（报告出品方/作者：东亚前海证券，王刚，赵翼）
1.功率半导体解密
功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心。功率半导体是一种广泛用于电力电子装置和电能转换和控制电路的半导体元件，可通过半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。功率半导体具有能够支持高电压、大电流的特性，主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等。除保障电路正常运行外，因其能够减少电能浪费，功率半导体还能起到节能、省电的作用。
功率半导体按器件集成度可以分为功率分立器件和功率IC两大类。
功率分立器件包括二极管、晶体管和晶闸管三大类，其中晶体管市场规模最大，常见的晶体管主要包括IGBT、MOSFET、BJT（双极结型晶体管）。
功率IC是指将高压功率器件与其控制电路、外围接口电路及保护电路等集成在同一芯片的集成电路，是系统信号处理部分和执行部分的桥梁。
IGBT、MOSFET等全控器件主要用于汽车、逆变器、轨交等结构相对复杂的应用领域。功率半导体种类较多，根据可控性分类可以将功率半导体分为不可控型（二极管）、半可控型（晶闸管为主）及全控型（IGBT、MOSFET为主）。
二极管、晶闸管等传统器件在较复杂的高频率下应用较为困难，但优势在于成本较低，生产工艺相对简单，主要适用于结构相对简单的产品领域。IGBT、MOSFET等器件更多应用于高压、高可靠性领域，工艺结构相对复杂且生产工艺难度较高，成本也相对较高，在汽车、逆变器、轨交等领域广泛使用。
功率半导体下游应用广泛，新能源汽车、可再生能源发电贡献增量市场空间。功率半导体下游应用主要包括消费电子、白色家电、工业控制、新能源汽车等。针对不同应用场景对应的功率和频率，各领域产品选择使用相应的功率器件。功率MOSFET因其开关高频、低损耗特性，主要应用于手机、相机、PC、车载、照明、TV等领域。IGBT因其耐压高、开关速度快特性，主要应用于变频家电、新能源汽车、工业领域。
高速、微型化的集成模块逐渐成为制造商更好的选择。早期的功率半导体主要以结构相对简单的二极管为主；60-70年代各类型晶闸管有了很大的发展；20世纪80年代以后，功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路为主。伴随功率半导体的发展，设计工艺不断进步，高速、微型化的集成模块成为制造商更好的选择。根据目前国内在研项目和产品布局看，国内企业开始向价值量更高的中高端产品转型。
2024年全球功率半导体市场规模将达553亿美元，功率IC占比保持在50%以上。随着下游应用领域的不管拓宽，功率半导体市场规模呈现稳健增长的态势。根据Omdia数据，2019年全球功率半导体市场规模达到455亿美元，预计到2024年将达到553亿美元，2019-2024年CAGR达到4%。功率半导体细分市场中功率IC占比常年保持在功率半导体总规模的50%以上，2020年功率IC市场占比54%，功率器件占比近34%，功率模组占比近12%。
2021年中国功率半导体市场规模将达159亿美元，2015-2021年CAGR达6.3%。国内功率半导体市场发展日益成熟，中国作为全球最大的功率半导体消费国，市场规模稳步增长。根据IHS数据，2018年市场需求规模达到138亿美元，占全球需求比例的35%，2021年市场规模将达到159亿美元，2015-2021年CAGR达到6.3%。目前国内功率半导体市场产品需求主要以电源管理IC、MOSFET及IGBT为主，根据IHS统计，中国功率半导体市场中前三大产品电源管理IC、MOSFET、IGBT三者市场规模占 2018年中国功率半导体市场规模比例分别为61%，20.2%与13.9%。
全球功率半导体市场集中度较高，主要由海外IDM巨头占据。海外企业布局功率半导体市场时间较早，行业内具备先发优势，同时借助收购整合的方式快速抢占市场份额，目前功率半导体市场集中度较高，主要被海外IDM巨头占据。根据Omdia数据，2020年，全球功率器件与模块市场，CR5达到44%，其中英飞凌占据20%市场份额。高居第一。全球功率IC市场，CR5达到43%，其中德州仪器占据16%市场份额。
我国功率半导体龙头企业营收规模仍较小。根据前瞻产业研究院的统计，2020年，中国功率分立器件企业产值占全球份额仍较低，其中闻泰科技（安世半导体）占比最高，为2.82%，士兰微占比1.07%，华润微占比0.73%，扬杰科技占比0.67%。
中国功率半导体龙头2020年营收增速均达20%以上。2020年，闻泰科技实现营收517亿元，同比增长24.36%；华润微实现营收69.77亿元，同比增长21.5%；士兰微实现营收42.81亿元，同比增长37.61%；扬杰科技实现营收26.17亿元，同比增长30.39%。
四季度MOSFET、IGBT交货周期维持25周以上，交期持续拉长，供不应求局面短期仍难以缓解。从交期趋势上来看，2021年三季度受东南亚新一轮疫情影响，功率半导体各大厂商出货受阻，市场缺货加剧，交期进一步拉长。进入到2021年四季度，各类型MOSFET（低压、高压、宽带隙）及IGBT交期均维持在25周以上，且货期维持拉长的趋势，可见市场对各类功率半导体产品需求依旧维持高涨，供不应求局面短期仍难以缓解。从价格趋势上来看，大部分制造商产品价格持续上行，市场短期内未看到下行风险，行业景气度持续高涨。
二极管具有相对简单的结构，具备性能稳定且易于使用的优点。二极管是一种具有不对称电导的双电极电子元件。理想的二极管在正向导通时两个电极（阳极和阴极）间拥有零电阻，而反向时则有无穷大电阻，即电流只允许由单一方向流过二极管。常见的二极管有整流二极管、开关二极管、肖特基二极管、齐纳二极管、TVS二极管、高频二极管等。
技术壁垒较低，市场规模稳定。与其他功率半导体相比，二极管的技术壁垒较低，制造技术相对成熟，海外大厂有逐步退出该类市场的趋势，中国企业有望凭借低成本及政策优势逐步占据市场，成为功率器件中率先实现国产替代突破的领域。根据IHS预测，2021年全球及中国二极管市场规模将分别达到40.47和13.44亿美元。
2021年，我国二极管月度出口数量回升到近700亿个/月。就国内市场规模（按销量）而言，自2014年起，国内二极管月度出口数量逐渐超过进口数量，2015年底国内二极管月度出口量达到峰值，接近900亿个/月。近几年由于中美贸易摩擦严重影响了中国电子产品出口。2021年，我国二极管月度出口数量回升到近700亿个/月。（报告来源：未来智库）
晶体管功能丰富，主要产品包括MOSFET、IGBT等。晶体管又称半导体三极管，内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能，应用十分广泛。晶体管主要分为两大类：双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET），场效应晶体管包括MOSFET、IGBT等类型。
晶体管的导通原理，以双极性晶体管为例，当集电极C有电流输入，同时基极B导通电压大于或等于导通电压时（硅管为0.7V，锗管为0.3V)，集电极C和发射极E形成导电沟道，进而导通。场效应晶体管的三个端，栅极（Gate）、漏极（Drain）、源极（Source），分别大致对应双极性晶体管的基极（Base）、集电极（Collector）和发射极（Emitter）。
MOSFET具有开关速度快，工作频率高等优势，被称为最理想的功率器件。MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）即金属氧化物半导体场效应晶体管。因其具有驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性强等优势被称为最理想的功率器件。
MOSFET是四端器件，所以除了栅极（G）、源极（S）、漏极（D）外，还有基极（B）。栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起，这样，相当于D与S之间有一个PN结。根据结构不同，MOSFET可分为沟槽型（Trench）、平面型（Planer）以及超级结型（SJ）。
功率半导体应用领域主要聚焦于工业、汽车及消费电子领域。功率半导体下游应用极为广泛，传统应用领域包括消费电子、工业、电气设备等，同时新能源汽车、充电桩、可再生能源等新兴领域的不断发展，已经逐渐成为功率半导体下游应用中最为重要的领域。伴随新兴领域的快速发展，功率半导体需求将持续增长。
新能源汽车功率器件用量数倍于传统燃油车，汽车电动化趋势带动功率半导体市场需求高速增长 。对于传统内燃机汽车，电气系统为12V蓄电池，功率转换需求在10kW以下，主要采用低价值量的低压功率器件，单车功率半导体总成本不足50美元。到了纯电动车BEV，单车功率器件成本超过300美元。
xEV（纯电动车+混合动力汽车） 中功率半导体价值量达330美元，占全车半导体价值量40%。48V轻混车辆的驱动动力仍然为内燃机，电机仅作辅助输出扭矩的作用。然而在插混和纯电车型中，电动机成为了主要的动力输出来源。根据英飞凌年报，在48V轻混车辆中半导体总价值为572美元，功率半导体为90美元，占比16%；在xEV（纯电动车+混合动力汽车）中半导体总价值为834美元，功率半导体为330美元，占比40%。
政策驱动新能源汽车行业迎来快速发展期。目前全球主要地区国家出台各类政策，加速推进新能源汽车发展。根据英飞凌数据，2020年美国碳排放量为125克每平方公里，日本为122克，中国为117克，碳排放量最低的地区为欧洲。在欧盟ACEA汽车温室气体排放协议规定，到2030年前汽车二氧化碳排放量需要低于每公里59克，排放量需要减少37.5%。预计到2030年欧盟新能源汽车渗透率将达到40%。
各国相继出台碳中和目标，全球碳排放限制加速新能源汽车市场发展。 2020 年欧盟开始执行“双95 碳排放标准”，即95%的新登记乘用车平均二氧化碳排放量降至95g/km，对于企业的处罚力度也全部按照最高标准。面对如此严苛的降幅目标，电气化是唯一出路，欧洲各国车企加快新能源汽车布局，加速开发电动平台。同时欧洲各国逐步出台燃油车禁售时间表，荷兰、挪威2025年禁售燃油车，德国、英国2030年禁售燃油车，美国未公布确切时间，预计2035年或2040年开始。
2025年我国新能源汽车销量或将达到900万辆，新能源汽车功率半导体市场规模有望达193亿元。根据预测，2021年中国新能源汽车销量将达到300万辆，同比增长约120%，2016-2021年CAGR达到42.7%。根据中汽协发布的《中国汽车市场中长期预测（2020-2035）》报告，预计2025年中国汽车销量有望达到3000万辆，2025年规划的新能源汽车渗透率目标为20%，目前来看新能源汽车渗透率进展超预期，市场预期普遍在20%-35%之间。我们假设2025年新能源汽车渗透率将达到30%，届时，2025年我国新能源汽车销量将达到900万辆。
若按照英飞凌数据xEV（纯电动车+混合动力汽车）中功率半导体价值量330美元计算，不考虑轻混及燃料电池等占比较小的新能源车型，预计2025年我国新能源汽车功率半导体市场规模或将达到193亿元，2021-2025年CAGR达到32%。
半导体材料历经三代，第三代半导体性能优势明显。第一代半导体材料于上世纪50年代出现，以硅（Si）和锗（Ge）为代表，其中硅材料因其高绝缘性能、成本较低等优势，至今为止仍是大多数电子应用中的关键材料。第二代半导体材料于上世纪80年代出现，以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表。第三代半导体材料又名宽禁带半导体材料，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表。
与硅基功率半导体相比，第三代半导体主要拥有三点优势：（1）导通电阻降至硅基的1/1000：SiC与GaN拥有更高的绝缘击穿电场，电流在器件内通过时间缩短叠加载流子数量的大幅提升使得导通电阻实现降低；（2）更高的开关频率：SiC与GaN的饱和漂移速度比硅基快2-3倍，饱和漂移速度的加快可以使提高开关频率；（3）更高的导热率：更高的导热率可以使器件内产生的热量更容易的释放到外部，这样一来散热片等冷却部件可以采用更小型的产品。
2021年SiC和GaN市场规模有望突破10亿美元，应用已拓展至新能源汽车、光伏、5G等新兴领域。SiC功率半导体因其高耐压特性，主要瞄准的方向是600V以上的高耐压区域，导通电阻和开关速度都优于硅基IGBT，适用于新能源汽车、光伏等行业。GaN功率半导体主要瞄准几十伏到几百伏的区域，由于其高频率及高转换效率的优势，GaN适用于5G、射频等行业。
SiC主要适用于高温、高压、大功率的应用场景，未来将由新能源汽车逐步渗透至轨交、工业等领域。作为第三代半导体材料的典型代表，SiC具有宽禁带宽度，高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及更高的抗辐射能力，是高温、高压、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。以新能源汽车为例，SiC功率半导体主要用于驱动和控制电机的逆变器、车载DC/DC转换器、车载充电器（OBC）等。车载充电器和充电桩使用SiC器件后将充分发挥高频、高温和高压三方面的优势，可实现充电系统高效化、小型化和高可靠性。未来SiC将凭借其高压、大功率的优势，应用领域逐步由新能源汽车到轨交、工业等大功率应用领域。
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精选报告来源：【未来智库】。 
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