功率半导体:国产替代迎黄金机遇

日期:2020-05-05     来源:乐晴智库    
核心提示:功率半导体是电力电子技术的基础,也是电子装置中电能转换与电路控制的核心器件,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。应用范围覆盖工业控制、4C领域(Computer计算机产品、Communication通讯产品、Consumerelectronics数码家电、COM网络产品)、新能源车、光伏、智能电网等领域。
    功率半导体是电力电子技术的基础,也是电子装置中电能转换与电路控制的核心器件,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。应用范围覆盖工业控制、4C领域(Computer计算机产品、Communication通讯产品、Consumerelectronics数码家电、COM网络产品)、新能源车、光伏、智能电网等领域。
 
  中国是全球最大的功率半导体消费国。根据IHS数据,2018年,我国功率半导体市场规模达到138亿美元,增速为9.5%,占全球需求比例高达35%。2021年我国功率半导体市场规模有望达到159亿美元,年复合增长率达到4.83%,超过全球功率半导体增长速度。
 
  功率半导体产品可以分为功率分立器件、电源管理IC和功率模组三大类。
 
  根据YoleDevelopment的数据,2018年全球功率半导体中分立器件/模组/功率IC占比32.7%、13.3%和54.0%。
 
  分立器件主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等半导体功率器件产品;其中,MOSFET和IGBT属于电压控制型开关器件,相比于功率三极管、晶闸管等电流控制型开关器件,具有易于驱动、开关速度快、损耗低等特点。
 
  对国内市场而言,功率二极管、功率三极管、晶闸管等分立器件产品大部分已实现国产化,而MOSFET、IGBT等分立器件产品由于其技术及工艺的先进性,还较大程度上依赖进口,未来进口替代空间大。
 
  IHSMarkit预测,MOSFET和IGBT是未来5年增长强劲的半导体功率器件。
 
  MOSFET全称金属氧化物半导体场效应管,是一种可以广泛使用在模拟与数字电路的场效应晶体管。MOSFET具有高频、驱动简单、抗击穿性好等特点,应用范围涵盖电源管理、计算机及外设设备、通信、消费电子、汽车电子、工业控制等多个领域。
 
  IGBT全称绝缘栅双极晶体管,是由双极型三极管BJT和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式功率器件。IGBT具有电导调制能力,以及较强的正向电流传导密度和低通态压降。IGBT的开关特性可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率,有逆变和变频的作用,应用于逆变器、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
 
  IGBT是新能源汽车电控系统和直流充电桩的核心器件,成本占到新能源汽车整车成本的10%,占充电桩成本的20%。由于未来几年新能源汽车/充电桩等新兴市场的快速发展,IGBT等半导体功率器件将迎来黄金发展期。
 
  中国产业信息网数据,到2020年全球IGBT单管市场空间达到60亿美元左右,预计未来五年我国新能源汽车和充电桩市场将带动200亿元IGBT模块的国内市场需求。
 
  电源管理IC在电子设备中承担变换、分配、检测等电能管理功能,有提升集成度、模块化、数字化的发展趋势,同时GaN、SiC等新型材料研发与应用也为电源管理IC发展注入全新动力。得益于下游消费电子、新能源汽车、通讯行业近几年的快速发展,电源管理IC市场近几年持稳健增长的态势。
 
  由于复杂电子系统对电压和电流水平的要求不断提高以及需要将系统与电源隔离,用于功率管理的模拟IC将迎来持续的增长。根据yole的全球电源管理IC市场追踪报告,2022年,电源管理IC市场将达到180亿美元,2016至2020年间,有望实现3.6%的复合年增长率。
 
  从市场格局来看,全球功率半导体市场中,海外龙头企业占据主导地位。半导体分立器件起源于欧美,日韩后续不断形成其自身竞争优势。
 
  在MOSFET领域,根据iHS数据,收入前五大厂商高分别为英飞凌、安森美、瑞萨、东芝和意法半导体,市占率合计为62%,集中度较高,英飞凌以27%的市占率高居龙头地位,长期稳居行业第一。目前,国厂商由于技术落后,主要在低压领域布局,在中高压领域基本还是外国企业处于主导地位。
 
  在IGBT领域,根据IHS数据,2018年全球IGBT市场收入前五大供应商分别为英飞凌、三菱、富士机电、赛米控、威科电子,五家企业市场份额为67%,占比较大。其中,英飞凌一家市占率就高达34%。
 
  在功率IC领域,总体来看,市场竞争格局比较成熟,美国厂商具有优势,日本企业虽然数量众多,但是市场份额普遍较小。根据IHS数据,2018年全球功率IC前五大厂商分别为德州仪器、英飞凌、高通、ADI和意法半导体,市占率合计为44%,德州仪器以16%的市占率稳居行业龙头地位。
 
  据Gartner数据,德州仪器(TI)在电源管理IC市场份额较高,其次是MaximIntegrated,LinearTechnology等。下游应用来看通信、消费、工业/医疗、数据处理占比较高。
 
  国际大厂长期占据着我国半导体分立器件的高端应用市场,但该等厂商产品的价格十分高昂,无法满足国内迅速爆发的市场需求,导致国内市场供求存在失衡。
 
  在下游的应用领域中,功率半导体已从工业控制和消费电子拓展至新能源、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多市场,其中消费电子与汽车电子占比较高,整体市场规模呈现稳健增长态势。
 
  在消费电子领域,主板、显卡的升级换代、快充、Type-C接口的持续渗透持续带动MOSFET的市场需求。
 
  在汽车电子领域,MOSFET在电动马达辅助驱动、电动助力转向及电制动等动力控制系统,以及电池管理系统等功率变换模块领域均发挥重要作用,有着广泛的应用市场及发展前景。
 
  电控系统是新能源汽车三大核心部件之一,占整车成本约20%,而电控系统需要运用大量的MOSFET和IGBT等半导体功率器件。因此,新能源汽车产销规模扩大将拉动对MOSFET、IGBT等半导体功率器件的需求。
 
  新能源汽车单车半导体价值将达到传统汽车的两倍,同时功率半导体用量比例也从20%提升到近50%。根据McKinsey&Company统计,纯电动汽车的半导体成本为704美元,是传统汽车的350美元的2倍,其中功率器件成本高达387美元,占55%。纯电动汽车相比传统汽车新增的半导体成本中,功率器件成本约为269美元,占新增成本的76%。
 
  StrategyAnalytics研究表明,鉴于新能源汽车对于半导体功率器件的需求,未来半导体功率器件市场规模有望快速增长。
 
  通讯行业是功率半导体的另一大领域,在信号基站、交换机、光端机、路由器等上均有应用,其中信号基站的需求规模最大,占据半壁江山。5G建设所需的基站设备及其普及后带来物联网、云计算的快速发展,将对功率半导体产生长期大量需求。
 
  5G的核心技术MassiveMIMO大大提升对于功率MOSFET构成的射频器件的需求量。据中国产业信息研究院的数据,通讯功率半导体市场在2021年有望达到70.81亿美元。
 
  未来,随着国内企业逐步突破行业高端产品的技术瓶颈,我国半导体分立器件对进口的依赖将会进一步减弱,进口替代效应将显着增强。伴随新兴行业快速发展,功率半导体市场规模呈增长态势。
 
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