Yole、招商银行研究院 IGBT模块和SiC MOSFET模块成为未来高功率场景主要解决方案。IGBT模块凭借高压大电流特性，在新能源汽车、光伏、风电、轨道交通、智能电网、充电桩等领域广泛应用，IGBT模块将从2021年的48.92亿美元增长到2027年的79.35美元，复合年均增长率为8.4%。SiC MOSFET模块相比IGBT模块，开关速度更快、功率密度更高、高频性能更好，SiC MOSFET模块将从2021年的7.48亿美元增长到2027年的47.59美元，复合年均增长率为36.1%，成为增速最快的功率模块器件。MOSFET模块应用于相对较低的电压和功率系统，MOSFET模块将从2021年的3.76亿美元增长到2027年的4.44美元，复合年均增长率为2.8%。 图23：功率模块市场结构（2021年）资料来源：Yole、招商银行研究院 图24：功率模块市场结构（2027年）资料来源：Yole、招商银行研究院 2.4 功率IC：新能源相关的功率IC保持较快增长 功率IC隶属于模拟芯片，是一种可实现功率转换和控制的高集成度半导体芯片。功率IC可以实现数字控制、模拟控制、混合控制等多种控制方式，同时也可以实现多种保护功能，如过流保护、过压保护、过温保护等。功率IC具有体积小、功耗低、易于设计和使用等优点。功率IC种类繁多，主要包括AC/DC、DC/DC、电源管理（PMIC）、驱动IC，其它还包括电池管理芯片（BMIC）、栅极驱动芯片（Gate Driver）、低压差调节器芯片（LDO Regulator）、线性调节器芯片（Linear Regulator）、热插拔芯片（Hot Swap）、单片功率级芯片（Monolithic Power Stage）、多片功率级芯片（Multi-Chip Power Stage）、功率因素校正芯片（Power Factor Corrector）、以太网供电芯片（Power Over Ethernet）、电压监控芯片（Voltage Supervisor）、参考电压（Voltage Reference）等。 图25：功率IC市场规模（按应用类型划分）资料来源：Omdia、招商银行研究院 随着新能源应用领域不断拓展，相关功率IC市场增速更快。功率IC主要应用在汽车、计算存储、消费电子、工业、有线通信、无线通信等领域，根据Omdia的分析，功率IC市场将从2020年的251.68亿美元增长到2025年的340.59亿美元，复合年均增长率为6.2%。由于新能源汽车快速发展，汽车成为增速最高的细分市场，汽车市场将从2020年的48.27亿美元增长到2025年的80.61亿美元，复合年均增长率为10.8%。工业市场将从2020年的58.40亿美元增长到2025年的85.24亿美元，复合年均增长率为7.9%。计算存储市场将从2020年的33.87亿美元增长到2025年的42.82亿美元，复合年均增长率为4.8%。消费电子市场维持平稳，将从2020年的34.38亿美元增长到2025年的34.33亿美元，复合年均增长率为0%。有线通信市场将从2020年的10.07亿美元增长到2025年的14.83亿美元，复合年均增长率为8.1%。无线通信市场将从2020年的66.70亿美元增长到2025年的82.75亿美元，复合年均增长率为4.4%。 新能源相关的功率IC市场保持较快增长。电源管理PMIC和DC-DC开关稳压器依然是市场份额最大的功率IC芯片。新能源相关的功率IC增速更快，其中电池管理芯片（BMIC）从2020年的21.01亿美元增长到2025年的34.67亿美元，复合年均增长率为10.5%；栅极驱动芯片（Gate Driver）从2020年的14.97亿美元增长到2025年的24.50亿美元，复合年均增长率为10.4%。 图26：功率IC市场结构（2020年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图27：功率IC市场结构（2025年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 2.5 MOSFET和IGBT：在新能源领域中最主流的功率器件 功率MOSFET以及IGBT，是功率分立器件市场中最主要的两类器件。根据Yole的数据，2021年全球MOSFET器件市场规模为88.89亿美元，占比43.6%，2021年全球IGBT器件市场规模为62.61亿美元，占比30.7%。随着新能源汽车、光伏、风电、储能、充电桩等应用需求增长，MOSFET和IGBT器件市场将持续扩大。MOSFET开关频率高，在高频特性优于IGBT，且成本上更具优势，更适用于新能源高频中高压领域；IGBT耐压很高，更适用于新能源高压中低频领域。 MOSFET全称金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。1970年代平面型功率MOSFET发展起来，1980年代沟槽型功率MOSFET快速发展，1990年代超级结MOSFET的出现打破传统“硅限”以满足大功率和高频化的应用需求。从器件内部结构来看，MOSFET经历从平面型、沟槽型、超级结、屏蔽栅的结构演变升级。随着材料体系升级，基于SiC、GaN的MOSFET器件具备更强性能。 表2：主流功率MOSFET性能对比资料来源：基业常青、招商银行研究院 MOSFET在传统市场增速放缓，增速较快领域是新能源汽车和工业。MOSFET器件主要应用在汽车、计算存储、消费电子、工业、有线通信、无线通信等领域，根据Omdia的分析，MOSFET市场将从2020年的74.95亿美元增长到2025年的92.07亿美元，复合年均增长率为4.2%。由于新能源汽车快速发展，汽车成为增速最高的细分市场，汽车市场将从2020年的20.61亿美元增长到2025年的35.48亿美元，复合年均增长率为11.58%。工业市场将从2020年的13.17亿美元增长到2025年的20.84亿美元，复合年均增长率为9.6%。其他市场都保持较低增长水平。 图28：功率MOSFET市场规模（按应用类型划分）资料来源：Omdia、招商银行研究院 MOSFET主要用于高频中低压场景，以分立器件为主。MOSFET开关频率高，更适合于高频中低压场景，根据Omdia的数据，汽车、计算存储、消费电子、工业应用占比分别为28%、20%、15%、16%。超级结MOSFET高压特性好，在逆变器、储能、UPS等领域有望替换IGBT。在封装类型方面，MOSEFT主要以分立器件方式为主，根据Yole的数据，MOSFET分立器件占比95.8%，MOSFET模块占比4.2%。 图29：MOSFET市场应用类型占比（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图30：MOSFET市场器件结构占比（2021年）资料来源：Yole、招商银行研究院 IGBT耐压较高，更适用于高压中低频领域。MOSFET功率器件是单极器件，导通电阻会随着电压增加而急速上升，因而难以实现耐高压、大电流。1982年，通用电气推出了结合MOSFET和BJT结构的复合型器件IGBT。IGBT兼具MOSFET输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快和BJT通态电流大、导通压降低、损耗小等优点，成为功率半导体发展方向之一。 IGBT器件结构不断升级，器件性能持续提升。IGBT器件经历七次迭代升级，在降低损耗和小型化等方面性能不断优化。IGBT器件从“穿通、非穿通、场截止”和“平面栅、沟槽栅”两个方面不断演变，在芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗、断态电压等方面不断优化，提升器件耐压、降低损耗和导通电阻。 表3：IGBT器件性能对比资料来源：ROHM、招商银行研究院 IGBT在新能源汽车、光伏、风电、储能、充电桩等新能源相关领域都有广泛应用。随着新能源汽车渗透率提升和光伏风电储能市场快速崛起，IGBT市场有望保持快速增长。根据Omdia的分析，IGBT市场将从2020年的61.92亿美元增长到2025年的125.38亿美元，复合年均增长率为15.2%。其中，IGBT中国市场占比约35%。 图31：IGBT器件市场规模资料来源：Omdia、招商银行研究院 IGBT主要用于高压大电流场景，并以IGBT模块应用为主。IGBT的耐压大电流特性适用于工业、交通、新能源领域，根据Yole的数据，IGBT在工业、交通、消费、能源应用占比分别为33%、27%、21%、16%。在封装类型方面，IGBT可分为IGBT分立器件、IGBT模块以及IPM模块三大类产品。IGBT分立器件一般由一个IGBT芯片和一个反向并联二极管组成。IGBT模组一般由多个IGBT芯片和二极管芯片以绝缘方式组装到基板上，再进行模块化封装。IPM模块一般是由IGBT芯片和驱动电路、过压和过流保护电流、温度监视和超温保护电路等外围电路集成一起的模块器件。根据Yole的数据，IGBT以模块应用为主，IGBT分立器件占比18%，IGBT模块占比82%。 图32：IGBT市场应用类型占比（2021年） 资料来源：Yole、招商银行研究院 图33：IGBT市场器件结构占比（2021年） 资料来源：Yole、招商银行研究院 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 宽禁带材料SiC、GaN器件相对硅基器件具有更佳的工作性能。以IGBT为代表的硅基器件受限于硅基材料性能，较难进一步提升各项性能。SiC功率器件在导通电阻、阻断电压和结电容方面的性能显著优于传统硅基功率器件，能够实现更高的功率体积密度、更高的功率质量密度、更高的开关频率、更高的效率，并降低冷却系统的复杂程度。在相同工作电压情况下，SiC功率器件厚度更薄、尺寸更小、导通电阻更低、能量损失更小，SiC功率器件成为新能源汽车、光伏、储能、充电桩等领域提升性能的关键技术路径。GaN功率器件可以实现更小的导通电阻和栅极电荷，具有更高的开关频率，更适合于高频应用场景，有望在中低功率领域替代二极管、MOSFET等硅基功率器件。 图34：SiC在新能源领域应用路线图资料来源：Yole、招商银行研究院 SiC器件取代传统硅基功率器件已成为行业发展趋势。2018年，SiC开始应用于新能源汽车的逆变器、车载充电机OBC和DC-DC转换器，在光伏逆变器、高铁、充电桩等领域也广泛应用。但是，SiC产业链尚不成熟，SiC器件成本较高，各行业渗透率较低，主要应用在高端新能源汽车和高压高功率场景。2020年后，随着新能源行业全面爆发，SiC应用案例快速增长，从600V、1200V、1700V到3000V高压解决方案陆续出现。根据Yole的预测，600V SiC新能源汽车逆变器有望在2023年放量，1200V SiC新能源汽车逆变器有望在2026年放量，1200V SiC光伏逆变器有望在2024年放量，1200V SiC充电桩有望在2025年放量。 碳化硅器件目前应用于高端新能源汽车，未来成长空间广阔。尽管SiC和GaN有明显材料性能优势，也具有长期市场发展潜力，但由于衬底生长速率慢、制备技术难度高，导致高品质衬底产量低、成本高。随着规模效益成本下降，未来SiC和GaN将扩大应用范围到新能源汽车、充电桩、光伏、工业、电源、UPS、军工航天等领域。根据Omdia的分析，SiC和GaN市场将从2020年的8.88亿美元增长到2030年的175.77亿美元，复合年均增长率为34.79%。其中，汽车市场是规模最大增速最高的细分市场，汽车市场将从2020年的1.63亿美元增长到2030年的124.24亿美元，复合年均增长率为54.26%。电源市场也需求较大增速较快，将从2020年的1.46亿美元增长到2030年的19.14亿美元，复合年均增长率为29.38%。 图35：SiC与GaN器件市场规模（按应用类型）资料来源：Omdia、招商银行研究院 SiC器件市场需求相对GaN器件更高。SiC器件未来在新能源汽车领域渗透率较高，根据Yole的数据，SiC器件从2021年的8.0亿美元增长到2027年的51.0亿美元，复合年均增长率为36.17%。而GaN功率器件主要在消费电子市场增长，并且在通信、新能源汽车市场不断渗透，根据Yole的数据，GaN器件从2021年的1.0亿美元增长到2027年的9.61亿美元，复合年均增长率为45.81%。预计到2027年，SiC和GaN器件将占功率分立和模块器件市场总量的20%左右。 图36：SiC与GaN器件市场规模（按器件类型）资料来源：Yole、招商银行研究院 SiC MOSFET和GaN晶体管是应用最多的宽禁带功率器件。根据Omdia的数据，SiC功率器件中SiC MOSFET占比46%、SiC diodes占比29%、混合型SiC功率模块占比13%、SiC功率模块占比10%、SiC JFET占比2%。根据Omdia的数据，GaN功率器件中GaN晶体管占比57%、GaN IC占比43%。 图37：SiC器件结构占比（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图38：GaN器件结构占比（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 供给端：欧美日全面领先，国内厂商快速崛起 3.1供应链向IDM一体化和大硅片方向发展 功率半导体上游供应链包括硅片、外延片、芯片制造，IDM一体化成为趋势。硅片是功率半导体制造的核心材料，主要包括硅片和碳化硅，硅片工艺会影响硅片的质量、性能与可靠性。全球半导体硅片行业市场集中度较高，主要被日本、德国、韩国、中国台湾厂商占据。目前，全球前五大硅片厂商日本信越化学、日本Sumco、德国Siltronic、中国台湾环球晶圆、韩国SK Siltron合计市场份额达93%。外延片是在抛光片的基础上进行外延生长，功率半导体通常在低电阻率的硅衬底上外延生长高电阻率的外延层，硅衬底的低电阻率可降低导通电阻，高电阻率的外延层可以提高器件的击穿电压，可应用于二极管、IGBT等功率器件的制造。芯片制造在硅片上主要流程为薄膜制造、曝光和刻蚀，然后进行芯片封装，对加工完毕的芯片进行技术性能指标测。功率半导体上游供应链厂商中，大多数硅片供应商也提供硅外延片产品，部分供应商自己生产外延片并制作芯片封装成器件，部分供应商从硅片、外延片、器件制造实现IDM一体化。 图39：功率半导体上游制造供应链 （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） 资料来源：Yole、招商银行研究院 8英寸产品目前占据主流，12英寸成为未来发展方向。半导体硅片尺寸越大，对半导体硅片的生产技术、设备、材料、工艺的要求越高。目前，硅基功率半导体主流产品是8英寸（200mm）硅片产线，硅基MOSFET的8英寸产品占比约70%，IGBT的8英寸产品占比约50%。12英寸（300mm）功率半导体产线逐步投产，预计2021年-2027年的年均复合增长率达到32.3%。在宽禁带功率半导体市场，目前主要以4英寸、6英寸产线为主， 8英寸是未来主要发展方向。GaN的8英寸产线占比较高，SiC产线以6英寸及以下为主，SiC供应商正在大量投入8英寸产线建设，预计到2027年8英寸产能占比达到20%。国内厂商尽管起步较晚，但在12英寸产线和宽禁带功率半导体发展比较积极，华润微、士兰微、闻泰科技等厂商正在建设12英寸产线，华润微、士兰微、斯达半导、时代电气等正在规划建设6至8英寸SiC产线。 图40：各类型功率半导体晶圆尺寸（2022年）资料来源：Yole、招商银行研究院 3.2欧美日厂商先发优势，占据主要市场份额 全球功率半导体厂商以欧美日为主，国内厂商技术积累与欧美日厂商存在一定差距。目前功率半导体厂商可以分为三个梯队，第一梯队是以英飞凌、意法半导体、安森美为代表的欧美厂商，第二梯队是以三菱电机、富士电机、东芝为代表的日本厂商，第三梯队以安世半导体、比亚迪半导体、斯达半导为代表的国内厂商为主。欧美日厂商占据全球功率半导体主要市场份额，在功率IC、IGBT和中高压MOSFET等高端市场优势明显，国内厂商在小功率二极管、晶闸管、低压MOSFET等中低端市场有一定市场份额。 图41：功率半导体市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图42：功率IC市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 欧美厂商占据全球功率半导体市场主要份额。根据Omdia的数据，2021年全球功率半导体前五名厂商分别是英飞凌（14%）、德州仪器（8%）、意法半导体（6%）、亚德诺（6%）、安森美（6%）。其中，英飞凌优势明显，市占率是第二名和第三名之和。 功率IC市场竞争格局与功率分立器件完全不同，功率IC市场玩家主要是模拟半导体厂商。根据Omdia的数据，2021年全球功率IC前五名厂商分别是德州仪器（15%）、亚德诺（11%）、英飞凌（8%）、高通（8%）、瑞萨（6%）。 欧日厂商占据功率分立器件和功率模块市场主要份额。根据Omdia的数据，2021年全球功率分立器件前五名厂商分别是英飞凌（18%）、意法半导体（8%）、安森美（8%）、东芝（5%）、威世（5%）。其中，国内厂商安世半导体凭借二极管、晶体管市场优势排名第七。根据Omdia的数据，2021年全球功率模块前五名厂商分别是英飞凌（24%）、三菱电机（14%）、富士电机（10%）、赛米控（7%）、安森美（5%）。其中，国内厂商斯达半导体排名第九。 图43：功率分立器件市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图44：功率模块市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 欧日厂商占据MOSFET器件主要份额，国内厂商在低端MOSFET领域扩大份额。根据Omdia的数据，2021年全球MOSFET器件前五名厂商分别是英飞凌（24%）、安森美（12%）、意法半导体（8%）、东芝（6%）、AOS（5%）。其中，国内厂商在中低压MOSFET领域快速成长，安世半导体、华润微、士兰微分别占据八到十名。 IGBT器件设计工艺复杂、行业壁垒较高，长期被欧日厂商垄断。根据Omdia的数据，2021年全球IGBT器件前五名厂商分别是英飞凌（28%）、三菱电机（16%）、富士电机（13%）、安森美（5%）、赛米控（4%）。 图45：MOSFET器件市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图46：IGBT器件市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 SiC器件处于起步阶段，欧美厂商占据主要份额。SiC产业链最关键技术工艺包括衬底、外延、栅氧工艺，三者成本占比分别为46%、23%、20%，衬底成为影响SiC市场发展的核心因素。根据Yole的数据，2022年SiC器件市场前五名厂商分别是意法半导体（37%）、英飞凌（19%）、科锐（16%）、安森美（12%）、罗姆（8%）。碳化硅衬底市场高度垄断，根据Yole的数据，2022年SiC衬底市场前两名厂商分别是科锐（53%）、II-VI（19%）。 图47：SiC器件市场份额（2022年）资料来源：Yole、招商银行研究院 图48：SiC衬底市场份额（2022年）资料来源：Yole、招商银行研究院 3.3国内厂商快速崛起，产品布局各具特色 国内厂商具备一定的技术沉淀，新能源市场爆发带来高速增长机遇。国内功率器件市场需求较大，但由于功率半导体产业起步较晚，国内厂商与行业龙头在规模、技术、产品线方面存在一定差距。经过多年的市场磨练，国内厂商逐步沉淀、追赶、成长，在功率半导体设计、制造、封装各环节都具备一定实力。2020年以来，随着下游新能源行业的爆发，国内功率半导体厂商实现了高速发展，其中包括IDM厂商安世半导体、比亚迪半导体、时代电气、华润微、士兰微、扬杰科技、捷捷微电等，Fabless厂商斯达半导体、东微半导体、新洁能、宏微科技等，代工厂华虹宏力、绍兴中芯、华润微等。 行业龙头大多采用IDM模式，国内Fabless厂商逐步跟进自建产能。以英飞凌、安森美为代表的龙头厂商均采用IDM模式，其拥有完整芯片设计、制造和封装产线，对产品质量和成本控制能力强，遇到行业周期波动时，能够更有效平滑周期，提升持续经营能力。国内IDM厂商在持续扩产之外，Fabless厂商也积极向IDM模式转型，以斯达半导体为例，其投资20亿元用于建设高压特色工艺功率半导体产线。自建制造和封装产线，部分产能自主可控，成为未来功率半导体行业的发展趋势。 图49：国内功率半导体供应链 （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） 资料来源：Yole、招商银行研究院 新能源行业爆发，带动国内厂商向中高压IGBT、SiC产品布局。尽管功率半导体市场仍由海外厂商主导，但随着下游新能源行业的快速发展，国内厂商在功率半导体产品布局和销售规模上均取得快速进步，与国外厂商差距不断缩小。国内厂商在二极管、晶闸管、小信号MOSFET领域技术水平和性能指标已经达到了国际水平，安世半导体、华润微、捷捷微电在不同领域具有竞争优势。在IGBT领域，国内厂商进步明显，时代电气产品的电压区间覆盖范围最广，比亚迪半导体是国内车规IGBT龙头，士兰微在家电IPM模块优势明显，东微半导TGBT产品性能领先第七代IGBT。在SiC领域，国内厂商与国际巨头整体技术差距相对较小，大部分国内厂商都布局了SiC赛道，斯达半导、比亚迪半导体、时代电气的SiC模块已经量产上车，三安光电与意法半导体建立合资公司大规模量产SiC器件，天科合达、天岳先进与英飞凌等厂商签订SiC晶圆供应协议。在GaN领域，安世半导体、三安光电、华润微产品已实现量产。 表4：国内功率半导体公司产品线布局对比资料来源：公司公告、招商银行研究院 国内厂商在新能源行业布局广泛，在细分市场具有较强竞争力。安世半导体是全球领先的功率半导体IDM龙头厂商，位居全球功率半导体第五名，在国内功率半导体排名第一，在二极管晶体管市场全球排名第一，在小信号MOSFET市场全球排名第二，在车规功率MOSFET市场全球排名第二。比亚迪半导体是领先的车规功率半导体厂商，在国内乘用车电机驱动IGBT模块市场排名第二，在国内厂商中排名第一，在IPM领域国内排名第三。斯达半导体是国内IGBT行业领军企业， 在IGBT模块全球市场排名第六，在IGBT模块国内厂商排名第一。华润微是国内领先的功率半导体IDM厂商，在功率器件市场国内排名第二，在MOSFET市场国内排名第一。时代电气是我国轨道交通行业领先的功率半导体IDM厂商，在铁轨牵引变流系统功率器件市场国内排名第一，在乘用车功率模块市场国内排名第三，在光伏逆变器功率模块市场国内排名第三，在集中式逆变器功率模块市场国内排名第一。 表5：主要公司在各行业产品布局资料来源：公司公告、招商银行研究院 国内新能源汽车销售高速增长，国产功率模块在全球占比快速提升。根据广发证券统计，2020年以来，我国新能源汽车销售量增速高于全球水平，2023年上半年我国新能源汽车销售已占全球市场的62.7%。随着国内功率半导体厂商竞争力增强，国内新能源汽车搭载的国产功率模块占比快速提升，根据NE时代统计，2023年1-8月我国新能源乘用车功率模块国产供应占比超过59%。其中，比亚迪半导体搭载功率模块163万套（占比31.2%），时代电气搭载功率模块54.6万套（占比10.5%），斯达半导搭载功率模块38万套（占比7.3%），士兰微搭载功率模块26.2万套（占比5.0%），中芯绍能搭载功率模块24.0万套（占比4.6%）。随着国产功率模块搭载量的大幅提升，国产功率模块在全球新能源汽车市场份额达到37%，占据一席之地。 图50：新能源汽车国内和全球销售情况资料来源：广发证券、招商银行研究院 图51：新能源乘用车功率模块厂商分布情况（2023年1-8月）资料来源：NE时代、招商银行研究院 依托新能源行业快速发展，国内厂商营收实现快速增长。传统领域功率半导体市场增速较慢，国内功率半导体厂商后发劣势明显。随着新能源行业的快速发展，在新能源行业进行布局的国内功率半导体厂商业绩显著增长，并保持较高的毛利率水平。随着新能源行业持续发展，功率半导体应用领域越来越广，新能源领域的功率半导体市场前景乐观。国内功率半导体厂商瞄准新能源产业快速发展的契机，在新技术新产品开发、特色工艺平台建设、聚焦高门槛市场方面加大投入，产品结构调整的步伐进一步加快，未来有望涌现出一批营收规模在50亿以上的厂商。 表6：国内功率半导体公司主要情况（亿元）资料来源：公司公告、招商银行研究院，市值数据截至2023年9月18日 业务建议及风险提示 （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） 4.1业务建议 从过去二十年的趋势来看，半导体应用从传统领域向PC、服务器、智能手机、数据中心等新兴领域持续扩散，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的态势。根据WSTS的数据，全球半导体销售额从2001年的1390亿美元增长到2022年的5735亿美元，增幅高达313%。随着半导体应用从信息技术领域向能源、交通等领域拓展，其长期市场前景广阔。根据SIA的研究，到2030年全球半导体市场预计增长56%，其中汽车行业将占芯片需求的20%。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。 图52：全球半导体行业长期市场前景广阔资料来源：WSTS、招商银行研究院 尽管行业竞争加剧，功率半导体依然处于成长期，主要细分领域仍可积极布局。新能源汽车、光伏、风电、储能、充电桩、UPS、工业电机等新能源相关领域经历了2020年-2022年的快速增长，进入2023年行业增速和渗透率提升都有所放缓。随着市场竞争加剧，部分功率半导体结束供不应求的状态，厂商销售增速放缓、产品毛利率有所下降。由于下游新能源汽车、光伏、储能、充电桩渗透率依然较低，未来新能源潜在市场空间广阔，因此功率半导体各细分领域仍可积极布局。 4.2风险提示 （1）新能源行业阶段性供需过剩的风险。新能源行业经历了2020年-2022年的快速增长，2023年面临阶段性调整。功率半导体属于新能源行业的最上游，行业景气度与下游新能源汽车、光伏、风电、储能等行业景气度紧密相关，若新能源行业发展出现阶段性调整，将直接影响功率半导体市场的供需情况。 （2）地缘政治和贸易摩擦的风险。近年来国际政治局势不确定，贸易摩擦显著加剧。功率半导体行业依然比较薄弱，地缘政治和贸易摩擦可能对行业产生负面影响，对功率半导体的下游需求和供应链带来风险。 （3）技术更新迭代的风险。功率半导体处于行业成长期，面临产品迭代速度过快、研发周期长、资金投入大的风险，如果市场需求变化导致新技术、新工艺路线发生较大变化，可能对行业发展带来波动。 （4）市场竞争加剧的风险。功率半导体市场竞争错综复杂，欧美日巨头占据领先地位，国内厂商虽然快速崛起，但产品依然以中低端市场为主。随着功率半导体需求的持续增长，可能导致更多的海外巨头竞争者加入，从而对国内厂商发展产生不利影响。 （5）主要原材料供应集中度高的风险。功率半导体上游原材料硅片、引线框、化学品、气体等材料成本占比较高，供应商集中度也相对较高，原材料价格的波动将对毛利率水平带来影响。如果原材料出现延迟交货、限制供应或短期价格大幅波动，可能对行业生产经营造成不利影响。 （6）知识产权纠纷的风险。知识产权组合的优势是半导体行业取得竞争优势和实现持续发展的关键因素。功率半导体行业的专有技术、商业机密、专利或集成电路布图设计被盗用或不当使用，可能产生知识产权纠纷，可能对行业发展造成不利影响。 -END- 相关报告 《新能源电子之被动元件篇——电动化时代，被动元件的新机遇》 本期作者 招商银行研究院 南通分行 胡国栋 行业研究员 huguodong@cmbchina.com 鲁皇江 南通分行风险管理部 lhj2016@cmbchina.com 转载声明： 1、本报告为招商银行研究院已发布报告的公开版本，报告内容均为原创。 2、如需转载，请提前征得本公众号授权。转载时需要保留全文所有内容，请勿对本报告进行任何有悖原意的引用、删节和修改。 3、转载时请注明出处为“招商银行研究院（ID：zsyhyjy）”，并在“原文链接”中保留原始公众号文章链接。 4、授权方式：请参照文末方式联络招商银行研究院。 注意：未经招商银行事先授权，任何人不得以任何目的复制、发送或销售本报告。 招商银行版权所有，保留一切权利。 责任编辑|余然
作者：招商银行研究院 南通分行 ■ 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，CAGR 26.8%；光伏将从2021年的3.69亿美元增长到2027年的5.74亿美元，CAGR 7.7%；风电将从2021年的4.41亿美元增长到2027年的8.00亿美元，CAGR 10.4%；储能将从2021年的2亿美元增长到2027年的11亿美元，CAGR 30.3%。 ■ 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。 相关报告 《新能源电子之被动元件篇——电动化时代，被动元件的新机遇》 正文 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。 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。 表1：功率分立器件性能对比资料来源：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MOSFET的驱动功率小、开关速度快和BJT通态压降小、载流能力大的优点，成为现代功率半导体的主要器件。1989年日本三菱推出了搭载控制和保护功能的IGBT-IPM智能功率模块。1997年日本富士电机推出超结SJ-MOSFET，从结构上进一步突破硅材料的性能界限。 MOSFET和IGBT成为当前主流的功率半导体器件。早期的二极管、三极管和晶闸管，其开关速度慢，常用于低频领域。二极管仅具备单向导通；晶闸管可正向触发导通，具备开关特性；三极管依靠小电流控制开关通断，有线性放大功能。当前主流的功率半导体是MOSFET和IGBT。MOSFET器件开关频率高，在高耐压下导通电阻会很高，更适用于高频中高压领域（100-1000KHz, 20-1200V）；IGBT器件耐压很高，作为MOSFET+BJT结构的复合型器件，相比MOSFET具有串联结构耐压更高、导通电阻低、能放大电流的优势，更适用于高压中低频领域（＜100KHz, 600-6500V）。 图3：功率半导体器件迭代路径资料来源：Yole、招商银行研究院 功率半导体器件工艺持续迭代创新，性能不断升级。功率半导体器件从不可控制、电流控制到电压控制，从小功率、中功率、大功率到超大功率，从分立器件、功率模块、智能功率模块到双列直插智能功率模块的几条路径持续升级。从功率半导体器件结构来看，MOSFET从平面型、沟槽型、超级结、屏蔽栅器件结构不断升级，器件耐压性和开关频率性能大幅提升；IGBT从穿通、非穿通、场截止和平面栅、沟槽栅两条路径升级，器件结构升级带来耐压、降低损耗和导通电阻性能不断提升。 图4：MOSFET器件性能演进升级资料来源：长江证券、招商银行研究院 图5：IGBT器件性能演进升级资料来源：长江证券、招商银行研究院 功率半导体集成度持续提升，从分立器件向集成化模块演进。相比单个功率分立器件，集成度更高的功率模块和功率IC能够实现高可靠、高集成、高效率的性能，更适应于高压大电流应用场景。功率模块由多个分立的功率单管按特定功能串、并联组成，能简化外部连接电路，可靠性更高。以IGBT为例，IGBT模块的最高电压一般会比IGBT单管高1-2个等级。功率IC通常由功率器件及其驱动电路、保护电路等外围电路集成而成，主要包括各类电源管理芯片(PMIC)。相比功率分立器件和功率模块，功率IC集成度更高，但适用电流电压范围较低，常应用于消费电子领域。 图6：功率半导体器件输出功率与工作频率水平资料来源：招商银行研究院 图7：功率半导体器件工作电压与输出功率水平资料来源：Yole、招商银行研究院 功率半导体传统硅基材料到宽禁带材料，器件性能大幅提升。随着硅基功率半导体器件工艺结构提升逐渐接近理论极限值，利用宽禁带材料制造功率半导体器件体现出比硅基材料更优异的特性。相比传统硅基，宽禁带材料在耐压和开关频率上具有更佳的性能，未来将逐步替代硅基功率器件成为高压高频应用领域的市场主流。其中，SiC器件在导通电阻、阻断电压和结电容方面的性能显著优于传统Si基功率器件，更容易实现小型化、更耐高温工作，更适用于高压、高能量密度应用场景，未来可以在高压领域替代IGBT功率器件，在车载应用场景下SiC比IGBT器件在不同工况下效率明显提升。GaN器件可以实现更小的导通电阻和栅极电荷，具有更高的开关频率，更适合于高频应用场景，但是在高压高功率场景不如SiC器件。GaN器件有望在中低功率领域替代二极管、MOSFET等硅基功率器件。 图8：SiC、GaN与Si材料性能对比资料来源：招商银行研究院 图9：SiC与IGBT器件在不同工况下效率对比资料来源：Infineon、招商银行研究院 1.3功率半导体应用领域广泛 功率半导体产业链包括上游半导体制造、中游电源模块以及下游终端系统应用。功率半导体上游主要包括设计、制造到封装测试，包括晶圆、外延、制造、切割、封装等工艺环节。功率半导体中游主要是电源转换器或电源模块，下游应用领域涉新能源相关行业及所有电子行业领域。从功率半导体制造环节来看，通过区熔法（CZ）和直拉法（FZ）得到单晶硅，经过切割抛光后获得晶圆衬底，衬底进行外延工艺加工生产外延片，根据器件结构进行薄膜沉积、涂胶、光刻、刻蚀、离子注入、清洗等多道工艺获得裸片晶圆，裸片晶圆经过封装成为功率器件，多个裸片按一定电路连接并进行模块化封装为功率模块。最后，再将封装好的功率单管或功率模块器件应用到逆变器等电源模块中。 根据电压、功率和频率不同，功率半导体应用于不同行业场景。功率半导体可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、电机、智能家电、消费电子、数据中心、UPS等领域。根据电压、功率、频率等性能差异，功率半导体适用于不同的场景。其中，IGBT耐压高，常用于新能源汽车、风光储逆变器、智能电网、轨道交通等高压场景；MOSFET的高频特性优、成本低，常用于消费电子、工业、通讯、汽车电子、电动工具等中低功率场景；SiC具备高耐压性和高导热性，在新能源汽车的高电压平台和光伏逆变器等领域有望逐步替代IGBT。相比单管功率分立器件，集成度更高的功率模块和功率IC能够实现高可靠、高集成、高效率，在高压大电流场景应用广泛。 图10：功率半导体的制造流程资料来源：Yole、招商银行研究院 图11：功率半导体的应用领域资料来源：Yole、招商银行研究院 需求端：新能源变革带动功率半导体需求持续增长 2.1 功率半导体在新能源领域受益显著 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。光伏和风电是目前新能源发电增量的主要来源，在功率半导体技术的推动下，光伏和风电保持迅猛发展势头。根据IEA净零排放情景估算，预计到2030年，全球光伏新增装机量将达到4200GW，风电新增装机量将达到2400GW。在新能源电能的输电过程中，光伏发电的间歇性以及风电的不规则频率都会增加电网传输的复杂性，柔性输电是电网必须具备的能力，功率半导体保障了新能源电能的稳定传输。储能系统能够灵活和精准地调节电网电量和频率，根据IEA预计到2030年，电网储能新增装机量将达到660GW，功率半导体能够在效率、性能和系统成本等方面为储能系统提供创新解决方案。在新能源电能的应用端，新能源汽车、高速铁路是交通领域的典型应用，IEA预计到2030年全球新能源汽车销量超过4000万辆。相应配套的充电基础设施也在迅猛增长，IEA预计到2030年充电桩新增装机量达到4000万个。 图12：IEA净零排放情景下，新能源技术发展趋势资料来源：IEA、招商银行研究院 新能源变革为功率半导体带来巨大增长空间。无论是新能源电能的发电端、传输管道还是用电端，每次电力变换均需用到功率半导体。凭借支持高电压、大电流的特性，功率半导体可应用于新能源的变频、变压、整流和功率控制等阶段，提升新能源电能的利用效率。根据英飞凌的预计，在光伏领域，功率半导体的价值量为1500-5000欧元/MW；在风电领域，功率半导体的价值量为2000-3500欧元/MW；在储能领域，功率半导体的价值量为2500-3500欧元/MW；在充电桩领域，功率半导体的价值量为100-5000欧元/桩；在电解制氢领域，功率半导体的价值量为500-2000欧元/MW。相应地，IGBT和SiC等中高压功率器件用量将大幅增加。 图13：功率半导体在新能源各应用领域的价值量资料来源：英飞凌、招商银行研究院 受益于各行业电动化发展，功率半导体实现稳步增长。高效可靠的功率半导体和逆变器技术是实现各行业电动化的关键所在。随着新能源的深入发展，能源、交通、工业、通信、消费电子、计算、医疗等领域的电动化变革快速推进，相关领域的功率半导体需求快速增长。根据Yole的分析，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%。 图14：功率半导体市场规模（按下游市场划分）资料来源：Yole、招商银行研究院 功率模块受益于新能源行业发展，市场增速显著快于行业整体增速。根据Yole的分析，功率IC依然占据整体市场份额的一半，将从2021年的256.3亿美元增长到2027年的290.3亿美元，复合年均增长率为2.1%；功率分立器件增速略快于功率IC，将从2021年的141.5亿美元增长到2027年的171.6亿美元，复合年均增长率为3.3%；功率模块能够实现高可靠、高集成、高效率的性能，在高压大电流场景应用广泛，受益于新能源汽车、光伏、风电的快速增长，功率模块将从2021年的62.7亿美元增长到2027年的134.0亿美元，市场份额从13.6%增长到22.5%，复合年均增长率为13.5%。 图15：功率半导体市场规模（按器件类型划分）资料来源：Yole、招商银行研究院 新能源行业高压需求快速增长，高压功率器件占比持续提升。新能源汽车持续提升充电功率、缩短充电时间，电压平台将从400V提升到800V、1000V甚至更高的水平，高电压成为了新能源汽车行业的发展趋势。光伏系统电压提升是降低平准化度电成本（LCOE）的重要途径，高电压系统线损更低、系统效率更高，光伏系统电压从600V提升到1000V、1500V高压系统成为大型光伏项目的发展趋势。新能源行业高电压需要，带动上游功率器件高压器件占比持续提升。根据Yole的分析，中低压功率器件的市场占有率将持续下降，40V功率器件市占率从2021年的23%下降到2027年的16%，100V功率器件市占率从2021年的23%下降到2027年的16%；高压功率器件的市场占有率将持续提升，600V功率器件市占率从2021年的46%提升到2027年的49%，1200V功率器件市占率从2021年的11%提升到2027年的20%，1700V功率器件市占率从2021年的2%提升到2027年的3%。 图16：功率器件市占率（电压分类，2021年）资料来源：Yole、招商银行研究院 图17：功率器件市占率（电压分类，2027年） 资料来源：Yole、招商银行研究院 2.2 分立器件：下游应用广泛，新能源增量显著 传统行业功率分立器件市场增速放缓，新能源相关行业成为推动功率分立器件市场持续增长的主要动力。功率分立器件的应用领域已从传统的工业控制、家电、通信、消费电子、轨道交通领域拓展到新能源汽车、光伏、风电、充电桩、储能等新能源领域。根据Yole的分析，功率分立器件将从2021年的141.5亿美元增长到2027年的171.6亿美元，复合年均增长率为3.3%。传统的消费电子、家电、通信依然占据较大市场份额，但增速已经放缓，新能源行业成为推动功率分立器件持续增长的主要动力。汽车是规模最大的细分市场，汽车市场将从2021年的38.4亿美元增长到2027年的51.8亿美元，复合年均增长率为5.12%。光伏市场将从2021年的2.05亿美元增长到2027年的3.17亿美元，复合年均增长率为7.5%。充电桩市场将从2021年的1.83亿美元增长到2027年的3.21亿美元，复合年均增长率为9.8%。UPS市场将从2021年的3.58亿美元增长到2027年的4.52亿美元，复合年均增长率为3.9%。风电市场将从2021年的0.71亿美元增长到2027年的0.85亿美元，复合年均增长率为3.1%。 图18：功率分立器件市场规模（按应用类型划分）资料来源：Yole、招商银行研究院 硅基MOSFET是功率分立器件市场最主要的产品类型。根据Yole的预计，硅基MOSFET将从2021年的85.1亿美元增长到2027年的91.5亿美元，复合年均增长率为1.2%。IGBT主要以高压功率模块产品为主，IGBT分立器件将从2021年的13.7亿美元增长到2027年的14.5亿美元，复合年均增长率为1.0%。整流器（Rectifier）保持较快增长，将从2021年的36.1亿美元增长到2027年的46.1亿美元，复合年均增长率为4.1%。第三代半导体材料功率器件将实现高速增长，SiC MOSFET将从2021年的0.86亿美元增长到2027年的3.85亿美元，复合年均增长率为28.4%；GaN将从2021年的0.52亿美元增长到2027年的9.61亿美元，复合年均增长率为62.9%。 图19：功率分立器件市场结构（2021年）资料来源：Yole、招商银行研究院 图20：功率分立器件市场结构（2027年）资料来源：Yole、招商银行研究院 2.3 功率模块：在高压、高功率、大电流领域扮演重要角色 功率模块由多个功率分立器件按特定的功能封装组成。相比功率分立器件，功率模块具有简化电路设计、降低成本、提升功率密度、提升可靠度的优势，更适合高压大电流场景。常见的功率模块包括IGBT模块、MOSFET模块、SiC模块、二极管、SiC二极管和IPM（智能功率）模块等。 图21：功率模块的性能对比资料来源：ROHM、招商银行研究院 随着新能源行业向高功率、高电压、大电流方向持续发展，功率模块市场增速远高于其他功率器件。功率模块在高压高功率领域具有较大优势，根据Yole的分析，功率模块将从2021年的62.7亿美元增长到2027年的134.0亿美元，复合年均增长率为13.5%。功率模块的应用领域从传统的工业、家电、轨道交通、电力领域拓展到新能源汽车、光伏、风电、充电桩、储能、UPS等新能源领域。汽车是规模最大的细分市场，汽车市场将从2021年的18.15亿美元增长到2027年的75.46亿美元，复合年均增长率为26.8%。充电桩是增速最高的细分市场，充电桩市场将从2021年的0.27亿美元增长到2027年的2.28亿美元，复合年均增长率为42.3%。其他新能源相关领域增速也高于行业增速，光伏市场将从2021年的3.69亿美元增长到2027年的5.74亿美元，复合年均增长率为7.7%；风电市场将从2021年的4.41亿美元增长到2027年的8.00亿美元，复合年均增长率为10.4%；储能市场将从2021年的2亿美元增长到2027年的11亿美元，复合年均增长率为30.3%；UPS市场将从2021年的1.96亿美元增长到2027年的3.04亿美元，复合年均增长率为7.5%。 图22：功率模块市场规模（按应用类型划分）资料来源：Yole、招商银行研究院 IGBT模块和SiC MOSFET模块成为未来高功率场景主要解决方案。IGBT模块凭借高压大电流特性，在新能源汽车、光伏、风电、轨道交通、智能电网、充电桩等领域广泛应用，IGBT模块将从2021年的48.92亿美元增长到2027年的79.35美元，复合年均增长率为8.4%。SiC MOSFET模块相比IGBT模块，开关速度更快、功率密度更高、高频性能更好，SiC MOSFET模块将从2021年的7.48亿美元增长到2027年的47.59美元，复合年均增长率为36.1%，成为增速最快的功率模块器件。MOSFET模块应用于相对较低的电压和功率系统，MOSFET模块将从2021年的3.76亿美元增长到2027年的4.44美元，复合年均增长率为2.8%。 图23：功率模块市场结构（2021年）资料来源：Yole、招商银行研究院 图24：功率模块市场结构（2027年）资料来源：Yole、招商银行研究院 2.4 功率IC：新能源相关的功率IC保持较快增长 功率IC隶属于模拟芯片，是一种可实现功率转换和控制的高集成度半导体芯片。功率IC可以实现数字控制、模拟控制、混合控制等多种控制方式，同时也可以实现多种保护功能，如过流保护、过压保护、过温保护等。功率IC具有体积小、功耗低、易于设计和使用等优点。功率IC种类繁多，主要包括AC/DC、DC/DC、电源管理（PMIC）、驱动IC，其它还包括电池管理芯片（BMIC）、栅极驱动芯片（Gate Driver）、低压差调节器芯片（LDO Regulator）、线性调节器芯片（Linear Regulator）、热插拔芯片（Hot Swap）、单片功率级芯片（Monolithic Power Stage）、多片功率级芯片（Multi-Chip Power Stage）、功率因素校正芯片（Power Factor Corrector）、以太网供电芯片（Power Over Ethernet）、电压监控芯片（Voltage Supervisor）、参考电压（Voltage Reference）等。 图25：功率IC市场规模（按应用类型划分）资料来源：Omdia、招商银行研究院 随着新能源应用领域不断拓展，相关功率IC市场增速更快。功率IC主要应用在汽车、计算存储、消费电子、工业、有线通信、无线通信等领域，根据Omdia的分析，功率IC市场将从2020年的251.68亿美元增长到2025年的340.59亿美元，复合年均增长率为6.2%。由于新能源汽车快速发展，汽车成为增速最高的细分市场，汽车市场将从2020年的48.27亿美元增长到2025年的80.61亿美元，复合年均增长率为10.8%。工业市场将从2020年的58.40亿美元增长到2025年的85.24亿美元，复合年均增长率为7.9%。计算存储市场将从2020年的33.87亿美元增长到2025年的42.82亿美元，复合年均增长率为4.8%。消费电子市场维持平稳，将从2020年的34.38亿美元增长到2025年的34.33亿美元，复合年均增长率为0%。有线通信市场将从2020年的10.07亿美元增长到2025年的14.83亿美元，复合年均增长率为8.1%。无线通信市场将从2020年的66.70亿美元增长到2025年的82.75亿美元，复合年均增长率为4.4%。 新能源相关的功率IC市场保持较快增长。电源管理PMIC和DC-DC开关稳压器依然是市场份额最大的功率IC芯片。新能源相关的功率IC增速更快，其中电池管理芯片（BMIC）从2020年的21.01亿美元增长到2025年的34.67亿美元，复合年均增长率为10.5%；栅极驱动芯片（Gate Driver）从2020年的14.97亿美元增长到2025年的24.50亿美元，复合年均增长率为10.4%。 图26：功率IC市场结构（2020年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图27：功率IC市场结构（2025年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 2.5 MOSFET和IGBT：在新能源领域中最主流的功率器件 功率MOSFET以及IGBT，是功率分立器件市场中最主要的两类器件。根据Yole的数据，2021年全球MOSFET器件市场规模为88.89亿美元，占比43.6%，2021年全球IGBT器件市场规模为62.61亿美元，占比30.7%。随着新能源汽车、光伏、风电、储能、充电桩等应用需求增长，MOSFET和IGBT器件市场将持续扩大。MOSFET开关频率高，在高频特性优于IGBT，且成本上更具优势，更适用于新能源高频中高压领域；IGBT耐压很高，更适用于新能源高压中低频领域。 MOSFET全称金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。1970年代平面型功率MOSFET发展起来，1980年代沟槽型功率MOSFET快速发展，1990年代超级结MOSFET的出现打破传统“硅限”以满足大功率和高频化的应用需求。从器件内部结构来看，MOSFET经历从平面型、沟槽型、超级结、屏蔽栅的结构演变升级。随着材料体系升级，基于SiC、GaN的MOSFET器件具备更强性能。 表2：主流功率MOSFET性能对比资料来源：基业常青、招商银行研究院 MOSFET在传统市场增速放缓，增速较快领域是新能源汽车和工业。MOSFET器件主要应用在汽车、计算存储、消费电子、工业、有线通信、无线通信等领域，根据Omdia的分析，MOSFET市场将从2020年的74.95亿美元增长到2025年的92.07亿美元，复合年均增长率为4.2%。由于新能源汽车快速发展，汽车成为增速最高的细分市场，汽车市场将从2020年的20.61亿美元增长到2025年的35.48亿美元，复合年均增长率为11.58%。工业市场将从2020年的13.17亿美元增长到2025年的20.84亿美元，复合年均增长率为9.6%。其他市场都保持较低增长水平。 图28：功率MOSFET市场规模（按应用类型划分）资料来源：Omdia、招商银行研究院 MOSFET主要用于高频中低压场景，以分立器件为主。MOSFET开关频率高，更适合于高频中低压场景，根据Omdia的数据，汽车、计算存储、消费电子、工业应用占比分别为28%、20%、15%、16%。超级结MOSFET高压特性好，在逆变器、储能、UPS等领域有望替换IGBT。在封装类型方面，MOSEFT主要以分立器件方式为主，根据Yole的数据，MOSFET分立器件占比95.8%，MOSFET模块占比4.2%。 图29：MOSFET市场应用类型占比（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图30：MOSFET市场器件结构占比（2021年）资料来源：Yole、招商银行研究院 IGBT耐压较高，更适用于高压中低频领域。MOSFET功率器件是单极器件，导通电阻会随着电压增加而急速上升，因而难以实现耐高压、大电流。1982年，通用电气推出了结合MOSFET和BJT结构的复合型器件IGBT。IGBT兼具MOSFET输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快和BJT通态电流大、导通压降低、损耗小等优点，成为功率半导体发展方向之一。 IGBT器件结构不断升级，器件性能持续提升。IGBT器件经历七次迭代升级，在降低损耗和小型化等方面性能不断优化。IGBT器件从“穿通、非穿通、场截止”和“平面栅、沟槽栅”两个方面不断演变，在芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗、断态电压等方面不断优化，提升器件耐压、降低损耗和导通电阻。 表3：IGBT器件性能对比资料来源：ROHM、招商银行研究院 IGBT在新能源汽车、光伏、风电、储能、充电桩等新能源相关领域都有广泛应用。随着新能源汽车渗透率提升和光伏风电储能市场快速崛起，IGBT市场有望保持快速增长。根据Omdia的分析，IGBT市场将从2020年的61.92亿美元增长到2025年的125.38亿美元，复合年均增长率为15.2%。其中，IGBT中国市场占比约35%。 图31：IGBT器件市场规模资料来源：Omdia、招商银行研究院 IGBT主要用于高压大电流场景，并以IGBT模块应用为主。IGBT的耐压大电流特性适用于工业、交通、新能源领域，根据Yole的数据，IGBT在工业、交通、消费、能源应用占比分别为33%、27%、21%、16%。在封装类型方面，IGBT可分为IGBT分立器件、IGBT模块以及IPM模块三大类产品。IGBT分立器件一般由一个IGBT芯片和一个反向并联二极管组成。IGBT模组一般由多个IGBT芯片和二极管芯片以绝缘方式组装到基板上，再进行模块化封装。IPM模块一般是由IGBT芯片和驱动电路、过压和过流保护电流、温度监视和超温保护电路等外围电路集成一起的模块器件。根据Yole的数据，IGBT以模块应用为主，IGBT分立器件占比18%，IGBT模块占比82%。 图32：IGBT市场应用类型占比（2021年） 资料来源：Yole、招商银行研究院 图33：IGBT市场器件结构占比（2021年） 资料来源：Yole、招商银行研究院 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 宽禁带材料SiC、GaN器件相对硅基器件具有更佳的工作性能。以IGBT为代表的硅基器件受限于硅基材料性能，较难进一步提升各项性能。SiC功率器件在导通电阻、阻断电压和结电容方面的性能显著优于传统硅基功率器件，能够实现更高的功率体积密度、更高的功率质量密度、更高的开关频率、更高的效率，并降低冷却系统的复杂程度。在相同工作电压情况下，SiC功率器件厚度更薄、尺寸更小、导通电阻更低、能量损失更小，SiC功率器件成为新能源汽车、光伏、储能、充电桩等领域提升性能的关键技术路径。GaN功率器件可以实现更小的导通电阻和栅极电荷，具有更高的开关频率，更适合于高频应用场景，有望在中低功率领域替代二极管、MOSFET等硅基功率器件。 图34：SiC在新能源领域应用路线图资料来源：Yole、招商银行研究院 SiC器件取代传统硅基功率器件已成为行业发展趋势。2018年，SiC开始应用于新能源汽车的逆变器、车载充电机OBC和DC-DC转换器，在光伏逆变器、高铁、充电桩等领域也广泛应用。但是，SiC产业链尚不成熟，SiC器件成本较高，各行业渗透率较低，主要应用在高端新能源汽车和高压高功率场景。2020年后，随着新能源行业全面爆发，SiC应用案例快速增长，从600V、1200V、1700V到3000V高压解决方案陆续出现。根据Yole的预测，600V SiC新能源汽车逆变器有望在2023年放量，1200V SiC新能源汽车逆变器有望在2026年放量，1200V SiC光伏逆变器有望在2024年放量，1200V SiC充电桩有望在2025年放量。 碳化硅器件目前应用于高端新能源汽车，未来成长空间广阔。尽管SiC和GaN有明显材料性能优势，也具有长期市场发展潜力，但由于衬底生长速率慢、制备技术难度高，导致高品质衬底产量低、成本高。随着规模效益成本下降，未来SiC和GaN将扩大应用范围到新能源汽车、充电桩、光伏、工业、电源、UPS、军工航天等领域。根据Omdia的分析，SiC和GaN市场将从2020年的8.88亿美元增长到2030年的175.77亿美元，复合年均增长率为34.79%。其中，汽车市场是规模最大增速最高的细分市场，汽车市场将从2020年的1.63亿美元增长到2030年的124.24亿美元，复合年均增长率为54.26%。电源市场也需求较大增速较快，将从2020年的1.46亿美元增长到2030年的19.14亿美元，复合年均增长率为29.38%。 图35：SiC与GaN器件市场规模（按应用类型）资料来源：Omdia、招商银行研究院 SiC器件市场需求相对GaN器件更高。SiC器件未来在新能源汽车领域渗透率较高，根据Yole的数据，SiC器件从2021年的8.0亿美元增长到2027年的51.0亿美元，复合年均增长率为36.17%。而GaN功率器件主要在消费电子市场增长，并且在通信、新能源汽车市场不断渗透，根据Yole的数据，GaN器件从2021年的1.0亿美元增长到2027年的9.61亿美元，复合年均增长率为45.81%。预计到2027年，SiC和GaN器件将占功率分立和模块器件市场总量的20%左右。 图36：SiC与GaN器件市场规模（按器件类型）资料来源：Yole、招商银行研究院 SiC MOSFET和GaN晶体管是应用最多的宽禁带功率器件。根据Omdia的数据，SiC功率器件中SiC MOSFET占比46%、SiC diodes占比29%、混合型SiC功率模块占比13%、SiC功率模块占比10%、SiC JFET占比2%。根据Omdia的数据，GaN功率器件中GaN晶体管占比57%、GaN IC占比43%。 图37：SiC器件结构占比（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图38：GaN器件结构占比（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 供给端：欧美日全面领先，国内厂商快速崛起 3.1供应链向IDM一体化和大硅片方向发展 功率半导体上游供应链包括硅片、外延片、芯片制造，IDM一体化成为趋势。硅片是功率半导体制造的核心材料，主要包括硅片和碳化硅，硅片工艺会影响硅片的质量、性能与可靠性。全球半导体硅片行业市场集中度较高，主要被日本、德国、韩国、中国台湾厂商占据。目前，全球前五大硅片厂商日本信越化学、日本Sumco、德国Siltronic、中国台湾环球晶圆、韩国SK Siltron合计市场份额达93%。外延片是在抛光片的基础上进行外延生长，功率半导体通常在低电阻率的硅衬底上外延生长高电阻率的外延层，硅衬底的低电阻率可降低导通电阻，高电阻率的外延层可以提高器件的击穿电压，可应用于二极管、IGBT等功率器件的制造。芯片制造在硅片上主要流程为薄膜制造、曝光和刻蚀，然后进行芯片封装，对加工完毕的芯片进行技术性能指标测。功率半导体上游供应链厂商中，大多数硅片供应商也提供硅外延片产品，部分供应商自己生产外延片并制作芯片封装成器件，部分供应商从硅片、外延片、器件制造实现IDM一体化。 图39：功率半导体上游制造供应链 （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） 资料来源：Yole、招商银行研究院 8英寸产品目前占据主流，12英寸成为未来发展方向。半导体硅片尺寸越大，对半导体硅片的生产技术、设备、材料、工艺的要求越高。目前，硅基功率半导体主流产品是8英寸（200mm）硅片产线，硅基MOSFET的8英寸产品占比约70%，IGBT的8英寸产品占比约50%。12英寸（300mm）功率半导体产线逐步投产，预计2021年-2027年的年均复合增长率达到32.3%。在宽禁带功率半导体市场，目前主要以4英寸、6英寸产线为主， 8英寸是未来主要发展方向。GaN的8英寸产线占比较高，SiC产线以6英寸及以下为主，SiC供应商正在大量投入8英寸产线建设，预计到2027年8英寸产能占比达到20%。国内厂商尽管起步较晚，但在12英寸产线和宽禁带功率半导体发展比较积极，华润微、士兰微、闻泰科技等厂商正在建设12英寸产线，华润微、士兰微、斯达半导、时代电气等正在规划建设6至8英寸SiC产线。 图40：各类型功率半导体晶圆尺寸（2022年）资料来源：Yole、招商银行研究院 3.2欧美日厂商先发优势，占据主要市场份额 全球功率半导体厂商以欧美日为主，国内厂商技术积累与欧美日厂商存在一定差距。目前功率半导体厂商可以分为三个梯队，第一梯队是以英飞凌、意法半导体、安森美为代表的欧美厂商，第二梯队是以三菱电机、富士电机、东芝为代表的日本厂商，第三梯队以安世半导体、比亚迪半导体、斯达半导为代表的国内厂商为主。欧美日厂商占据全球功率半导体主要市场份额，在功率IC、IGBT和中高压MOSFET等高端市场优势明显，国内厂商在小功率二极管、晶闸管、低压MOSFET等中低端市场有一定市场份额。 图41：功率半导体市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图42：功率IC市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 欧美厂商占据全球功率半导体市场主要份额。根据Omdia的数据，2021年全球功率半导体前五名厂商分别是英飞凌（14%）、德州仪器（8%）、意法半导体（6%）、亚德诺（6%）、安森美（6%）。其中，英飞凌优势明显，市占率是第二名和第三名之和。 功率IC市场竞争格局与功率分立器件完全不同，功率IC市场玩家主要是模拟半导体厂商。根据Omdia的数据，2021年全球功率IC前五名厂商分别是德州仪器（15%）、亚德诺（11%）、英飞凌（8%）、高通（8%）、瑞萨（6%）。 欧日厂商占据功率分立器件和功率模块市场主要份额。根据Omdia的数据，2021年全球功率分立器件前五名厂商分别是英飞凌（18%）、意法半导体（8%）、安森美（8%）、东芝（5%）、威世（5%）。其中，国内厂商安世半导体凭借二极管、晶体管市场优势排名第七。根据Omdia的数据，2021年全球功率模块前五名厂商分别是英飞凌（24%）、三菱电机（14%）、富士电机（10%）、赛米控（7%）、安森美（5%）。其中，国内厂商斯达半导体排名第九。 图43：功率分立器件市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图44：功率模块市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 欧日厂商占据MOSFET器件主要份额，国内厂商在低端MOSFET领域扩大份额。根据Omdia的数据，2021年全球MOSFET器件前五名厂商分别是英飞凌（24%）、安森美（12%）、意法半导体（8%）、东芝（6%）、AOS（5%）。其中，国内厂商在中低压MOSFET领域快速成长，安世半导体、华润微、士兰微分别占据八到十名。 IGBT器件设计工艺复杂、行业壁垒较高，长期被欧日厂商垄断。根据Omdia的数据，2021年全球IGBT器件前五名厂商分别是英飞凌（28%）、三菱电机（16%）、富士电机（13%）、安森美（5%）、赛米控（4%）。 图45：MOSFET器件市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 图46：IGBT器件市场份额（2021年）资料来源：Omdia、招商银行研究院 SiC器件处于起步阶段，欧美厂商占据主要份额。SiC产业链最关键技术工艺包括衬底、外延、栅氧工艺，三者成本占比分别为46%、23%、20%，衬底成为影响SiC市场发展的核心因素。根据Yole的数据，2022年SiC器件市场前五名厂商分别是意法半导体（37%）、英飞凌（19%）、科锐（16%）、安森美（12%）、罗姆（8%）。碳化硅衬底市场高度垄断，根据Yole的数据，2022年SiC衬底市场前两名厂商分别是科锐（53%）、II-VI（19%）。 图47：SiC器件市场份额（2022年）资料来源：Yole、招商银行研究院 图48：SiC衬底市场份额（2022年）资料来源：Yole、招商银行研究院 3.3国内厂商快速崛起，产品布局各具特色 国内厂商具备一定的技术沉淀，新能源市场爆发带来高速增长机遇。国内功率器件市场需求较大，但由于功率半导体产业起步较晚，国内厂商与行业龙头在规模、技术、产品线方面存在一定差距。经过多年的市场磨练，国内厂商逐步沉淀、追赶、成长，在功率半导体设计、制造、封装各环节都具备一定实力。2020年以来，随着下游新能源行业的爆发，国内功率半导体厂商实现了高速发展，其中包括IDM厂商安世半导体、比亚迪半导体、时代电气、华润微、士兰微、扬杰科技、捷捷微电等，Fabless厂商斯达半导体、东微半导体、新洁能、宏微科技等，代工厂华虹宏力、绍兴中芯、华润微等。 行业龙头大多采用IDM模式，国内Fabless厂商逐步跟进自建产能。以英飞凌、安森美为代表的龙头厂商均采用IDM模式，其拥有完整芯片设计、制造和封装产线，对产品质量和成本控制能力强，遇到行业周期波动时，能够更有效平滑周期，提升持续经营能力。国内IDM厂商在持续扩产之外，Fabless厂商也积极向IDM模式转型，以斯达半导体为例，其投资20亿元用于建设高压特色工艺功率半导体产线。自建制造和封装产线，部分产能自主可控，成为未来功率半导体行业的发展趋势。 图49：国内功率半导体供应链 （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） 资料来源：Yole、招商银行研究院 新能源行业爆发，带动国内厂商向中高压IGBT、SiC产品布局。尽管功率半导体市场仍由海外厂商主导，但随着下游新能源行业的快速发展，国内厂商在功率半导体产品布局和销售规模上均取得快速进步，与国外厂商差距不断缩小。国内厂商在二极管、晶闸管、小信号MOSFET领域技术水平和性能指标已经达到了国际水平，安世半导体、华润微、捷捷微电在不同领域具有竞争优势。在IGBT领域，国内厂商进步明显，时代电气产品的电压区间覆盖范围最广，比亚迪半导体是国内车规IGBT龙头，士兰微在家电IPM模块优势明显，东微半导TGBT产品性能领先第七代IGBT。在SiC领域，国内厂商与国际巨头整体技术差距相对较小，大部分国内厂商都布局了SiC赛道，斯达半导、比亚迪半导体、时代电气的SiC模块已经量产上车，三安光电与意法半导体建立合资公司大规模量产SiC器件，天科合达、天岳先进与英飞凌等厂商签订SiC晶圆供应协议。在GaN领域，安世半导体、三安光电、华润微产品已实现量产。 表4：国内功率半导体公司产品线布局对比资料来源：公司公告、招商银行研究院 国内厂商在新能源行业布局广泛，在细分市场具有较强竞争力。安世半导体是全球领先的功率半导体IDM龙头厂商，位居全球功率半导体第五名，在国内功率半导体排名第一，在二极管晶体管市场全球排名第一，在小信号MOSFET市场全球排名第二，在车规功率MOSFET市场全球排名第二。比亚迪半导体是领先的车规功率半导体厂商，在国内乘用车电机驱动IGBT模块市场排名第二，在国内厂商中排名第一，在IPM领域国内排名第三。斯达半导体是国内IGBT行业领军企业， 在IGBT模块全球市场排名第六，在IGBT模块国内厂商排名第一。华润微是国内领先的功率半导体IDM厂商，在功率器件市场国内排名第二，在MOSFET市场国内排名第一。时代电气是我国轨道交通行业领先的功率半导体IDM厂商，在铁轨牵引变流系统功率器件市场国内排名第一，在乘用车功率模块市场国内排名第三，在光伏逆变器功率模块市场国内排名第三，在集中式逆变器功率模块市场国内排名第一。 表5：主要公司在各行业产品布局资料来源：公司公告、招商银行研究院 国内新能源汽车销售高速增长，国产功率模块在全球占比快速提升。根据广发证券统计，2020年以来，我国新能源汽车销售量增速高于全球水平，2023年上半年我国新能源汽车销售已占全球市场的62.7%。随着国内功率半导体厂商竞争力增强，国内新能源汽车搭载的国产功率模块占比快速提升，根据NE时代统计，2023年1-8月我国新能源乘用车功率模块国产供应占比超过59%。其中，比亚迪半导体搭载功率模块163万套（占比31.2%），时代电气搭载功率模块54.6万套（占比10.5%），斯达半导搭载功率模块38万套（占比7.3%），士兰微搭载功率模块26.2万套（占比5.0%），中芯绍能搭载功率模块24.0万套（占比4.6%）。随着国产功率模块搭载量的大幅提升，国产功率模块在全球新能源汽车市场份额达到37%，占据一席之地。 图50：新能源汽车国内和全球销售情况资料来源：广发证券、招商银行研究院 图51：新能源乘用车功率模块厂商分布情况（2023年1-8月）资料来源：NE时代、招商银行研究院 依托新能源行业快速发展，国内厂商营收实现快速增长。传统领域功率半导体市场增速较慢，国内功率半导体厂商后发劣势明显。随着新能源行业的快速发展，在新能源行业进行布局的国内功率半导体厂商业绩显著增长，并保持较高的毛利率水平。随着新能源行业持续发展，功率半导体应用领域越来越广，新能源领域的功率半导体市场前景乐观。国内功率半导体厂商瞄准新能源产业快速发展的契机，在新技术新产品开发、特色工艺平台建设、聚焦高门槛市场方面加大投入，产品结构调整的步伐进一步加快，未来有望涌现出一批营收规模在50亿以上的厂商。 表6：国内功率半导体公司主要情况（亿元）资料来源：公司公告、招商银行研究院，市值数据截至2023年9月18日 业务建议及风险提示 （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） 4.1业务建议 从过去二十年的趋势来看，半导体应用从传统领域向PC、服务器、智能手机、数据中心等新兴领域持续扩散，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的态势。根据WSTS的数据，全球半导体销售额从2001年的1390亿美元增长到2022年的5735亿美元，增幅高达313%。随着半导体应用从信息技术领域向能源、交通等领域拓展，其长期市场前景广阔。根据SIA的研究，到2030年全球半导体市场预计增长56%，其中汽车行业将占芯片需求的20%。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。 图52：全球半导体行业长期市场前景广阔资料来源：WSTS、招商银行研究院 尽管行业竞争加剧，功率半导体依然处于成长期，主要细分领域仍可积极布局。新能源汽车、光伏、风电、储能、充电桩、UPS、工业电机等新能源相关领域经历了2020年-2022年的快速增长，进入2023年行业增速和渗透率提升都有所放缓。随着市场竞争加剧，部分功率半导体结束供不应求的状态，厂商销售增速放缓、产品毛利率有所下降。由于下游新能源汽车、光伏、储能、充电桩渗透率依然较低，未来新能源潜在市场空间广阔，因此功率半导体各细分领域仍可积极布局。 4.2风险提示 （1）新能源行业阶段性供需过剩的风险。新能源行业经历了2020年-2022年的快速增长，2023年面临阶段性调整。功率半导体属于新能源行业的最上游，行业景气度与下游新能源汽车、光伏、风电、储能等行业景气度紧密相关，若新能源行业发展出现阶段性调整，将直接影响功率半导体市场的供需情况。 （2）地缘政治和贸易摩擦的风险。近年来国际政治局势不确定，贸易摩擦显著加剧。功率半导体行业依然比较薄弱，地缘政治和贸易摩擦可能对行业产生负面影响，对功率半导体的下游需求和供应链带来风险。 （3）技术更新迭代的风险。功率半导体处于行业成长期，面临产品迭代速度过快、研发周期长、资金投入大的风险，如果市场需求变化导致新技术、新工艺路线发生较大变化，可能对行业发展带来波动。 （4）市场竞争加剧的风险。功率半导体市场竞争错综复杂，欧美日巨头占据领先地位，国内厂商虽然快速崛起，但产品依然以中低端市场为主。随着功率半导体需求的持续增长，可能导致更多的海外巨头竞争者加入，从而对国内厂商发展产生不利影响。 （5）主要原材料供应集中度高的风险。功率半导体上游原材料硅片、引线框、化学品、气体等材料成本占比较高，供应商集中度也相对较高，原材料价格的波动将对毛利率水平带来影响。如果原材料出现延迟交货、限制供应或短期价格大幅波动，可能对行业生产经营造成不利影响。 （6）知识产权纠纷的风险。知识产权组合的优势是半导体行业取得竞争优势和实现持续发展的关键因素。功率半导体行业的专有技术、商业机密、专利或集成电路布图设计被盗用或不当使用，可能产生知识产权纠纷，可能对行业发展造成不利影响。 -END- 相关报告 《新能源电子之被动元件篇——电动化时代，被动元件的新机遇》 本期作者 招商银行研究院 南通分行 胡国栋 行业研究员 huguodong@cmbchina.com 鲁皇江 南通分行风险管理部 lhj2016@cmbchina.com 转载声明： 1、本报告为招商银行研究院已发布报告的公开版本，报告内容均为原创。 2、如需转载，请提前征得本公众号授权。转载时需要保留全文所有内容，请勿对本报告进行任何有悖原意的引用、删节和修改。 3、转载时请注明出处为“招商银行研究院（ID：zsyhyjy）”，并在“原文链接”中保留原始公众号文章链接。 4、授权方式：请参照文末方式联络招商银行研究院。 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