电子行业半导体系列专题：国产功率半导体高端布局加码国产替代加速-20200328-中银国际-41页.pdf

电子电子|证券研究报告证券研究报告 行业深度行业深度 2020 年年 3 月月 28 日日 强于大市强于大市 公司名称公司名称 股票代码股票代码 股价股价(人民币人民币)评级评级 捷捷微电 300623.SZ 33.60 买入 扬杰科技 300373.SZ 24.01 买入 华 润 微 688396.SH 35.45 增持 斯达半导 603290.SH 119.58 增持 资料来源：万得，中银证券 以2020年3月27日当地货币收市价为标准 相关研究报告相关研究报告 华为华为 P40发布会点评发布会点评20200326 电子行业电子行业 2019年报前瞻年报前瞻20200229 半导体系列专题半导体系列专题晶圆代工篇晶圆代工篇20200223 中银国际证券股份有限公司中银国际证券股份有限公司 具备证券投资咨询业务资格具备证券投资咨询业务资格 电子电子 赵琦赵琦 021-20328313 证券投资咨询业务证书编号：S1300518080001 王达婷王达婷 021-20328284 证券投资咨询业务证书编号：S1300519060001 半导体系列专题半导体系列专题 国产功率半导体高端布局加码，国产替代加速 功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电压、频率、直流交流转换等功能的核心部件。本篇报告将重点围绕功率半导压、频率、直流交流转换等功能的核心部件。本篇报告将重点围绕功率半导体的器件类型、应用市场、行业格局以及体的器件类型、应用市场、行业格局以及 SiC、GaN 的发展情况进行展开。的发展情况进行展开。支撑评级的要点支撑评级的要点 常见的功率半导体类型及区别：常见的功率半导体类型及区别：功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要用于电压、频率、直流交流转换等功能。功率IC、IGBT、MOSFET、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。功功率半导体率半导体下游下游应用领域应用领域：汽车电动化是功率半导体发展新动能。电动车的空调、充电系统、逆变器、DC/DC 等核心部件都需要功率器件实现供电电压和直流交流的转换。根据英飞凌预测，轻度混合动力汽车、插电混合动力汽车、纯电动汽车半导体元器件价值量分别达到 531美元、785美元、775美元。光伏等新能源发电逆变器、变频家电等是IGBT等功率半导体的重用应用领域。5G通讯技术也将带来功率半导体需求的提升，根据英飞凌数据，4G MIMO 射频板上功率半导体的价值量约为 25美元，但 5G massive阶段的射频板功率半导体价值量将提升到 100美元，是 MIMO射频板的 4倍。SiC、GaN 的发展现状和前景的发展现状和前景：SiC 具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性，在大功率、高频、高温等应用方面潜力较大，新能源汽车为碳化硅功率器件的重要市场。GaN 具有宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性，但 GaN的功率器件类型相对碳化硅较少，其中 GaN HEMT 为氮化镓最受关注的功率器件类型。GaN 因具有高输出功率、高能效特性在在消费电子快充产品上得以应用。功率半导体的市场格局功率半导体的市场格局：高端 MOSFET、IGBT 等领域仍以英飞凌、安森美、意法半导体、三菱电机、东芝、瑞萨等国际大厂占主导。同时，在车用半导体领域，国际大厂也积极布局，外延并购完善汽车电子产品线。近年来国产功率半导体取得较大进步，从低端市场开始逐步向车用等高端运用市场渗透。重点推荐重点推荐 随着新能源汽车产业的发展、5G通讯到来，功率半导体器件的需求将持续提升。在半导体国产化的大趋势下，国内功率半导体企业有望迎来新的发展机遇，推荐：捷捷微电、华润微、扬杰科技、斯达半导。评级面临的主要风险评级面临的主要风险 新能源汽车、家电、通讯等的需求不及预期；功率半导体的国产化进程不及预期。2020年 3月 28日 半导体系列专题 2 目录目录 1、常见的功率半导、常见的功率半导体类型及区别？体类型及区别？.5 2、功率半导体主要应用领域有哪些、功率半导体主要应用领域有哪些？.12 3、SIC、GAN 的发展现状和前景？的发展现状和前景？.23 4、功率半导体的市场格局如何？、功率半导体的市场格局如何？.27 5、投资建议、投资建议.31 6、风险提示、风险提示.32 扬杰科技.34 华润微.36 斯达半导.38 tOmQmOzRzRaQdN8OtRoOsQqQlOnNnOjMnOqQ9PrQtNxNrNnQNZmMyQ 2020年 3月 28日 半导体系列专题 3 图表图表目录目录 图表图表 1.半导体产品分类半导体产品分类.5 图表图表 2.全球功率半导体市场结构全球功率半导体市场结构.5 图表图表 3.肖特基功率二极管肖特基功率二极管.6 图表图表 4.快恢复功率二极管快恢复功率二极管.6 图表图表 5.主要功率二极管结构及特性主要功率二极管结构及特性.6 图表图表 6.半导体产品分类半导体产品分类.7 图表图表 7.LDMOS MOSFET结构图结构图.7 图表图表 8.Planer MOSFET结构结构.8 图表图表 9.Trench MOSFET结构结构.8 图表图表 10.第六代第六代 IGBT结构结构.9 图表图表 11.第七代第七代 IGBT结构结构.9 图表图表 12.6代代 IGBT性能比较性能比较.9 图表图表 13.功率半导体下游市场运用广泛功率半导体下游市场运用广泛.9 图表图表 14.影响功率半影响功率半导体性能的主要因素导体性能的主要因素.10 图表图表 15.三代硅材料物理性能三代硅材料物理性能.10 图表图表 16.各种半导体材料运用领域各种半导体材料运用领域.11 图表图表 17.全球功率半导体市场规模全球功率半导体市场规模.12 图表图表 18.国内功率半导体市场规模国内功率半导体市场规模.12 图表图表 19.功率半导体在新能源车电机驱动、功率半导体在新能源车电机驱动、DC/DC、充电器上的运用、充电器上的运用.12 图表图表 20.功率半导体直接受益于汽车电动化功率半导体直接受益于汽车电动化.13 图表图表 21.电动车相比于传统汽车功率半导体需求量大幅提升电动车相比于传统汽车功率半导体需求量大幅提升.13 图表图表 22.传统车企在新能源汽车领域的进展传统车企在新能源汽车领域的进展.14 图表图表 23.全球电动汽车渗透率快速提升全球电动汽车渗透率快速提升.14 图表图表 24.全球主要国家电动车充电器数量全球主要国家电动车充电器数量(百万个）百万个）.15 图表图表 25.全球主要国家电动车充电需求量全球主要国家电动车充电需求量(十亿瓦时）十亿瓦时）.15 图表图表 26.电动车充电桩结构电动车充电桩结构.15 图表图表 27.充电站功率器件价值量充电站功率器件价值量.16 图表图表 28.充电站功率器件价值量充电站功率器件价值量.16 图表图表 29.光伏逆变器功率组件结构光伏逆变器功率组件结构.17 图表图表 30.新能源产业发展带动高压功率半导体发展新能源产业发展带动高压功率半导体发展.17 图表图表 31.变频技术对家电产品的运用价值变频技术对家电产品的运用价值.18 图表图表 32.功率半导体是变频电路的核心器件功率半导体是变频电路的核心器件.18 图表图表 33.变频空调、洗衣机和冰箱的出货占比变频空调、洗衣机和冰箱的出货占比.19 2020年 3月 28日 半导体系列专题 4 图表图表 34.家电用家电用功率半导体市场规模快速增长功率半导体市场规模快速增长.19 图表图表 35.5G运用场景带动功率半导体需求提升运用场景带动功率半导体需求提升.20 图表图表 36.频率越高，基站覆盖面积越小频率越高，基站覆盖面积越小.20 图表图表 37.国内基站数量国内基站数量.21 图表图表 38.自动化生产驱动工业用功率半导体需求量提升自动化生产驱动工业用功率半导体需求量提升.21 图表图表 39.工业互联网市场规模快速发展工业互联网市场规模快速发展.22 图表图表 40.Si、SiC和和 GaN材料特性的对比材料特性的对比.23 图表图表 41.SiC产业链环节及参与厂商情况产业链环节及参与厂商情况.24 图表图表 42.SiC功率器件的市场规模功率器件的市场规模.24 图表图表 43.SiC模块与硅模块与硅 IGBT功率模块的电力损耗比较功率模块的电力损耗比较.25 图表图表 44.GaNHEMT 结构图结构图.25 图表图表 45.电源中的氮化镓器件电源中的氮化镓器件.26 图表图表 46.适配器原理图适配器原理图.26 图表图表 47.氮化镓器件的市场规模氮化镓器件的市场规模.26 图表图表 48.功率半导体市场格局功率半导体市场格局.27 图表图表 49.MOSFET市场格市场格局局.27 图表图表 50.分立分立 IGBT市场格局市场格局.28 图表图表 51.IGBT 模块市场格局模块市场格局.28 图表图表 52.英飞凌汽车业务营收英飞凌汽车业务营收.29 图表图表 53.意法半导体汽车业务意法半导体汽车业务营收营收.29 图表图表 54.国内功率半导体企业及业务情况国内功率半导体企业及业务情况.30 附录图表附录图表 55.报告中提及上市公司估值表报告中提及上市公司估值表.33 2020年 3月 28日 半导体系列专题 5 1、常见的功率半导、常见的功率半导体体类型及类型及区别？区别？功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电压、频率、直流交流转功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电压、频率、直流交流转换等功能的核心部件。换等功能的核心部件。根据器件集成度不同，功率半导体可以分为功率 IC和功率分立器件两大类。功率分立器件包括二极管、晶体管、晶闸管三大类别，其中晶体管是分立器件中市场份额最大的种类。常见晶体管主要有 BJT、IGBT和 MOSFET。IGBT和 MOSFET是当前市场关注度较高的功率型晶体管。功率 IC是将晶体管、二极管、电阻、电容等元件集成在一个半导体晶片上，具有所需电路功能的微型结构。根据运用场景的不同，功率 IC包括 AC/DC、DC/DC、电源管理、驱动 IC等种类。图表图表 1.半导体产品分类半导体产品分类 资料来源：华润微招股说明书，中银证券 功率功率 IC、IGBT、MOSFET、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。根据 Yole数据，2017年功率 IC 占全球功率半导体市场规模的 54%，是市场份额占比最大的功率半导体产品。MOSFET 主要运用于不间断电源、开关电源，变频器音频设备等领域，2017 年 MOSFET 市场规模占功率半导体整体市场规模的 17%；功率二极管主要用于电源、适配器、汽车、消费电子等领域，2017 年全球功率二极管销售额占功率半导体整体销售额的比例约 15%。由于 IGBT的操作频率范围较广，能够覆盖较高的功率范围，适用于轨道交通、光伏发电、汽车电子等领域，2017年 IGBT的销售占比达到 12%。图表图表 2.全球功率半导体市场结构全球功率半导体市场结构 资料来源：Yole，IHS，gartner，中银证券 2020年 3月 28日 半导体系列专题 6 1、功率二极管、功率二极管 功率二极管是一种不可控型的功率器件，因此功率二极管不可以作为开关器件使用，功率二极管电流容量大，阻断电压高，但是开关频率较低。功率二极管的单向导电性可用于电路的整流、箝位、续流。外围电路中二极管主要起防反作用,防止电流反灌造成期间损坏。功率二极管细分产品包括功率整流二极管、功率肖特基二极管、快速恢复二极管、超快速恢复二极管、小电流整流二极管、变容二极管等种类。普通整流功率二极管一般采用 p+pnn+的结构，反向恢复时间长一般在 25微秒；电流定额范围较大，可以实现 1安培到数百安培的电流；电压范围宽，可以实现 5V-5000V的整流；但是普通整流功率二极管高频特性一般，一般用于 1KHz以下的整流电路中。快恢复功率二极管（FRD）采用 PN结构，采用扩散工艺，可以实现短时间的反向恢复，一般反向恢复时间小于 5微秒，广泛的使用在变换器中。超快恢复功率二极管（UFRD）在快速恢复功率二极管的基础上，采用外延工艺，实现超快速反向恢复。肖特基功率二极管（SBD）不是利用 P型半导体和 N型半导体接触形成 PN接原理制作的，而是利用金属和半导体接触形成的金属-半导体结原理制造的。肖特基二极管具有开关频率高和正向压降低等优点，但是反向击穿电压比较低，一般低于 100V。因此肖特基二极管一般用于高频低电压领域。图表图表 3.肖特基功率二极管肖特基功率二极管 图表图表 4.快恢复功率二极管快恢复功率二极管 资料来源：中国知网，中银证券 资料来源：中国知网，中银证券 图表图表 5.主要功率二极管结构主要功率二极管结构及特性及特性 结构结构 特性特性 应用应用 普通功率二极管 采用 P+PNN+结构 扩散工艺制造 反向恢复时间一般为 25微秒，电流定额从小于 1 安培到数百安培，电压从 50V到最高 5KV 用于 1KHz以下的整流电路 快速恢复二极管 采用 PN或者 PIN结构，采用扩散工艺，掺杂金杂质 反向恢复时间一般小于 5微秒，约为数百纳秒，反向耐压在1200V以下 用于各种变换器，工作与高频开关状态 超快恢复二极管 外延工艺 反向恢复时间一般小于 100纳秒 用户根据电路特点和工作频率来选择使用 肖特基功率二极管 金属半导体二极管，采用薄膜淀积工艺 多子导电，反向恢复时间一般在10纳秒40纳秒之间 适用于高频领域 资料来源：中国知网，中银证券 2、MOSFET MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路和数字电路的场效应晶体管。MOSFET可以实现较大的导通电流，导通电流可以达到上千安培，并且可以在较高频率下运行可以达到 MHz甚至几十 MHz，但是器件的耐压能力一般。因此MOSFET可以广泛的运用于开关电源、镇流器、高频感应加热等领域。2020年 3月 28日 半导体系列专题 7 为了满足电气化程度不断提升的社会需求，功率型 MOSFET性能不断被提升。MOSFET的改进主要围绕着更高的工作频率、更高的输出功率。目前市场上功率型 MOSFET可以分为 Planar MOSFET 和 trench MOSFET两种类型。图表图表 6.半导体产品分类半导体产品分类 资料来源：华润微招股说明书，中银证券 早期的功率型 MOSFET也叫 LDMOS（later Double diffusion MOS），这种结构的 MOSFET可以实现大电流传输，但是器件的栅、源、漏都在表面，因此器件的漏极和源极需要很长，十分浪费芯片面积。并且由于 LDMOS的栅、源、漏都在同一个表面，在多个 MOSFET器件进行并联时需要额外的隔离层，工艺步骤增加。因此后来发展了 VDMOS（vertcal DMOS），这就是早期的 planer VDMOS MOSFET，这种结构将原来 LDMOS器件的漏极统一放到器件的另一侧，这样使得漏极和源极的漂移区长度可以通过背面减薄来控制，而且该种结构可以实现更有利于晶体管并联。晶体管的并联可以增大 MOSFET的功率。这种结构的的表面处理工艺和传统的 CMOS工艺兼容。图表图表 7.LDMOS MOSFET结构图结构图 资料来源：IEEE、中银证券 为克服 planer MOSFET中整体面积使用效率不高的问题，后来发展出 trench MOSFET器件结构。Trench MOSFET是将管子的沟道从原来的 planer变成沿着槽壁的纵向。这样的结构虽然提升了硅片面积使用效率，但是工艺难度加大，成本较高，并且当槽较深是容易击穿，因此 trench MOSFET的耐压性价差。但是该种结构可以实现较多的晶体管并联，可以导通的大电流，因此适合在低电压和大电流的工作环境。2020年 3月 28日 半导体系列专题 8 图表图表 8.Planer MOSFET 结构结构 图表图表 9.Trench MOSFET结构结构 资料来源：英飞凌，中银证券 资料来源：英飞凌，中银证券 3、IGBT IGBT是由是由 BJT 和和 MOSFET组成的复合功率半导体器件组成的复合功率半导体器件，同时具备同时具备 MOSFET 开关速度高、输入阻抗高、开关速度高、输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小的优点和控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小的优点和 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。IGBT在功率 MOSFET 的基础上增加了一层，即在背面的漏极上增加一个 P+层。在引入 P+层之后，从结构上漏端增加了一个 P+/N-driff的 PN结，该 PN结处于正偏状态，不仅不影响导通反而增加了空穴注入效应，该 PN结带来的特性类似于 BJT有两种载流子参与导电。因此 IGBT具备 MOSFET的开关速度高、输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小等优点，同时具备 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小等优点。IGBT 在高压、大电流、高速方面有突出的产品竞争力，已经成为功率半导体主流发展方向。从 1988年 IGBT诞生至今，已经有七代 IGBT结构。第一代 IGBT(PT-IGBT)产品结构简单，但是由于晶体结构本身原因造成负温度系数，并联时各个 IGBT原胞压降不一致，不利于并联运行，并且电流只有 25A，容量较小，因此没有普遍使用。第二代 IGBT 也称为改进型 PT-IGBT 是在 P+和 N-driff 层时间加入 N-buffer层，这一层形成的耗尽层可以减小芯片厚度、减小功耗，该种产品在 600V 以上具备优势，但是 1200V以上时外延厚度较大导致成本较高，并且可靠性降低。西门子是改进型 PT-IGBT产品的主流厂商。第三代 IGBT 也称为 Trench-IGBT，该种结构的思路和 trench MOSFET 思路一样，将沟道转移到垂直面上。该种结构导通电阻小，栅极密度增加不受限制，有效特高耐压能力。由于需要使用双注入技术，制作难度较大。英飞凌的减薄技术处于世界先进水平，因此英在 Trench IGBT时代英飞凌一举成为 IGBT行业巨头。第四代为 NPT-IGBT，该种产品不再使用外延技术，而是使用离子注入技术生成 P+集电极（透明集电极），该种结构可以精准控制结深进而控制发射效率，增快载流子抽取速度来降低关断损耗，同时该种结构具备正温度系数，在稳态功耗和关断功耗取得较高的折中，该种产品结构被广泛的使用。第五代 FS-IGBT结合了第四代 NPT-IGBT的“透明集电区技术”和“电场中止技术”。采用先进的薄片技术并在薄片上形成电场中止层，有效的减薄芯片的厚度，是的导通压降和动态功耗都有明显下降。第六代 FS-trench 在第五代基础上改进沟槽结构，增加芯片电流导通能力，优化芯片内载流子浓度和分布，减小芯片的综合损耗和提高 IGBT耐压能力。2012 年三菱电机推出第七代 IGBT。IGBT7 采用了新型微沟槽（MPT）+电场场截止技术。它采用基于n-掺杂的衬底的典型垂直 IGBT设计，p基区内的 n型重掺杂构成了发射极接触结构。通过在电隔离的沟槽刻蚀接触孔，确定了沟道和栅极。在 n-衬底的底部，通过 p+掺杂实现了集电极区。在 n-衬底和和 p+之间，通过 n+掺杂实现了场截止（FS）结构。IGBT7 增加有源栅极密度，能够增加单位芯片面积上的导电沟道，全面优化 IGBT性能。根据富士电机发布的第七代 IGBT产品数据，相比于第六代 V系列，IGBT7 可以使逆变器的功率损耗降低 10%，最高操作结温度从 150提高到 175，这有助于减小设备尺寸。2020年 3月 28日 半导体系列专题 9 图表图表 10.第六代第六代 IGBT结构结构 图表图表 11.第七代第七代 IGBT结构结构 资料来源：英飞凌，中银证券 资料来源：英飞凌，中银证券 图表图表 12.6代代 IGBT性能比较性能比较 特点特点 芯片面积相芯片面积相对值对值 工艺线宽工艺线宽(微米微米)通太饱和压通太饱和压降降(V)关断时间关断时间（微秒）（微秒）功率损耗功率损耗(相对值相对值)断态电压断态电压(V)出现时间出现时间(年年)1 平面串通型（PT）100 5 3.0 0.50 100 600 1988 2 改进平面传统型（PT）56 5 2.8 0.30 74 600 1990 3 沟槽型（trench）40 3 2.0 0.25 51 1200 1992 4 非穿通型（NPT）31 1 1.5 0.25 39 3300 1997 5 电场截止型（FS）27 0.5 1.3 0.19 33 4500 2001 6 沟槽电场截至型（FS-Trench）24 0.3 1.0 0.15 29 6500 2003 资料来源：ET 创芯网论坛，中银证券 各类型功率器件由于结构不同，特性有所不同。各类型功率器件由于结构不同，特性有所不同。MOSFET高频特性较好，工作频率可以达几十 KHz到上千 KHz，能够工作在高电流状态下，但耐压特性较差，在高功率领域应用受限。IGBT 耐压高，高功率领域应用优势明显，高频特性弱于 MOSFET。晶闸管高频特性较差，在高功率领域应用优势明显。图表图表 13.功率半导体下游市场运用广泛功率半导体下游市场运用广泛 资料来源：Yole，中银证券 2020年 3月 28日 半导体系列专题 10 4、化合物半导体、化合物半导体 影响功率半导体器产品性能的主要有两方面因素：一是器件结构，二是半导体材料。半导体材料的禁带宽度、饱和电子漂移速度、击穿场强都会影响功率半导体性能。从半导体产业发展至今，半导体产业主要经历了三代材料技术演变，第一代是以硅（Si）、锗（Ge）元素为主；第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）为主；第三代半导体材料以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为主。图表图表 14.影响功率半导体性能的主要因素影响功率半导体性能的主要因素 资料来源：赛迪智库，中银证券 第一代半导体材料，尤其硅基半导体材料工艺成熟、成本较低，是目前半导体材料的主流，第一代半导体材料，尤其硅基半导体材料工艺成熟、成本较低，是目前半导体材料的主流，目前大部分功率半导体和集成电路都是基于硅基的第一代半导体材料。但是第一代半导体材料禁带宽度有限，击穿电压低、饱和电子漂移速度低导致硅基半导体材料在面对高电压、高频、高功率运用场景越显捉襟见肘。第二代半导体是以砷化镓（第二代半导体是以砷化镓（GaAs）为主，砷化镓的运用主要集中在通讯领域，目前）为主，砷化镓的运用主要集中在通讯领域，目前手机功率放大器是砷化镓的主要运用场景。手机功率放大器是砷化镓的主要运用场景。砷化镓生产成本较高，物理性能低于第三代半导体材料，因此在功率放大器中难以被使用。第三代半导体材料氮化镓、碳化硅等材料在物理上具有能级禁带宽的特点，因此第三代半导体材料第三代半导体材料氮化镓、碳化硅等材料在物理上具有能级禁带宽的特点，因此第三代半导体材料也成为宽禁带半导体。也成为宽禁带半导体。同时，第三代半导体材料的导热性能、高压击穿、电子饱和漂移速度均明显优于第一代、第二代功率半导体，因此第三代半导体在高温、高功率、高压、高频等运用场景有明显的的优势。图表图表 15.三三代硅材料物理性能代硅材料物理性能 硅（硅（Si）砷化镓（砷化镓（GaAs）氮化镓（氮化镓（GaN）碳化硅（碳化硅（SiC）禁带结构 间接带隙 直接带隙 直接带隙 间接带隙 禁带宽度（eV）1.1 1.4 3.4 3.3 电子迁移率（cm2/Vs）1350 8500 2000 1000 电子饱和漂移速度（107cm/s）1.0 1.0 2.7 2.2 相对介电常数 11.9 12.5 8.9 9.7 热导率（W/cmK）1.49 0.54 1.3 4.9 击穿场强（MV/cm）0.3 0.4 3.3 2.8 器件理论最高工作温度（）175 350 800 600 资料来源：赛迪智库，中银证券 2020年 3月 28日 半导体系列专题 11 氮化镓在高频电路中优势凸显，是当前移动通讯中有力竞争者。氮化镓在高频电路中优势凸显，是当前移动通讯中有力竞争者。氮化镓半导体材料电子报和漂移速度明显高于其他半导体材料。因此氮化镓通过高电子迁移率晶体管（HEMT：High Electron Mobility Transistor）率先在高频电路上取得运用。但是氮化镓在耐压性、电流容量都比碳化硅低，在高功率、高电压运用场景性能低于碳化硅。因此当前氮化镓的主要运用场景主要集中于基站端功率放大器、航空航天等军用领域。碳化硅材料已在功率半导体市场崭露头角。碳化硅材料已在功率半导体市场崭露头角。碳化硅材料物理性能优于硅等材料，碳化硅单晶的禁带宽度约为硅材料禁带宽度的 3倍，导热率为硅材料的 3.3倍，电子饱和迁移速度是硅的 2.5倍，击穿场强是硅的 5 倍。相比于与硅材料，碳化硅在高温、高压、高频、大功率电子器件具有不可替代的优势。目前碳化硅功率半导体已在特斯拉 model 3等高端车市场成功运用，未来汽车领域将是碳化硅成长主要动力。碳化硅功率半导体的生产过程主要包括碳化硅单晶生产、外延层生产、器件制造三大环节。目前英飞凌、意法半导体等国际主流厂商的 4 英寸碳化硅产品线居多，并向 6 英寸产品线过度，龙头厂商 CREE已经开发出 8英寸产品。目前高质量的碳化硅外延片主要有 CREE供应。图表图表 16.各种半导体材料运用领域各种半导体材料运用领域 资料来源：富士电机，中银证券 汽车半导体是未来碳化硅功率器件的主要推动力。汽车半导体是未来碳化硅功率器件的主要推动力。碳化硅在高温、高压、大功率领域具有不可替代的优势，在电力控制和转换、高压等领域有着广泛的运用。一汽电驱动研究所所长赵慧超表示，碳化硅器件工作结温在 200C 以上，工作频率可以达到 100kHz，耐压可达 20KV，碳化硅器件体积可以减小到 IGBT整机的 1/31/5，重量减小到原来的 40%60%。目前碳化硅功率半导体已经在汽车主逆变器、车载充电器、DC/DC 转换器等核心部件上成功运用，未来汽车将是碳化硅成长的主要动力。特斯拉 Model3中已使用碳化硅的 MOSFET，随着 Model 3车型以及其他高端新能源车的量产，碳化硅MOSFET需求有望迎来快速增长。根据 Yole统计数据，2017年全球碳化硅功率器件市场规模达到 3.02亿美元，较 2016 年的 2.48 亿美元增长 22%，预计到 2023 年全球碳化硅功率半导体生产规模达到 15亿美元，复合增长率达 30.6%，远高于同期全球功率半导体市场规模增速。碳化硅 MOSFET 的大规模运用尚需降低制造成本。当前碳化硅 MOSFET 为大规模运用于新能源车的主要原因在于碳化硅 MOSFET 成本高昂。根据 Yelo 数据，CREE 碳化硅 MOSFET 成本达到*美元，同等级别硅基 IGBT成本约为，英飞凌碳化硅的 MOSFET成本约，同等 IGBT成本约为，总体而言硅基 IGBT的成本约为碳化硅 MOSFET的 25%。因此当前降低碳化硅 MOSFET生产成为成为产业研究重点方向。氧化镓或是未来氧化镓或是未来高压、高压、高功率运用功率半导体材料的挑战者。高功率运用功率半导体材料的挑战者。氧化镓的禁带宽度为 4.9eV，超过碳化硅、氮化镓等材料，采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件。氧化镓击穿场强高于碳化硅和氮化硅，目前-Ga2O3的击穿场强可以达到 8MV/cm，是碳化硅的两倍。氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用。氧化镓最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动汽车和光伏太阳能系统。氧化镓的导热率低，散热性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向，如若未来氧化镓的散热问题被攻克，氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。2020年 3月 28日 半导体系列专题 12 2、功率半导体主要应用领域有哪些、功率半导体主要应用领域有哪些？功率半导体下游运用广泛，包括工业控制、功率半导体下游运用广泛，包括工业控制、4C、新能源车、光伏等领域。、新能源车、光伏等领域。功率半导体是电力电子技术的基础，也是构成电力电子转换装置的核心器件，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。根据 IHS数据，2018年，全球功率半导体市场规模达到 391亿美元，同比增长5.9%，2021 年全球功率半导体市场规模有望达到 441 亿美元，复合增长率达到 4.1%；我国功率半导体市场规模达到 138 亿美元，占据全球功率半导体市场的 31%，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。图表图表 17.全球功率半导体市场规模全球功率半导体市场规模 图表图表 18.国内功率半导体市场规模国内功率半导体市场规模 资料来源：IHS，中银证券 资料来源：IHS，中银证券 1、汽车电动化：功率半导体发展新动能、汽车电动化：功率半导体发展新动能 汽车电动化带动单车半导体价值量的提升。与传统燃油车相比，新能源车多了电池、电机、电机控制器、DC/DC、空调驱动、充电器的装置。电动车的空调、充电系统、逆变器、DC/DC等核心部件都需要功率器件实现供电电压和直流交流的转换。根据英飞凌预测，2019年轻度混合动力汽车（MHEV）单车半导体元器件价值量约为 531 美元，而插电混合动力汽车（PHEV）、纯电动汽车（BEV）半导体元器件价值量分别达到 785美元、775美元，较 MHEV分别提升 47.83%、45.95%。图表图表 19.功率半导体在新能源车电机驱动、功率半导体在新能源车电机驱动、DC/DC、充电器上的运用、充电器上的运用 资料来源：中国中车，中银证券 2020年 3月 28日 半导体系列专题 13 图表图表 20.功率半导体直接受益于汽车电动化功率半导体直接受益于汽车电动化 资料来源：中国中车，中银证券 MOSFET、IGBT 等功率半导体器件是汽车电动化的受益核心。等功率半导体器件是汽车电动化的受益核心。与传统动力汽车不同，新能源汽车需要使用大量的电力设备，将实现能量的转换。新能源汽车中 AC/DC充电机变换器、DC/DC升压变换器、DC/DC 降压变换器、双向 DC/AC 逆变器、充电桩等部件需要了大量的功率半导体实现能量的转换。根据 on semiconductor 数据，电动车的价值量电源解决方案的价格约为 400 美元，远高于传统动力汽车的 40美元。MOSFET和 IGBT是实现供电电压和直流交流转换的核心部件，因此汽车电动化带动单车功率半导体价值量。电机控制器是新能源车的核心部件之一，IGBT 是电机控制器的核心电力电子元器件。根据驱动视界统计数据，电机控制系统成本占据整车成本的 15%20%，而 IGBT模块占据电机控制模块成本的 37%。1200V以下 IGBT和 MOSFET是电动车电源解决方案核心部件。图表图表 21.电动车相比于传统汽车功率半导体需求量大幅提升电动车相比于传统汽车功率半导体需求量大幅提升 资料来源：ON semiconductor，中银证券 高端车型高端车型提升单车提升单车功率半导体的功率半导体的价值量价值量。在高端车型中，特斯拉 model S使用了 84个 IGBT为三相感应电机供电；model X 使用 132个 IGBT，其中后电机为 96个，前电机为 36个，整车 IGBT成本达到 650美元。从 model 3开始，特斯拉开始使用碳化硅功率半导体替代传统硅基功率半导体，改善整车的续航能力等性能实现高效变电。高端车型的单车功率半导体价值量不断提升，中低端车型有望跟进，电动车平均单车功率半导体价值量有望进一步提升。2020年 3月 28日 半导体系列专题 14 大众、大众、福特、宝马等传统车企福特、宝马等传统车企扩产扩产新能源车，特斯拉、比亚迪等新兴电动车车企异军突起，汽车电新能源车，特斯拉、比亚迪等新兴电动车车企异军突起，汽车电动化趋势不可逆转。动化趋势不可逆转。在汽车电动化趋势下，各大传统车企纷纷布局新能源车，新能源车将成为传统车企成长新动能。2019年 11月，大众集团发布 5年规划，预计 2020-2024年集团将在电动车领域投资600亿欧元，2020、2025年电动车销量目标分别为 40、300万辆，占其汽车销量的占比为 4%、20%；计划至2029年将生产2,600万辆电动车。福特计划到2020年实现新能源车销量占全球总销量10%-25%。根据 IHS数据，2018年全球电动车销量达到 700万辆，预计 2023年将达到 3,300万辆，5年复合增长率达到 41%。图表图表 22.传统车企在新能源汽车领域的进展传统车企在新能源汽车领域的进展 福特 2020年实现新能源车销量占全球总销量 10%-25%通用 与本田共同投资 0.85亿元合资生产燃料电池系统，与 SPA生产电动汽车。大众 预计 2020-2024年集团将在电动车领域投资 600亿欧元，2020、2025年电动车销量目标分别为 40、300万辆，占其汽车销量的占比为 4%、20%；计划至 2029年将身缠 2600万辆电动车。奔驰 到 2022年，将面向市场推出 10款纯电动车。宝马 到 2025年，宝马推出的新能源产品将达到 25款，其中 12款为纯电动、13款为插电混动车。奥迪 2020年底前推出 12款车型，包括 5款纯电动车型和 7款混动车型；2025年，旗下将有 30台电动车型，中等续航以及全尺寸车型将增加至 15款。日产 计划到 2020年，旗下超过 20%、约为 200万辆车将实现零排放的目标。丰田 目标在 2050年消除发动机车型，HEV和 PHEV占总销 70%，FCV和 EV占 30%。比亚迪 比亚迪匈牙利工厂投产且生产的纯电动客车投入使用。比亚迪日本将销售面向日本市场开发的小型电动巴士“J6”。通过发布 e系列积极布局微型电动车市场，突击中国县域市场，甚至下沉到乡镇市场。100%中标印度浦那公交集团公司（PMPML）125台纯电动大巴，全部在比亚迪印度工厂生产。蔚来汽车 2024年拟上市 68款车型 特斯拉 2019年欧洲和中国正式交付 Model3，以及推出更加经济的标准续航版，年底上海工厂正式投产。发布最新经济型 SUV Model Y，美国市场 2020年年底交付，欧洲和中国市场 2021年年初交付。福特 2020年实现新能源车销量占全球总销量 10%-25%通用 与本田共同投资 0.85亿元合资生产燃料电池系统，与 SPA生产电动汽车。大众 预计 2020-2024年集团将在电动车领域投资 600亿欧元，2020、2025年电动车销量目标分别为 40、300万辆，占其汽车销量的占比为 4%、20%；计划至 2029年将身缠 2600万辆电动车。奔驰 到 2022年，将面向市场推出 10款纯电动车。资料来源：第一电动网，中银证券 图表图表 23.全球电动汽车渗透率快速提升全球电动汽车渗透率快速提升 资料来源：IHS，中银证券 2020年 3月 28日 半导体系列专题 15 汽车电动化除了带来车身功率半导体价值量的提升之外，新增的充电桩也将带来功率半导体增量。汽车电动化除了带来车身功率半导体价值量的提升之外，新增的充电桩也将带来功率半导体