功率半导体国产化进程提速，当前国际竞争格局如何？

 

功率器件是功率半导体的一个重要分支，应用领域极其广泛，几乎用于所有电力电子制造业，其中，汽车、工业和消费电子是功率半导体的前三大终端市场。

资料来源：Yole

 

功率器件细分领域中，早期二极管、三极管主要应用于工业和电力系统；晶闸管实现可控性改良；功率MOSFET和IGBT等器件实现高频率、低损耗性能大幅提升；超结MOSFET打破传统“硅限”以满足大功率和高频化的应用需求；在硅基器件逐渐开发到极限，开始使用第三代半导体材料SiC、GaN替代硅材。

资料来源：华润微招股书

 

根据Yole数据预测，IGBT和MOSFET在新能源车和工业控制领域增速最快，预计2023年新能源车领域市场空间达37亿美元，工业领域达25亿美元。

 

功率器件传统应用需求稳定，新兴应用领域是功率器件行业的增长点，未来看点主要在于新能源汽车/充电桩、智能装备制造、物联网、可再生能源发电等新兴应用领域所带来的巨量需求缺口。

 

传统汽车中，功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域，新能源汽车普遍采用高压电路，当电池输出高压时，需要频繁进行电压变化，对电压转换电路需求提升，此外还需要大量的DC-AC逆变器、变压器、换流器等，这些对IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量很大。

 

功率半导体为电动汽车成本最主要组成部分，成本占比过半。电动汽车将新增大量与电池能源转换相关的功率半导体器件，功率半导体应用大幅上升。根据麦肯锡统计数据，纯电动汽车的半导体成本为704美元，比传统汽车350美元高出近1倍，其中功率半导体的成本为387美元，占总成本的55%。

 

风力发电机是将风能转换为电能的过程，由于风能的不稳定产生非固定频率的交流电，需要通过变频器系统调节成可入网电流。一个完整的变频器系统分两部分，主电路和控制电路，主电路部分会用到大量的功率半导体元件，如IGBT、MOSFET、GTO等。

 

风电变流器主要原材料包括功率元器件、控制器件、通用元器件、功率电气件、金属材料以及电线等，各种电力电子器件占其成本50-55%左右，IGBT占比约为10%。

 

光伏发电是将太阳能转化成电能并导入电网的过程，需要配置光伏逆变器将直流电转换成符合电网要求的交流电，IGBT是逆变器系统中的核心器件。

 

硅基半导体材料性能开发已接近极限，为满足更多需求，以碳化硅（SiC）和氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体材料正在快速进入产业化。而新能源和5G通信两大新兴市场需求是推动宽禁带材料快速发展的核心驱动力。

 

 

全球功率半导体的主要产地集中在欧美日，当地厂商先发优势明显，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。

 

其次是中国台湾，中国台湾的厂商从代工向设计的方向发展，与欧美日仍然有差距，目前占据全球10%的市场份额。中国大陆以二极管、低压MOSFET、晶闸管等低端功率半导体为主。

 

根据Omdia数据，在2019年全球功率器件及模组市场中，全球前10大厂商清一色为欧美日企业。英飞凌、安森美、意法半导体、三菱电机、东芝半导体分别以19.0%、8.4%、5.8%、5.5%、4.5%的市占率位居前五位。

资料来源：华泰证券

 

中国目前是全球最大的功率半导体消费国。捷捷微电、斯达半导、新洁能、华微电子、扬杰科技、士兰微、苏州固锝等主流大陆功率器件厂商2019年营收合计109.81亿元，占全球功率器件和模块市场的7.25%，占国内市场18.13%，国内功率器件体量整体偏小，仍有较大成长空间。

 

中国大陆主要功率器件厂商：

资料来源：国海证券

 

第三代半导体材料主要应用于光电子、电力电子和微波射频三个领域，碳化硅（SiC）主要对应的是中、高功率电力电子器件，氮化镓(GaN)则是光电子、中低功率电力电子和射频器件。

 

海外公司在SiC材料领域实力领先，但是我国具备全产业链布局，是国际上为数不多可在各环节均紧随国际先进水平的国家，具备产业化基础。

 

Cree、英飞凌和Rohm三家公司占据了近全球碳化硅市场约70%的份额，而全球碳化硅晶圆市场几乎由Cree一家主导。

 

国内SiC晶片供应商有天科合达、山东天岳，器件企业有士兰微、三安集成等。

 

氮化镓(GaN)方面目前也是以海外企业为主，国内企业在衬底外延和设计制造领域都逐渐开始涉足，如GaN衬底制造厂苏州纳维、东莞中镓；GaN外延制备商苏州晶湛；GaN-on-Si制造企业英诺赛科、耐威科技；GaN晶圆代工企业海特高新；IDM企业三安集成、安世半导体等。

 

虽然功率半导体行业集中度较高，但尚未形成完全垄断竞争格局，CR5份额为50.46%，除了英飞凌与安森美外，其余厂商份额差距不大，竞争格局相对分散。

 

对比CPU/GPU/存储器等传统IC产品典型寡头垄断格局，功率器件对于国内厂商的壁垒相对不高，国内厂商在二极管上已经颇具竞争力，在MOSFET/IGBT等中高端产品也初具实力，功率器件国产替代机遇明确。

 

国内企业由于起步晚，受到技术水平较低、产品线不齐全、企业规模小等因素制约，目前还处于追赶阶段。

 

随着PowerMOSFET等技术变化放缓，中国部分实力强劲的IDM厂商，依托自主研发和创新能力，在功率器件相关的技术与产能上目前已经初具竞争力，有望逐步追赶海外，在中低压功率器件率先实现国产替代。

 

随着新基建与新能源发电等进一步提升中国功率市场需求，两大边际改善影响下，功率半导体国产化进程将进一步提速。

 

在市场需求、政策、人才、资金和技术多因素催化下，国内功率半导体行业未来3-5年有望进入黄金发展期。随着新基建与新能源发电等进一步提升中国功率市场需求，两大边际改善影响下，功率半导体国产化进程将进一步提速。