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功率半导体、功率器件细分和应用及市场

2021-05-13 15:28浏览量1237返回上一页

功率半导体为半导体重要组成,是进行电能(功率)处理的核心器件,用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。根据Yole数据,2019年全球功率半导体市场规模为381亿美元,预计到2022年达到426亿美元,复合增长率为5.43%,市场空间稳健增长。

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。


功率器件竞争格局

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。