功率半導(dǎo)體：電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心

1. 功率半導(dǎo)體：電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心

功率半導(dǎo)體是電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心。功率半導(dǎo)體是一 種廣泛用于電力電子裝置和電能轉(zhuǎn)換和控制電路的半導(dǎo)體元件，可通過半 導(dǎo)體的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)電源開關(guān)和電力轉(zhuǎn)換的功能。

功率半導(dǎo)體具有能夠支持高電壓、大電流的特性，主要用途包括變 頻、整流、變壓、功率放大、功率控制等。除保障電路正常運(yùn)行外，因其 能夠減少電能浪費(fèi)，功率半導(dǎo)體還能起到節(jié)能、省電的作用。

圖表1. 功率半導(dǎo)體原理

圖表2. 功率半導(dǎo)體功能

2. 功率半導(dǎo)體=功率器件+功率 IC

功率半導(dǎo)體按器件集成度可以分為功率分立器件和功率 IC 兩大類。功率分立器件包括二極管、晶體管和晶閘管三大類，其中晶體管市場 規(guī)模最大，常見的晶體管主要包括 IGBT、MOSFET、BJT（雙極結(jié)型晶體 管）。

功率 IC 是指將高壓功率器件與其控制電路、外圍接口電路及保護(hù)電 路等集成在同一芯片的集成電路，是系統(tǒng)信號處理部分和執(zhí)行部分的橋 梁。

圖表3. 功率半導(dǎo)體產(chǎn)品范圍示意圖

3. IGBT：電力電子行業(yè)的“CPU”

兼具 MOSFET 及 BJT 兩類器件優(yōu)勢，IGBT 被稱為電力電子行業(yè)的 “CPU”。IGBT 全稱絕緣柵雙極晶體管，是由 BJT（雙極型三極管）和 MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件。

IGBT 具有電導(dǎo)調(diào)制能力，相對于 MOSFET 和雙極晶體管具有較強(qiáng)的 正向電流傳導(dǎo)密度和低通態(tài)壓降，因此兼具有 MOSFET 的高輸入阻抗 MOSFET 器件驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、BJT 器件飽和壓降低、電流密度 高和 GTR 的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。

圖表4：3種類型英飛凌 IGBT 結(jié)構(gòu)示意圖

圖表 5. IGBT 結(jié)構(gòu)圖

4. IGBT發(fā)展史：歷經(jīng)七代技術(shù)演進(jìn)，產(chǎn)品性能逐代提升

歷時(shí)超 30 年，IGBT 已經(jīng)發(fā)展至第七代，各方面性能不斷優(yōu)化。目前 為止，IGBT 芯片經(jīng)歷了七代升級：襯底從 PT 穿通，NPT 非穿通到 FS 場 截止，柵極從平面到 Trench 溝槽，最后到第七代的精細(xì) Trench 溝槽。

隨著技術(shù)的升級，芯片面積、工藝線寬、通態(tài)功耗、關(guān)斷時(shí)間、開關(guān) 功耗均不斷減小，斷態(tài)電壓由第一代的600V升至第七代7000V。

圖表 6. IGBT 技術(shù)演進(jìn)

圖表 7. IGBT 芯片技術(shù)發(fā)展

5. 下游應(yīng)用：新能源汽車、軌交等新興領(lǐng)域打開市場空間

低壓 IGBT 多用于消費(fèi)、汽車、家電領(lǐng)域，中高壓 IGBT 多用于軌 交、智能電網(wǎng)領(lǐng)域。IGBT 下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，按電壓等級劃分，超低壓 （400-500V）IGBT 主要應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，低壓（600-1350V）IGBT 多應(yīng)用于電動汽車、新能源、智能家電領(lǐng)域，中壓（1400-2500V）IGBT 多應(yīng)用于軌道交通、新能源發(fā)電領(lǐng)域，高壓（2500-6500V）IGBT 多應(yīng)用 于軌道牽引、智能電網(wǎng)領(lǐng)域。

目前，IGBT 作為新型功率半導(dǎo)體器件的主流器件，其應(yīng)用領(lǐng)域包含 工業(yè)、 4C（通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車電子）等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以 及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

圖表8. IGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域

圖表9. IGBT 芯片技術(shù)發(fā)展

6. 市場規(guī)模：2022 年全球 IGBT 市場規(guī)模有望達(dá)到 57 億美元

2017-2022 年全球 IGBT 市場規(guī)模 CAGR 達(dá) 7.04%，中國市場主要應(yīng) 用包括新能源汽車、工控、消費(fèi)電子。受益于工業(yè)控制及電源行業(yè)市場的 逐步回暖，以及下游的變頻家電、新能源汽車等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，全球及 中國 IGBT 市場規(guī)模持續(xù)增長。根據(jù) WSTS 數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì) 2022 年全球 IGBT 市場規(guī)模將達(dá)到近 57 億美元，2017-2022 年 CAGR 達(dá)到 7.04%。

從下游應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模占比來看，2020 年中國 IGBT 市場應(yīng)用以新能源 汽車、工業(yè)控制及消費(fèi)電子類為主，占比分別為 30%、27%及 22%。

圖表10. 全球 IGBT 市場規(guī)模（單位：億美元）

圖表11. 2020 年中國 IGBT 市場下游應(yīng)用占比

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7. 市場格局：海外大廠占據(jù)主要市場，中國企業(yè)追趕空間大

IGBT 市場英飛凌市占率全面領(lǐng)先，2020 年斯達(dá)半導(dǎo)躋身 IGBT 模塊 市場前六。根據(jù) Omdia 數(shù)據(jù)，2020 年 IGBT 分立器件市場及 IGBT 模塊市 場規(guī)模前三的企業(yè)均為英飛凌、富士電機(jī)及三菱。其中英飛凌 IGBT 市場 市占率全面領(lǐng)先，IGBT 分立器件和 IGBT 模塊的市占率分別為 29.3%和 36.5%。

在 IGBT 分立器件市場中，中國企業(yè)士蘭微進(jìn)入全球前十，2020 年市 場份額為 2.6%；在 IGBT 模塊市場中，2020 年斯達(dá)半導(dǎo)躋身全球第六，市 場份額為 3.3%。

圖表12. 2020 年全球 IGBT 分立器件市場格局

圖表13. 2020年全球 IGBT 模塊市場格局

8. 國內(nèi)外重點(diǎn)公司布局情況

（1）中國 IGBT 產(chǎn)業(yè)鏈

圖表15. 中國 IGBT 產(chǎn)業(yè)鏈

①斯達(dá)半導(dǎo)：國內(nèi) IGBT 龍頭企業(yè)，全球 IGBT 模塊市占率第六

嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司成立于 2005 年 4 月，主要從事功率半 導(dǎo)體芯片和模塊尤其是 IGBT 芯片和模塊研發(fā)、生產(chǎn)和銷售服務(wù)的國家級 高新技術(shù)企業(yè)。公司在全球 IGBT 模塊市場市占率為 3.3%，全球排名第 六，國內(nèi)排名第一，是國內(nèi) IGBT 領(lǐng)軍企業(yè)。

公司的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和電源、可再生能源、新能源汽車、 白色家電等領(lǐng)域。

2021 年前三季度，公司實(shí)現(xiàn)營收 11.97 億元，同比增長 79.11%，歸母 凈利潤 2.67 億元，同比增長 98.71%。

圖表16. 斯達(dá)半導(dǎo)發(fā)展歷程

斯達(dá)半導(dǎo)在中高壓 IGBT 產(chǎn)品全面布局，定增加碼車規(guī) SiC 芯片研發(fā)。公司第六代 FS-Trench 650V/750V IGBT 芯片及在新能源汽車行業(yè)使用 比率持續(xù)提升；1200V IGBT 芯片在 12 寸產(chǎn)線上開發(fā)成功并開始批量生產(chǎn); 1700V IGBT 芯片及配套的快恢復(fù)二極管芯片在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)、高壓變頻 器行業(yè)規(guī)?；b機(jī)應(yīng)用。

汽車級 IGBT 模塊合計(jì)配套超過 20 萬輛新能源汽車；同時(shí)，公司在 車用空調(diào)，充電樁等領(lǐng)域的布局將助力公司在新能源汽車半導(dǎo)體市場占有 率進(jìn)一步提高。

2021 年公司發(fā)布增發(fā)預(yù)案，募集資金總額不超過 35 億元，主要用于 高壓特色工藝功率芯片及 SiC 芯片的研發(fā)。未來，公司將持續(xù)加大在下一代IGBT芯片、車規(guī)級 SiC 芯片以及 3300V-6500V 高壓 IGBT 的研發(fā)力度。

圖表17.各類 IGBT 產(chǎn)品應(yīng)用

②時(shí)代電氣：軌交電氣龍頭，高壓 IGBT 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代

中車時(shí)代電氣是中國中車旗下股份制企業(yè)。公司于 2006 年在香港聯(lián) 交所主板上市，2021 年科創(chuàng)板上市，實(shí)現(xiàn) A+H 股兩地上市。

功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，公司建有 6 英寸雙極器件、8 英寸 IGBT 和 6 英寸 碳化硅的產(chǎn)業(yè)化基地，擁有芯片、模塊、組件及應(yīng)用的全套自主技術(shù)。公 司全系列高可靠性 IGBT 產(chǎn)品打破了軌道交通核心器件和特高壓輸電工程 關(guān)鍵器件由國外企業(yè)壟斷的局面。目前正在解決新能源汽車核心器件自主 化問題。

2021 年前三季度公司實(shí)現(xiàn)營收 85.3 億元，同比下降 13.7%。歸母凈利 潤 12.02 億元，同比下降 19.7%。

圖表18. 時(shí)代電氣發(fā)展歷程

公司的產(chǎn)品包括 IGBT 芯片、 IGBT 模塊、雙極功率組件、晶閘管、 IGCT、 SiC SBD、SiC MOSFET、SiC 模塊等。在 IGBT 領(lǐng)域，公司產(chǎn)品 已從 650V 覆蓋至 6500V，在電壓范圍上可完美對標(biāo)英飛凌。公司高壓 IGBT 產(chǎn)品大量應(yīng)用于我國軌交核心器件領(lǐng)域；中低壓 IGBT 產(chǎn)品主要應(yīng)用 于新能源汽車領(lǐng)域，目前公司最新一代產(chǎn)品已向包括一汽、長安在內(nèi)的國 內(nèi)多家龍頭汽車整車廠送樣測試驗(yàn)證，未來看好公司車規(guī)級 IGBT 發(fā)展。

圖表19. 時(shí)代電氣功率產(chǎn)品應(yīng)用

③士蘭微：產(chǎn)能持續(xù)落地，產(chǎn)品高端化進(jìn)程順利

士蘭微成立于 1997 年 9 月，2003 年 3 月公司在上交所上市。目前已 發(fā)展成為國內(nèi)規(guī)模最大的集成電路芯片設(shè)計(jì)與制造一體（IDM）的企業(yè)之 一。公司被國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部等國家部委認(rèn)定為 “國家規(guī)劃布局內(nèi)重點(diǎn)軟件和集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)”，且陸續(xù)承擔(dān)了國家科技 重大專項(xiàng)“01 專項(xiàng)”和“02 專項(xiàng)”多個(gè)科研專項(xiàng)課題。

公司主要產(chǎn)品包括集成電路、半導(dǎo)體分立器件、LED（發(fā)光二極管） 產(chǎn)品。公司擁有 5、6、8 英寸芯片生產(chǎn)線和正在建設(shè)的 12 英寸芯片生產(chǎn) 線和先進(jìn)化合物芯片生產(chǎn)線。產(chǎn)品方面，公司完成了國內(nèi)領(lǐng)先的高壓BCD、超薄片槽柵 IGBT、超結(jié)高壓 MOSFET、高密度溝槽柵 MOSFET、 快恢復(fù)二極管、 MEMS 傳感器等工藝的研發(fā)，形成了較完整的特色工藝制 造平臺。

2020 年 MOSFET 市場公司排名全球第十，中國大陸第三，市占率 2.2%。IGBT 分立器件市場公司排名全球第十，中國大陸第一，市占率 2.6%。

2021 年前三季度營收 52.22 億元，同比增長 76.18%；實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤 7.28 億元，同比增長 1543.4% 。

圖表20. 士蘭微發(fā)展歷程

④華潤微：國內(nèi)功率 IDM 龍頭，積極布局第三代半導(dǎo)體

華潤微成立于 2003 年，自 2004 年起連續(xù)被工信部評為中國電子信息 百強(qiáng)企業(yè)。公司是國內(nèi)領(lǐng)先的掌握芯片設(shè)計(jì)、制造、封測一體化運(yùn)營能力 的 IDM 企業(yè)。

主營產(chǎn)品包括MOSFET 、IGBT 、FRD 、SBD等功率器件。在MOSFET領(lǐng)域中，公司是國內(nèi)少數(shù)能夠提供100V至1500V范圍內(nèi)低、中、高壓全系列 MOSFET產(chǎn)品的企業(yè)。同時(shí)，公司成功研發(fā)1200V和650VSiC肖特基二極管產(chǎn)品。此外，公司國內(nèi)首條6英寸商用SiC 晶圓生產(chǎn)線正式量產(chǎn)。

2020年MOSFET市場公司排名全球第八，中國大陸第一，市占率達(dá)到3.9%。

2021年前三季度營收69.28億元，同比增長41.70%；實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤16.84億元，同比增長145.20% 。

圖表21. 華潤微發(fā)展歷程

⑤新潔能：全面布局 MOS、IGBT 產(chǎn)品，設(shè)計(jì)龍頭技術(shù)高端 化優(yōu)勢明顯

新潔能成立于 2013 年，目前已成長為國內(nèi) 8 英寸及 12 英寸芯片投片 數(shù)量最大的功率半導(dǎo)體公司之一，公司連續(xù)四年名列“中國半導(dǎo)體功率器 件十強(qiáng)企業(yè)”。

目前公司已經(jīng)掌握 MOSFET、IGBT 等多款產(chǎn)品的研發(fā)核心技術(shù)。是 國內(nèi)最早同時(shí)擁有溝槽型功率 MOSFET、超結(jié)功率 MOSFET、屏蔽柵功率 MOSFET 及 IGBT 四 大 產(chǎn) 品 平 臺 的 本 土 企 業(yè) 之 一 。產(chǎn) 品 電 壓 覆 蓋 12V~1700V 的全系列產(chǎn)品，是國內(nèi) MOSFET、IGBT 等半導(dǎo)體功率器件市 場占有率排名領(lǐng)先的企業(yè)。此外，公司在 SiC/GaN 第三代半導(dǎo)體器件亦有 所布局。

2021 年前三季度公司營收 10.99 億元，同比增長 65%，歸母凈利潤 3.11 億元，同比增長 208%。

圖表22. 新潔能發(fā)展歷程

⑥揚(yáng)杰科技：產(chǎn)品高端化布局開啟第二成長曲線

揚(yáng)州揚(yáng)杰電子科技股份有限公司成立于 2006 年，于 2014 年 1 月 23 日 在深交所上市。公司是國內(nèi)少數(shù)集半導(dǎo)體分立器件芯片設(shè)計(jì)制造、封裝測 試、終端銷售與服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈垂直一體化（IDM）的杰出廠商。公司已連 續(xù)數(shù)年入圍“中國半導(dǎo)體功率器件十強(qiáng)企業(yè)”前三強(qiáng)。

公司主營產(chǎn)品為包括分立器件芯片、整流器件、保護(hù)器件、小信號、MOSFET、IGBT 等。其中二極管、整流橋類產(chǎn)品在國內(nèi)占據(jù)領(lǐng)先地位。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子、安防、工控、汽車電子、新能源、家電等領(lǐng) 域。

IGBT：8 英寸工藝的 1200V Trench FS IGBT 芯片及對應(yīng)模塊開始風(fēng)險(xiǎn) 量產(chǎn)，IGBT 高頻系列模塊、IGBT 變頻器系列模塊等也取得批量訂單。MOSFET ：公司持續(xù)優(yōu)化提高 Trench MOSFET 和 SGT MOS 系列產(chǎn)品性 能，擴(kuò)充產(chǎn)品品類。

公司 2021 年前三季度公司營收 32.41 億元，同比增長 75.76%，歸母 凈利潤 5.65 億元，同比增長 115.17%。

圖表23. 揚(yáng)杰科技發(fā)展歷程

⑦聞泰科技：以半導(dǎo)體為核心，安世引領(lǐng)國產(chǎn)功率半導(dǎo)體

聞泰科技于 2006 年創(chuàng)立，2008 年主營業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級為 ODM，2016 年借殼中茵股份“曲線上市”。2018 年收購功率半導(dǎo)體 IDM 企業(yè)安世半 導(dǎo)體打通了產(chǎn)業(yè)鏈上下游從芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、半導(dǎo)體封裝測試全流 程，并擁有自建模具廠和完善的智能化生產(chǎn)線。

安世半導(dǎo)體是全球領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體制造商。據(jù)安世數(shù)據(jù)顯示，公司 全球整體市占率達(dá)到 8.4%，其中在小信號二極管和晶體管、ESD 保護(hù)器 件全球排名第一，PowerMOS 汽車領(lǐng)域、邏輯器件全球排名第二，小信號 MOSFET 排名第三。

2021 年前三季度公司營業(yè)收入 386.5 億元，同比增長 0.8%。歸母凈利 潤 20.4 億元，同比下降 9.64%。

圖表24. 聞泰科技發(fā)展歷程

業(yè)務(wù)方面，公司主要業(yè)務(wù)為通信（ODM）、半導(dǎo)體、光學(xué)模組業(yè)務(wù)。其中公司在收購安世半導(dǎo)體后，經(jīng)營整合的協(xié)同效應(yīng)逐步顯現(xiàn)。未來，公 司將以半導(dǎo)體業(yè)務(wù)為核心，完成產(chǎn)能、產(chǎn)品中遠(yuǎn)期布局，同時(shí)打造半導(dǎo)體 與產(chǎn)品集成業(yè)務(wù)創(chuàng)新互動的協(xié)同格局，業(yè)績實(shí)現(xiàn)放量增長。2020 年公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)營收 98.92 億元，同比增長 522%，營收占比提升至 19%。

產(chǎn)能方面，公司在全球各地設(shè)有工廠，其中今年完成了對英國 NEWPORT 廠的收購，月產(chǎn)能增加3.2萬片8寸等效晶圓。同時(shí)，在上海臨港新建的12寸晶圓廠目前建設(shè)進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)明年三季度投片，年產(chǎn)能達(dá)40萬片12寸晶圓。

產(chǎn)品方面，公司目前超100V的MOSFET 料號數(shù)超過100種，IGBT 第一批料號目前也已進(jìn)入流片階段。

圖表25. 聞泰科技&安世半導(dǎo)體產(chǎn)能

審核編輯 ：李倩