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功率半导体量价齐升,国产替代正当时(2022年)

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功率半导体量价齐升,国产替代正当时(2022年)

 

  目录

 一、下游需求旺盛驱动功率半导体市场规模增长

 .......................................................................................................... 4 (一)功率半导体用途广泛,市场空间广阔

  ........................................................................................................................ 4

 (二)新能源汽车产业发展提振功率半导体需求

  ................................................................................................................ 6

 (三)新能源发电装机量持续增长,带动功率半导体需求提升

  ....................................................................................... 10

 (四)

 5G

 时代四大场景,驱动功率半导体需求提升

  ........................................................................................................ 11

 (五)消费电子为功率半导体带来巨大增量

  ...................................................................................................................... 12

 二、晶圆代工产能紧张,有望带动功率半导体价格上涨

 ............................................................................................ 14 三、性能优势&成本下降,第三代半导体材料加速渗透

 ............................................................................................. 16 (一)第三代半导体材料具有更好的产品性能

  .................................................................................................................. 16

 (二)技术趋于成熟,带动成本下降

  .................................................................................................................................. 16

 (三)

 S I C,

 G A N

 第三代功率半导体成长空间广阔

  ............................................................................................................. 17

 四、技术进步、产能扩张,加速实现国产替代

 ............................................................................................................ 19 (一)功率半导体国产化率较低,主要集中在高端领域

  .................................................................................................. 19

 (二)功率半导体技术迭代较慢 & 政策支持助力国内厂商份额提升

  ................................................................................ 21

 (三)技术进步产能扩张,国产替代未来可期

  .................................................................................................................. 23

 五、投资建议 .................................................................................................................................................................... 26 六、风险提示 .................................................................................................................................................................... 28 插图目录

 ........................................................................................................................................................................... 29 表格目录

 ........................................................................................................................................................................... 29

 一、下游需求旺盛驱动功率半导体市场规模增长

 (一)功率半导体用途广泛,市场空间广阔 功率半导体用途广泛。功率半导体为可起到功率转换、功率放大、功率开关、线路保护和整流等作用,其下游应用十分广泛,几乎用于所有的电子制造行业,传统应用领域包括消费电子、网络通信、电子设备等产业。随着社会经济的快速发展及技术工艺的不断进 步,新能源汽车及充电桩、智能装备制造、物联网、新能源发电、轨道交通等新兴应用领域逐渐成为功率半导体的重要应用市场,带动功率半导体需求快速增长。

 功率半导体按类型可分为二极管、晶闸管、晶体管。1)功率二极管结构简单,有单 向导电性,广泛用于消费电子中。2)晶闸管体积小、可靠性高,多用于高压直流输电、轨道交通。4)晶体管可进一步分类为 BJT\MOSFET\IGBT。BJT 有低导通压降特性,有电流放大和开关的作用,常用于家电和开关电路。MOSFET 有易于驱动、频率超高的特点,主要应用于手机充电器、移动电源、车载导航等。IGBT 兼具 MOSFET 的高输入阻抗和双极型三极管 BJT 的低导通压降两方面的优点,开关速度高,易于驱动,频率高,损耗低,常用于 600V 以上的大功率装置,如电动汽车充电桩、逆变器等。

 图1:功率半导体的应用领域 图2:功率半导体按类型分类

  资料来源:新洁能招股说明书,&& 资料来源:华润微招股说明书,&& 全球及中国功率半导体市场空间广阔。近年来,受益于社会经济、技术水平的进步以 及应用领域的拓宽,功率半导体的市场空间稳步增长。2020

 年全球功率半导体市场空间约为 430 亿美元,据 Omdia 预测到 2024 年将进一步增长至约 525 亿美元,未来 4 年 CAGR约为 5%。另据 IHS 数据显示,2018 年中国功率半导体市场空间约为 138 亿美元,占全球市场份额的 35%,预计 2021 年中国功率半导体市场空间将增至 159 亿美元,CAGR 约为 5%。

  图3:全球功率半导体市场空间(亿美元)

 图4:中国功率半导体市场空间(亿美元)

 600

 500

 400

 300

 200

 100

 0

  2017

 2018

 2019

  2020E

 2021E

 2022E

 2023E

 2024E 10% 8% 6% 4% 2% 0% -2% -4% -6% -8% -10%

  180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 中国市场规模(亿美元)

 增速

 2014

 2015

 2016

 2017

 2018

  2019E 2020E 2021E

  14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% -2%

 资料来源:Omdia,&& 资料来源:IHS,&& 汽车电子、工业电子、消费电子是功率半导体的主要应用领域。从全球功率半导体的下游应用领域占比来看,2019 年汽车电子占比最多,达 35.4%,工业电子、消费电子的占比分别为 26.8%和 13.2%,是第二、第三大应用领域。从中国功率半导体的下游应用领域 来看,2019 年在汽车电子同样占比最多达 27.4%、其次是消费电子、工业和电力,占比分别为 23.1%和 18.6%。

 图5:2019 年全球功率半导体下游应用领域占比 图6:2019 年中国功率半导体下游应用领域占比

 汽车 其他 工业电源 汽车 消费电子 消费电子工业

 电力

 通信及其他

  资料来源:智研咨询,&& 资料来源:智研咨询,&&

  (二)新能源汽车产业发展提振功率半导体需求 政策、市场双导向,推动新能源汽车景气度上行。政策方面,多国二氧化碳限排政策、新能源汽车补贴政策双管齐下,以应对全球气候变暖压力,汽车电动化路线愈加明显。在欧盟,ACEA 汽车温室气体排放协议规定,到 2030 年以前,汽车二氧化碳排放量需低于每公里 59 克。根据英飞凌测算,欧盟新能源汽车渗透率将在 2030 达到 40%。在中国, 《新能源汽车产业发展规划(2021—2035 年)》提出新能源汽车发展愿景,计划到 2025 年,国内新能源汽车渗透率达到 20%。

 图7:

 全球主要国家二氧化碳排放管理与发展

  资料来源:英飞凌,&& 汽车电动化大势所趋,功率半导体面临新的增长机遇。以电力系统作为动力源的新能源汽车,对电子元器件功率管理,功率转换能力提出了更高的要求。在传统汽车中,功率半导体主要应用于车辆启动,发电和安全领域,低压低功率电子元器件即可满足其工作需求。而在新能源汽车中,电池输出的高电压需要进行频繁的电压变换,电流逆变。这些电 路大幅提高了汽车对 IGBT、MOSFET、双极晶体管、二极管的需求,从而提升了单车功率半导体价值。

  图8:纯电动汽车结构图

 资料来源:《电动汽车维修快速入门 60 天》,&& 预计 2025 年中国新能源汽车用功率半导体市场规模将达 104 亿元。乘联会预计 2025 年中国汽车销量将达 2400 万辆,若新能源汽车渗透率能够达到规划提出的 20%,则 2025 年新能源汽车销量预计将达到 480 万辆。根据英飞凌最新统计,全电池电动车(BEV)和 全插电混合电动车(PHEV)中功率半导体平均价值约为 330 美元。如果不考虑我国新能源汽车中占比较小的轻混电动车、燃料电池电动车,预计中国新能源汽车功率半导体市场空间将在 2025 年达到 104 亿元人民币。

 图9:中国汽车、新能源汽车销量测算(万辆)

  汽车销量(万辆)

 新能源汽车销量(万辆)

 3,000

 2,500

 2,000

 1,500

 1,000

 500

 0 2017

 2018

 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E

 资料来源:乘联会,国务院办公厅,&&

  表1:中国新能源汽车功率半导体市场空间测算

 年份 汽车销量(万 辆)

 新能源汽车销量 占比 新能源汽车销量 (万辆)

 新能源汽车功率半导 体单车价值(美元)

 功率半导体市场 规模(亿元)

 2017 2423.80 3% 77.70 $330 16.94 2018 2286.60 5% 125.60 $330 27.38 2019 2070.00 6% 120.60 $330 26.29 2020E 1830.00 6% 117.60 $330 25.64 2021E 1900.00 8% 155.80 $330 33.97 2022E 2030.00 10% 206.41 $330 45.00 2023E 2160.00 13% 273.47 $330 59.62 2024E 2300.00 16% 362.31 $330 78.99 2025E 2400.00 20% 480.00 $330 104.65 资料来源:乘联会,国务院办公厅,&&备注:按 1 美元=6.6067 人民币汇率测算 电动车充电桩需求提升也将带动功率半导体需求增长。未来新能源汽车的普及也必 将推动充电桩需求的提升,且随着应用场景的优化,快充将成必然需求,带动充电桩功率提升。而 IGBT 等功率半导体器件在是充电桩电源模块必不可少的部分。随着充电桩数量和功率的提升,相应的功率半导体市场空间将进一步扩大。

 图10:新能源电动汽车直流充电桩控制电路图 图11:新能源电动汽车交流充电桩控制电路图

 资料来源:第一电动,&& 资料来源:《电动汽车充电系统技术原理与解析》,&& IGBT 约占充电桩 20%的成本,预计 2025 年充电桩 IGBT 市场空间将达 35 亿元。我国汽车充电设施的保有量随着新能源汽车市场的发展不断提升。2019

 年中国新能源汽车保有量 418.12 万辆,充电桩保有量 122 万座,车桩比约为 3.4:1。其中公共交流电充 电桩交 30 万座,公共直流电充电桩 22 万座,私人充电桩 70 万座。由于直流电充电桩功率高,充电速度快,更能够满足消费者需求,在未来有更高的提升空间。

 从目前看来,新能源汽车报废周期在 8-10 年之间,按前述测算,2025 年新能源汽车保有量将达到 1847 万辆,随着新基建的推进,假设到 2025 年车桩比提升至 3:1,可推 算出 2025

 年充电桩保有量约为 615

 万个,由于新基建侧重公共充电桩的建设,到 2025

  年,公共车桩比例有望到达 50%。目前市场上公共直流电充电桩成本约为 4 万元,公共交流电充电桩成本约 0.5 万元,私人交流电充电桩成本约 0.3 万元,IGBT 在充电桩中的成本 约为 20%,我们预计充电桩用功率半导体市场空间将在 2025 年达到 35 亿元。

 图12:中国充电桩保有量与测算(万辆)

  公共交流电充电桩保有量(万个)

 公共直流电充电桩保有量(万个)

 700

 600

 500

 400

 300

 200

 100

 0 2016 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E

 资料来源:EVCIPA,&& 表2:中国充电桩 IG BT 市场空间测算

  预计公共交流充电 年份 预计公共直流充电 预计私人充电桩 预计充电桩 IGBT

 资料来源:EVCIPA,&&

  (三)新能源发电装机量持续增长,带动功率半导体需求提升 功率半导体是光伏逆变器中的核心器件。光伏发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器组件、控制器和交流/直流负载组成。因为太阳能电池产生的电能为直流电,要将发出来的电回馈给电网,就需要将直流电通过光伏逆变器转换为电网要求的 220V、50HZ

 的 交流电。光伏逆变器中,功率半导体模组,分立器件起到提高转换效率、降低系统散热片的尺寸、提高相同电路板上的电流密度作用。

 图13:采用全桥拓扑架构的光伏逆变器电路 图14:光伏逆变器成本结构占比

  2

  机械部分

 无源器件

 电器结构

 集成电路配件 其他 功率模组

 分立器件 资料来源:维科网,&& 资料来源:IMS Research,&& 预计

 2025 年光伏逆变器用功率半导体市场空间约为

 44 亿元。以光伏发电为例,新增装机和逆变器更换都将带来功率半导体的需求增长,根据 Trend

 Force 预测,2025 年光 伏逆变器出货量将达 327GW。光伏发电设备的逆变器可选择组串式逆变器、集中式逆变器和集散式逆变器,根据 CIPA 测算,2019 年上述三类逆变器的加权平均成本大约为 0.2元/W,2025 年有望降至 0.15 元/W。假设光伏逆变器成本中,功率半导体的占比在 9%左右,预计 2025 年光伏逆变器功率半导体市场空间约为 44 亿元。

  (四)5G 时代四大场景,驱动功率半导体需求提升 场景一,受益于 5G 基站数量提升带动功率半导体需求增长。为传输更大量的信息, 5G

 传输信号所用电磁波比 4G

 有更高的频率,这导致电磁波穿...

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