资源描述
,#,半导,体,：,功率半导体供给侧,长,期紧,张,，,新能源车带来纯,增,量空间,；,大陆晶,圆,、,存储厂大规 模扩产，政策,加,持，引领设备持续受益,全球小,尺,寸晶圆,供,给长期紧缺，新能源车带来纯增量,空,间,功率器件分三大,类,：,S,i,、,S,i,C,、,G,a,N,。,功率半导体器件目前主要基,于,三类材料,：,S,i,、,SiC,、,GaN,。,Si,功率器件是主流，最重要的原因在于成本,。,Si,材料的击穿电压是三 者中最低,，,而,SiC,和,GaN,属宽禁带半导体材料,，,具有更高的带隙,，,更大的击穿电压。,高击穿电压的特性让,SiC,和,GaN,在大功率,、,超高,电,压控制方面的应用更有前景,。,但 是因为产业链协同发,展,的阶段不同，,与,成熟的,Si,产业链,相,比，,SiC,和,GaN,无论是 工艺水平还是供给规模都远远小于,Si,材料,，,造成,SiC,和,GaN,在成本上难以,与,Si,产 业竞争，只能在一些特定的、非成本优先的专用领域才有应用，大体而言,，,SiC,和,GaN,器件多应用于高压和高频电路,。,从特性上分类,，,可以把功率器件分为可控和不,可控，不可控的器件无法控制信号的通断；可控器件又分为部分可控和完全可控。晶闸管（,Thyristor,）多属于部分可控器件（注：完,整,的晶闸管系列中也,有,完全可控 型,），,MOSFET,、,IGBT,、,BJT,则可以完全按照需要实现信号的控制。,1,半导体：功率半导体供给侧长期紧张，新能源车带来纯增量空间；大,图,92,：,功率器件,分,类,图,93,：,Si,、,GaN,、,SiC,击穿,电,压对比,图,94,：,Si,、,GaN,、,SiC,功率,器,件应用对比,功率器件核心在,于,通断控制,，,开关,速,度与击穿电压,性,质决定,IGBT,、,MOSFET,、晶 闸管分工,。,功率器件的核心应用场,景,就是控制电路、信号等的通断。但,是,因为电路 场景,错,综,复,杂,，,电,流、,电,压,范,围,很,广，,因,此,每,种功,率,器,件,都有,一,定,的,适用,范,围。,MOSFET,的开关速度最快,（,ns,量级,）,而击穿电,压,/,电流最小，,因,此,MOSFET,多应用,于高频小电流的电路，比如服务器、交换机、音频设备等场景的电路通断控,制,，这 些场景电路的频率在,10,kHz,以上,；,IGBT,的开关速度居三者之中，主要应用于中频 电路场,景,（,10-10k,Hz,），,包括电网,、,风电,、,铁,路,、,光伏,、,新能源,车,、,UPS,等领域的 电路控制。晶闸管（,Thyristor,）的响应频,率,/,开关速度在功率器件中处于最低一档，但其电压范围广，可应用于高中低,各,类功率场景。正因,为,如此，,晶,闸管仍然有稳定 的需求空间无法被更先进的,IGBT,和,MOSFET,替代，形成较稳定的市场。,2,图 92：功率器件分类图 93：Si、GaN、SiC 击穿,图,95,：,Si,基,功,率器件的适用场景,1.3.1.1.,供给侧,：,8,英寸及以下尺寸晶圆供给增长长期缓慢,12,英寸晶圆厂产能将优先满足逻辑,和,存储应,用,，,8,英寸及以下尺寸,晶,圆将是功率器 件产能的主要贡,献,者,。,从全球晶圆产能分布来,看,，,12,英,寸,（,300,mm,wafer,）,的产能 主要由,存,储和逻辑芯片的大厂占,据,。,三星,、,Micron,、,SK,Hynix,、,Toshiba,等,主,要产能 被存储芯片占据,；,TSMC,、,Intel,、,Global,Foundry,、,UMC,、,SMIC,主攻逻,辑,制程。相 较而言,，,6,英寸（,150,mm,wafer,）,及以下尺寸的晶圆厂大多生产功率器件以及分离 器件,。,从经营模式上,看,，,6,英寸晶圆厂多为,IDM,公司,，,其中意法半导,体,（,ST,Micro,）,的功率半导体营收占其总收入的,35%,（,2018,年年报）,。,8,英寸晶圆产能中，逻辑、存储、功率等应用都,有,一定占比。整,体,而言，纯代,工,的,晶圆厂（如,TSMC,、,SMIC,等,）,更倾向于将大硅,片,（,12,英寸,）,产,能提供给工序更为复杂的逻辑业务,，,而将,8,英 寸产能提,供,给其他,业,务。另外，在,IDM,厂中，除,Infineon,、,OnSemi,、,Renesas,等大 厂拥有,12,英寸晶圆厂外，其,他,IDM,功率半导体公司（如,CRM,华润微,、,Silan,士兰 微等）主要经营,8,英寸及以下尺寸的晶圆厂。由于,12,英寸,相,比,8,英寸，可以切出 的芯片数目更多,（,2.5,倍），晶圆厂更愿,意,将,12,英寸产能优先提供给需求量更大的 逻辑和存储业务。长期来看,，,8,英寸以及以下尺寸将是功率半导体产能的主要贡献 者。,3,图 95：Si 基功率器件的适用场景1.3.1.1.供给,图,96,：,不同尺寸,晶,圆的前,十,大晶圆厂产能占比排名,图,97,：,晶圆代工,厂,功率器,件,相关,wafer,尺寸与制程,节,点,图,98,：,12,英寸晶圆面积优势,8,英,寸晶圆全球,CAGR,仅,2.89%,，,6,英寸及以,下,晶圆,CAGR,仅,为,1.18%,，,功率类 晶圆制造供给增,长,缓慢,。,IGBT,、,MOSFET,多使用,6,英寸或,8,英寸晶圆，而晶闸管 多使用,6,英寸及以下尺,寸,晶圆。,根,据,SEMI,的预测，全球,8,英寸（,200,mm,Wafer,）,晶圆厂产能在,2019,年为,580,万,片,/,月,，,按照全球各晶圆厂以及,IDM,厂扩产计划,，,全 球,8,英寸产能在,2022,年将达到,650,万片,/,月，复合年增长率为,2.89%,。根,据,和,Hexa,research,的预测，全球,6,英寸及以下尺寸的晶圆年复合增速仅为,1.18%,。,4,图 96：不同尺寸晶圆的前十大晶圆厂产能占比排名图 97：,图,99,：,全球不同,尺,寸晶圆市场规模及预测,功率,IDM,大,厂,未,来,将,持,续,提,高,外包晶圆制造比重,。,Infineon,在其,2019,年年报中披 露,，,将在未来五年,，,把公司所有领域晶圆的外包制造比重由现在的,22%,提高到,30%,。,其中，功率器件的晶圆产能由于全球晶圆厂产能规划限制,，,Infineon,计划将其功率 器件前端晶圆,外,包制造的比重提升至,15%,。,在晶圆厂将较多产能应用于逻辑和存储 的大背景下,，,功率器件,IDM,龙头公司对外包比重提升的策略,，,将一定程度上加剧功 率半导体供给侧紧张。,图,100,：,全球晶圆,厂,在功率半导体领域产能分布,图,101,：,Infineon,外包,制,造计划,（,2019,年）,5,图 99：全球不同尺寸晶圆市场规模及预测功率 IDM 大厂未,1.3.1.2.,需求侧：功率器件需求持续旺盛，需求增速长期高于供给增速,三大分立,器,件,（,不,含模组,）,的全球市场规模,：,MOSFET,最,大,，,IGBT,次,之,，,晶闸管 较小,。,全球功率器件年复合增速将保持在,3.56%,，,2018,年的总市场规模为,2070,亿 元人民币,，,预计在,2022,将,达,到,2381,亿,元。,PMIC,是功率器件最大的市,场,。,IGBT,则 增速最快，增长率达,7.62%,，,但当前市场份额,仅,为,13.67%,，,预,计,在,2022,年市场规 模达,390.5,亿,元,（含模组,）,。,MOSFET,增速与全球功率器件增速接近,，,CAGR,达,3.42%,，,占据功率器件,22%,的市场份额，长期来看仍将保持重要地位。全球,MOSFET,市场 规模在,2018,年为,470.7,亿元人民币（含模组），预计在,2022,年达到,523.5,亿元。晶闸管属于利基市场,，,2018,年仅占全球功率器件市场规模的,2.52%,，,且增速低于全 球功率器件市场增速,，,CAGR,达,2.01%,。,2018,年全球晶闸管市场规,模,为,52.6,亿元，预计在,2022,年增长至,57.7,亿元。,图,102,：,全球功率,器,件市场规模,晶闸管,、,MOSFET,、,IGBT,需,求,增,速,均,领,先,对,应,晶,圆,供,给,增,速,。,2018,年以后,，,预计 晶闸管,CAGR,为,2.01%,，,MOSFET,为,3.42%,，,IGBT,为,7.62%,。,由于,IGBT,、,MOSFET,多使用,6,英,寸,或,8,英寸晶圆,，,而晶闸管多,使,用,6,英寸及,以,下尺寸晶圆,。,根据上一章,节,，,全球,8,英寸晶圆产能年复合增长率为,2.89%,，,6,英寸及以下尺寸的晶圆,年,复合 增速为,1.18%,。,因此,，,无论是晶闸管,、,MOSFET,，,还,是,IGBT,，,其需求增速均大于供,给增速，供给侧将保持长期紧,张,。,6,1.3.1.2.需求侧：功率器件需求持续旺盛，需求增速长期,图,103,：,全球功率器,件,市场规模与增速预测,图,104,：,全球晶闸,管,市场规模与增速预测,1.3.1.3.,新能源车,：,IGBT,、,MOSFET,的纯增量空间,图,105,：,电动,汽,车,各,能量转换需求场景,动力构成,大,有,别,，,功,率,模,块,成,能,量,转,换,刚,需,。,传统燃油车的动力来源于燃油燃烧对 内燃机做功，将化学能转化为机械动能并通过各转轴齿,轮,传动至整车。电动车的动 力来源于车载电池，电池只能提供直流电压，但是汽车发动机马达需要三相交流供,电,（三相异步电机,）,。,同时燃油车车载空调制热是通过冷却液传导发动机温度实现，但电动车的空调制热,来,源于主动发热。电动车中的能量转换,涉,及高低压以及交流直 流间的转换,，,必须使用大量功率模块。总结而言,，,电动车区别于燃油,车,，存在,以,下 几个主要的能量转换场景：,将电池的直流转,换,成交流供给发动电,机,：,DC-AC,逆变器,（,Inverter,）,。,逆变器的作,7,图 103：全球功率器件市场规模与增速预测图 104：全球晶,用在于将直流转换为交流。电动车中存在主辅两种逆变器，主逆变器为发动电机提 供能量转,换,，辅,逆,变器则,服,务于车,载,空调,和,动力转,向,。就,功,率半导,体,而言,，,IGBT,和,SiC,MOSFET,在逆变器中使用较多。特斯拉在,Model,S,中为主逆变器配臵了,84,颗,IGBT,，,在,Model,3,中为主逆变器配,臵,了,24,颗,SiC,MOSFET,。,图,106,：,DC-AC,应用场景：逆变器,将电,池,的标准电压转换,为,适合其他直流,负,载需要的电压,：,DC-DC,转换器,（,converter,）,。,DC-DC,转换器包括两种，,一,是,LV-HV,的转换（,low,voltage,to,high,voltage,），,即,低压,转,换为高,压,；另,一,为,HV-LV,，,即,高压,转,换为低,电,压。,以,特斯拉,Model,S,电池为例，输出电压为,400,V,，,而车载主逆变器的输入电压,通,常在,650,V,，,因此需要,LV-HV,的,DC-DC,转换器，将,400,V,直流先转换为,650,V,直流电,压,，再通,过主逆变器,将,直流转,换,为交流电压,，,供给发动电机,；,车载辅助逆变器的输入电压小，以及一些低压直流的直接应用，需要,HV-LV,的,DC-DC,转换器，将电池的,400,V,输 出电压转换为低电压,。,MOSFET,在,DC-DC,转换器中应用较多。,8,用在于将直流转换为交流。电动车中存在主辅两种逆变器，主逆变器,图,107,：,DC-DC,应用场景,充电桩以及极速,充,电桩配套,AC-DC,以及,DC-DC,系统,。,电动车对,充,电桩配套有明,确的需求,。,充电桩需要,内
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