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IGBT行业:中信证券-IGBT行业深度报告:受益电动车、光伏等需求拉动,当前处于国产替代机遇窗口期-211123

研报作者:徐涛,夏胤磊 来自:中信证券 时间:2021-11-23 15:01:30
  • 股票名称
    IGBT行业
  • 股票代码
  • 研报类型
    (PDF)
  • 发布者
    ou***ln
  • 研报出处
    中信证券
  • 研报页数
    43 页
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研究报告内容

2021年11月23日 IGBT行业深度报告 受益电动车、光伏等需求拉动 当前处于国产替代机遇窗口期 中信证券研究部电子组 徐涛、夏胤磊 1 核心结论 IGBT属于功率器件核心赛道。

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是电子装置中电能转换与电路控制的核心器件, 主要应用于650~6500V的中高压场景。

由于IGBT的可靠性、节能性直接决定了终端设备的性能(如电动车、 光伏等),下游客户在选取供应商时较谨慎,导致应用环节客户导入门槛高,结合设计、制造、封装等环节的 技术难度,综合来看IGBT属于Si基功率器件壁垒最高的细分赛道。

市场空间:预计2021年国内需求约200亿元;受益于新能源需求爆发,未来4年有望保持20+%的复合增速。

IGBT广泛应用于电动车、光伏、工控等领域,其中1)电动车领域:应用在电控、空调与热管理、充电系统三 大主要场景,根据车配置不同单车价值量在500~5000元不等,我们预计2021年国内空间约67亿元,未来随着 电动车渗透率加速提升叠加中高端车型占比提升,预计未来4年CAGR超过40%;2)光伏+风电领域:应用于 光伏逆变器和风电变流器中,我们预计2021年国内空间约30亿元,“双碳”政策下“十四五”期间新能源发 电需求旺盛,预计未来4年CAGR接近20%,若考虑储能需求则空间更加广阔;3)工控领域:应用于变频器、 工业电源、电焊机、伺服器等设备中,需求相对稳定,我们预计2021年国内空间约60亿元,未来4年CAGR约 10%;4)变频家电领域:变频白电多使用IPM(特殊的IGBT模块)来实现变频功能,我们预计2021年国内空 间约55亿元,未来4年CAGR为15~20%;5)轨交+电网:需求相对稳定,我们测算国内每年空间接近20亿元。

竞争格局:国产化率约20%,本土厂商迎来国产替代机遇窗口期。

由于国内工艺基础薄弱且企业产业化起步较 晚,我国IGBT市场长期被英飞凌等欧日厂商主导,2020年时自给率不足20%。

同时对IGBT需求大的电动车、 光伏、变频家电等产业在国内正加速成长,本土配套需求旺盛。

在此背景下,国内近年来出台大量相关政策支 持产业发展,叠加海外优秀人才归国助力,我国IGBT产业迎来巨大发展机遇。

2020年下半年以来,由于海外 IGBT厂商存在涨价且交期拉长的现象,下游客户为保障供应链稳定,积极导入本土供应链厂商。

中国本土 IGBT厂商正迎来切入中高端客户供应链+加速实现份额提升的机遇窗口期。

截至目前,根据产业调研,本土厂 商IGBT厂商中具备已通过车厂认证并实现大规模出货包括比亚迪半导体、斯达半导、时代电气、士兰微等;在 光伏领域实现大规模出货的有斯达半导、士兰微、宏微科技等;此外新洁能、扬杰科技、闻泰科技等厂商也正 积极布局。

风险因素:电动车等下游需求不及预期;行业竞争加剧等。

投资建议:新能源需求拉动下国内IGBT市场规模未来4年有望保持20+%的复合增速,同时进口厂商供给短缺 背景下本土IGBT玩家迎来加速成长机遇,建议关注已成功切入中高端客户供应链的士兰微、斯达半导、时代电 气、比亚迪半导体等,以及正积极推进布局的闻泰科技、华润微、新洁能、扬杰科技等。

目录 CONTENTS 2 1.行业概览 2.技术路径 3.市场空间 4.竞争格局 5. SiC的影响几何 6.风险因素 33 1.1什么是功率半导体 功率器件是电子装置电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电压和频率。

主要用途包括变频、 整流、变压、功率放大、功率控制等,同时具有节能功效。

功率半导体器件广泛应用于移动通讯、 消费电子、新能源交通、轨道交通、工业控制、发电与配电等电力、电子领域,涵盖低、中、高 各个功率层级。

设备直流变换器逆变器整流器变频器稳压器 英文名DC-DCConverter Inverter Rectifier Cycloconverter Regulator 功能改变直流电压直流转交流交流转直流改变交流电频率改变交流电电压 功率半导体的主要应用 资料来源:产业调研,中信证券研究部 资料来源:Yole 资料来源:应用电力电子学会议和产品展示会( APEC) 功率器件技术演化史三代半导体突破Si基的性能极限 44 1.2功率半导体分类 功率半导体 器件 类别器件优势劣势应用领域 功率分立器件 不可控器件 功率二极管结构和原理简单,工作可靠 应用中必须考虑关断方式问题,电路 结构上必须设置关断(换流)电路, 大大复杂了电路结构、增加了成本、 限制了在频率较高的电力电子电路中 的应用。

此外晶闸管的开关频率也不 高,难于实现变流装置的高频化。

工业和电力系统 半控型器件 晶闸管承受电压和电流容量在所有器件中最高 全控型器件 IGBT 开关速度高,开关损耗小,具有耐脉冲电流冲 击的能力,通态压降较低,输入阻抗高,为电 压驱动,驱动功率小 开关速度低于电力MOSFET,电压、 电流容量不及GTO 计算机、通信、消 费电子、汽车电子 为代表的4C行业 (computer、 communication、 consumer electronics、 cartronics) GTR 耐压高,电流大,开关特性好,通流能力强, 饱和压降低 开关速度低,为电流驱动,所需驱动 功率大,驱动电路复杂,存在二次击 穿问题 GTO 电压、电流容量大,适用于大功率场合,具有 电导调制效应,其通流能力很强 电流关断增益很小,关断时门极负脉 冲电流大,开关速度低,驱动功率大, 驱动电路复杂,开关频率低 MOSFET 开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需 驱动功率小且驱动电路简单,工作频率高,不 存在二次击穿问题 电流容量小,耐压低,一般只适用于 功率不超过10kW的电力电子装置 功率IC体积小、重量轻、引出线和焊接点少、寿命长、 可靠性高、性能好、成本低、便于大规模成产 电子产品 功率模组功率半导体模块可根据封装的元器件的不同实 现不同功能 电子产品 资料来源:《2019功率半导体分立器件产业及标准化白皮书》工信部,中信证券研究部 55 1.3什么是IGBT IGBT属于双极型、硅基功率半导体,具 有耐高压特性。

融合了BJT(Bipolar junction transistor,双极型三极管)和 MOSFET的性能优势,结构为 MOSFET+一个BJT,兼具BJT大电流增 益和MOS压控易于驱动的优势,自落地 以来在工业领域逐步替代MOSFET和 BJT,目前广泛应用于650-6500V的中高 压领域,属于功率器件领域最具发展前 景的赛道。

资料来源:Yole(含预测),中信证券研究部 功率器件市场按品类拆分三种功率器件对比 BJTMOSFETIGBT 驱动方式电流电压电压 驱动电路复杂简单简单 输入阻抗低高高 驱动功率高低低 开关速度慢快居中 工作频率低高居中 饱和压降低低高 资料来源:《工业强基一条龙》——朱宏任,中信证券研究部 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 201620172018F 2019F 2020F 2021F 2022F 模块IGBTMOSFETBJT晶闸管二极管 资料来源:Yole,中信证券研究部 功率模块市场按品类拆分,2017年 IGBT,81% MOSFET, 13% 双极性晶体 管,1% SiC,1% IGBT融合了BJT和MOSFET的结构 资料来源:电力电子技术与新能源 66 资料来源:IHS,中信证券研究部 IGBT模块典型结构2018年IGBT封装形式分布(按销售金额) 1.470%的IGBT具体应用形式为模块 IGBT最常见的应用形式是模块。

大电流和大电压环境多使用IGBT模块,IHS数据显示模块和 单管比例为3:1。

而IPM是特殊的IGBT模块,主要应用于中小功率变频系统。

IGBT模块主要有五种结构。

以2 in 1模块为例,模块中封装了两组芯片,根据电流或功率要求 不同每组可并联多颗IGBT芯片( IGBT芯片与FRD一一对应) IGBT模块的优势:与单管相比,IGBT模块:1)集成度更高,更节约体积,2)多IGBT芯片 并联,电流规格更大,3)减少外部电路连接的复杂性,4)散热性更好,可靠性提升 资料来源:《我国新能源车用IGBT模块封装技术发展》——邵丽青 分类别名备注 1 in 1模块 2 in 1模块半桥(桥臂) 4 in 1模块全桥 6 in 1模块三相桥多应用于变频器和三相UPS、三相逆变器 7 in 1模块CBI/PIM模块在三相桥电路(逆变)中加入刹车和整流电路 资料来源:电力电子器件技术,中信证券研究部 五种结构的IGBT模块 单管 21% IGBT模块 52% IPM 27% 目录 CONTENTS 7 1.行业概览 2.技术路径 3.市场空间 4.竞争格局 5. SiC的影响几何 6.风险因素 88 2.1产业环节拆分 IGBT产业大致可分为芯片设计、晶圆制造、模块封装、下游应用四个环节,其中设计环节技术突 破难度略高于其他功率器件,制造环节资本开支相对大同时更看重工艺开发,封装环节对产品可靠 性要求高,应用环节客户验证周期长,综合看IGBT属于壁垒较高的细分赛道。

资料来源:华润微12寸晶圆项目环评报告 IGBT的加工流程 稳定性 &散热 功率密度 &损耗 制造成本 模块 封装 量产经 验积累 晶圆 减薄 沟槽技术 晶圆 尺寸 生产良率 IGBT技术主要升级方向 资料来源:产业调研,中信证券研究部 9 2.1产业环节拆分:以车规IGBT模块为例 Step 3性能:电能耗功率低 静态(待机)损耗 动态(开关)损耗背面结构:PT/NPT/FS 晶圆减薄 130/120/110μm 正面结构:平面/沟槽 精细化网格栅 高能氢离子 注入设备 设备瓶颈 不大 封装 单面水冷、单面直冷、 双面水冷、双面直冷 安全性:稳定可靠 成本:低制造成本 材料选择 量产经验装车量 晶圆尺寸(产线) 6/8/12寸良率 取决于 取决于 取决于 取决于 取决于 取决于 管理、一线生产人员团队 高功率应用场景看重 电动车、工控等 高开关频率应用场景看重 光伏、电焊机等 资料来源:产业调研,中信证券研究部 1010 2.2芯片设计:已迭代7代,核心是高功率密度和高稳定性 IGBT芯片结构升级 由于IGBT芯片工作在大电流、高电压的环境下,对可靠性要求较高,同时芯片设计需保证开通 关断、抗短路能力和导通压降(控制热量)三者处于均衡状态,芯片设计与参数调整优化十分特 殊和复杂,因而对于新进入者而言研发门槛较高(看重研发团队的设计经验) 技术名称及特点 正面 Planar Gate平面栅 短路能力强、抗冲击、 高鲁棒性 Trench Gate沟槽栅 高电流密度 (目前升级为微沟槽) CSL,载流子扩展层, 提高电流密度,降低导通压降 背面 PT;穿通型; 最早期技术, 已淘汰 NPT;非穿通型; 降低开关损耗, 高鲁棒性 FS;场截止型; 芯片厚度变薄,开 关损耗降低 典型车用IGBT芯片结构,看重稳定性(鲁棒性) 资料来源:电力电子技术与新能源(公众号),中信证券研究部 代别技术特点 芯片面积工艺线宽通态饱和压降 (伏) 关断时间功率损耗断态电压 最早出现时间 (相对值) (微米) (微秒) (相对值) (伏) 1平面穿通型(PT) 100530.51006001988 2改进的平面穿通型(PT) 5652.80.3746001990 3沟槽型(Trench) 40320.255112001992 4非穿通型(NPT) 3111.50.253933001997 5电场截止型(FS) 270.51.30.193345002001 6沟槽型电场截止型(FS-Trench) 240.310.152965002003 7微沟槽-场截止型200.30.80.122570002018 IGBT历代发展参数 1111 2.2芯片设计:应用端迭代慢于研发端 英飞凌历代IGBT芯片情况梳理 IGBT应用端迭代节奏慢于研发端,目前市场主流水平相当于英飞凌第4代。

由于IGBT属于电 力电子领域的核心元器件,客户在导入新一代IGBT产品时同样需经过较长的的验证周期,且 并非所有应用场景都追求极致性能,因此每一代IGBT芯片都拥有较长的生命周期。

资料来源:英飞凌工业微信公众号 1212 2.3晶圆制造:背板减薄、激光退火、离子注入是难点 IGBT制造的三大难点:背板减薄、激光退火、离子 注入 IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS区别不大, 但背面工艺要求严苛(为了实现大功率化)。

具体 来说,背面工艺是在基于已完成正面Device和金属 Al层的基础上,将硅片通过机械减薄或特殊减薄工 艺(如Taiko、Temporary Bonding技术)进行减薄 处理,然后对减薄硅片进行背面离子注入,如N型掺 杂P离子、P型掺杂B离子,在此过程中还引入了激 光退火技术来精确控制硅片面的能量密度。

特定耐压指标的IGBT器件,芯片厚度需要减薄到 100-200μm,对于要求较高的器件,甚至需要减薄 到60~80μm。

当硅片厚度减到100-200μm的量级, 后续的加工处理非常困难,硅片极易破碎和翘曲。

从8寸到12寸有两个关键门槛: 减薄要求从120um转成80um,翘曲更严重,国内 能解决 背面高能离子注入(氢离子注入),设备单价高 资料来源:《一种IGBT芯片的剖析》——薛华虎 IGBT芯片制造流程 1313 2.4模块封装:散热和可靠性是关键 IGBT模块重视散热及可靠性,封装环节附加值高。

IGBT模块在实际应用中高度重视散热性能及 产品可靠性,对模块封装提出了更高要求。

此外,不同下游应用对封装技术要求存在差异,其中 车规级由于工作温度高同时还需考虑强振动条件,其封装要求高于工业级和消费级。

各应用场景IGBT参数对比 资料来源:AEC-Q100标准,中信证券研究部 参数要求消费类工业级汽车级 温度-20℃-70℃ -40℃-85℃ -40℃-125℃ 温度低根据使用环境确定0℃-100℃ 验证JESD27(chips) ISO16750(modules) JESD47(chips) ISO16750(modules) AEC-Q100(chips) ISO16750(modules) 出错率<3% <1% 0 使用时间1-3年5-10年15年 供货时间高至2年高至5年高至30年 工艺处理防水处理防水、防潮、防腐、防霉变处理增强封装设计和散热处理 电路设计 防雷设计、短路保护、热 保护等 多级防雷设计、双变压器设计、抗干扰设 计、短路保护、热保护、超高压保护等 多级防雷设计、双变压器设计、抗干扰 设计、多重短路保护、多重热保护、超 高压保护等 系统成本 线路板一体化设计。

价格 低廉但维护费用较高 积木式结构,每个电路均带有自检功能, 造价稍高但维护费用低 积木式结构,每个电路均带有自检功能 并增强了散热处理,造价较高但维护费 用也高 1414 2.4 模块封装:散热和可靠性是关键 设计优化、材料升级是封装技术进化的两个维度。

设计升级方面主要是:1)采用聚对二甲苯进行封装。

聚对二甲苯具有极其优良的导电性能、 耐热性、耐候性和化学稳定性。

2)采用低温银烧结和瞬态液相扩散焊接。

在焊接工艺方面, 低温银烧结技术、瞬态液相扩散焊接与传统的锡铅合金焊接相比,导热性、耐热性更好,可靠 性更高。

材料升级方面主要是:1)通过使用新的焊材,例如薄膜烧结、金烧结、胶水或甚至草酸银, 来提升散热性能;2)通过使用陶瓷散热片来增加散热性能;3)通过使用球形键合来提升散热 性能。

IGBT模块技术路线图 资料来源:Yole 目录 CONTENTS 15 1.行业概览 2.技术路径 3.市场空间 4.竞争格局 5. SiC的影响几何 6.风险因素 1616 资料来源:Yole,中信证券研究部资料来源:集邦咨询,中信证券研究部IGBT的下游需求分布 3.1 IGBT下游应用广泛,全球市场空间超400亿元 轨道交通 4%消费电子 (家电) 27% 工业控制 20% 智能电网 5% 新能源发电 11% 新能源汽车 相关 31% 其他 2% 资料来源:Yole,中信证券研究部 资料来源:集邦咨询,中信证券研究部 不同应用领域的IGBT工作电压也不同 全球IGBT市场空间国内IGBT市场空间 资料来源:Yole,中信证券研究部注:包括单管和模块 0% 5% 10% 15% 20% 25% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 20152016201720182019 市场空间(亿元) YoY 资料来源:高工研究院,中信证券研究部 0% 5% 10% 15% 20% 0 10 20 30 40 50 60 70 2015201620172018 市场空间(亿美元) YoY 17 资料来源:产业调研,中信证券研究部估算资料来源:北斗航天汽车,中信证券研究部 3.2下游之电动车:IGBT是电控核心部件 电控成本结构某插电混动车(双电机)物料成本结构 IGBT模组, 37% 驱动电路板, 12% 控制电路板, 16% 电控壳体, 12% 电流传感器,5% 接插件,4% 门驱动电路, 4% 人工成本, 4% 电容, 2% 其他部件, 4% 电池 12% 电控 7% 电机6% 三电其它 6% 车身10% 外饰6% 内饰 10% 电子电器 16% 底盘13% 燃油动力 总成14% 举例电机功率(1)电控用 (2)空调 (100~200 元) (3)充电系统 (200~300元) (4)助力转向 (200元) 整体估算 IGBT价值 PHEV比亚迪唐双电机 前110kw 后180kw 前电控、后电控 BSG伺服电机 有有4500-5000元 A00/A0级某代步车45kw 一颗80KW模块:进口(800~900 元)、国产(500~600元) 600-900元 A级以上 比亚迪宋pro纯电120kw 进口品牌1200~1500元; 国产950~1000元 有有1500-2000元 特斯拉Model 3后211kw 48颗SiCMOS,4000~5000元有有5500-6500元 特斯拉Model S 前193kw 后193kw IGBT有有3500-4000元 特斯拉Model XIGBT有有4000-5000元 商用车 物流车75kw预计三颗半桥模块,每颗300元1000~1500元 大巴车前100KW,后100KW 前后电控各3颗半桥模块,每颗 450~500元 有有3000~4000元 典型电动车IGBT价值量 资料来源:产业调研,中信证券研究部测算 1818 3.2电动车—电控—IGBT模块—IGBT晶圆的价值量分布 IGBT芯片700 元(成本占比 55%) 资料来源:斯达半导招股说明书,英飞凌财报,IHS,中信证券研究部测算 1个8寸晶圆可以产出259颗相应规格芯片,对应10个80KW的车规模块(PS:包含了 FRD芯片) 结论:一颗8寸晶圆可以满足10辆A00级车的电控需求(80KW以下),5辆160KW的 A级车的电控需求 19 资料来源:乘联会,Marklines,中信证券研究部预测注:IGBT单车价值量为估计值 全球电动车IGBT市场空间测算 3.2下游之电动车:国内IGBT需求增速超40% 20172018201920202021E 2022E 2023E 2024E 2025E 电动车销量 (万辆) 中国 EV乘用车4576841002713674506911007 A00/A0占比76% 65% 42% 40% 45% 35% 30% 25% 20% PHEV乘用车112618255992112173252 中国乘用561021021253304585628631259 中国商用车262115121822283741 海外 EV乘用车346180105158263365483608 PHEV乘用车33394375138159215296405 海外乘用671001231802954225807791013 合计149223240317643902117016792313 单车价值量 (万元/辆) A级以上EV 0.25 A00/A0级EV 0.07 PHEV 0.30 商用车0.18 20172018201920202021E 2022E 2023E 2024E 2025E 电动车IGBT 市场规模 (亿元) 中国 EV乘用车5101518466988142216 PHEV乘用车38581828345276 中国小计81820256496122193291 中国商用车543234577 海外 EV乘用车9152026396691121152 PHEV乘用车1012132341486489122 海外小计1827334981113156210274 合计31495676147213283410572 YoY 54% 14% 37% 94% 45% 32% 45% 40% SIC模块占比10.0% 15.0% 17.0% 20.0% 24.0% SICMOS与IGBT价格之比4.03.53.02.52.0 电动车SIC市场规模(亿元) 59112144205275 电动车IGBT+SIC市场规模(亿元) 192293379532709 20 3.3下游之光伏风电:IGBT需求增速约15~20% 全球当年新增光伏装机规模(MW) 及IGBT采购需求(亿元) 光伏:光伏逆变器中IGBT单位成本约0.02元/W。

我们测算2019/20年全球光伏行业IGBT需求约 23/27亿元,我们预计2025年将伴随光伏装机增长至70亿元(国内占比约60%,对应42亿元),5 年CAGR超过20%。

风电:预计“十四五”期间国内风电年均装机超50GW,年复合增速10%-15%。

以1.5MW双馈型 风机为例,其中变流器中IGBT用量约21个(1700V/2400A);目前风电变流器中IGBT单位成本约 为0.025元/W。

根据我们测算,2020年国内风电行业IGBT需求约9亿元,预计2025年增长至17.5 亿元,5年CAGR接近15%。

光伏+风电整体需求增速约15~20%;若考虑储能需求,实际增速更高。

资料来源:IEA,中信证券研究部预测 国内风电新增装机规模(GW)与IGBT采购需求 (亿元) 资料来源:CWEA,中信证券研究部预测 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 20172018201920202021E 2022E 2023E 2024E 2025E 全球光伏装机规模(GW)光伏IGBT需求(亿元) 0 5 10 15 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 中国风电装机规模(GW) 国内风电IGBT需求(亿元) 21 3.4下游之工业控制:行业增速10~15% 国内工控及电源IGBT市场规模及增速 资料来源:MIR,中国产业信息网,中信证券研究部预测 IGBT模块是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件,下游增速约10~15% 细分市场包括变频器、工业电源、电焊机、伺服器等。

工控领域IGBT需求相对分散,国内市场空间约70~80亿元,预计未来维持10~15%增速。

0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 0 20 40 60 80 100 120 140 201620172018201920202021E 2022E 2023E 2024E 2025E 行业需求(亿元) ——YoY 22 3.5下游之变频家电:行业增速约15~20% 全球家电出货量中变频家电占比提升 2020年初国家推出新能效标准加速家电的变频化,行业增速约20%。

以空调为例,国内2022年 完全淘汰定频空调,定速空调和变频3级能效产品以下均不符合新国标,将淘汰目前在售的90% 以上的定速空调型号和50%的变频空调型号。

IHS预计全球2017~22年变频家电出货量CAGR达 到19%。

变频家电多使用IPM,全球空间有望达百亿级别。

IPM(智能功率模块)是一种特殊的IGBT模块, 集成了驱动、保护电路等。

空调使用2颗IPM(内外机),其他家电使用1颗IPM,单颗ASP在 10~30元。

基于IHS预测的变频家电出货量测算,2017年到2022年全球家电用IPM总需求将由49 亿元增长至117亿元。

0 200 400 600 800 1000 2010201520172022E 定频家电(百万台)变频家电(百万台) CAGR:19% 资料来源:HIS(含预测),中信证券研究部 中国三大白电IPM出货量及预测(万只) 资料来源:产业在线(含预测),中信证券研究部 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 2017201820192020E 2021E 2022E 家用空调冰箱洗衣机 23 3.6下游之电网轨交:国内需求接近20亿,市场相对封闭 资料来源:国家铁路局统计公报,城市轨道交通协会,中信证券研究部测算 2018年我国轨道交通IGBT需求测算 电网:近年落地的柔性直流(张北±500kV柔性直流工程)或直流混合项目(乌东德工程),开 始较大批量的采购高压IGBT产品,单条线路平均用量约5000~6000万元。

预计“十四五”期间, 柔性直流项目有望逐渐稳定落地并扩大商用规模。

轨交:轨道交通市场对于IGBT的需求可根据应用场景,大致分为铁路市场与地铁市场。

具体IGBT 单位用量,主要根据车型设计使用的电压等级及变流器数量决定,电力机车平均用量在60~90个 左右,电压等级在2400V~6500V之间;动车组平均用量为80~150个,电压等级在3300V~6500V之间; 地铁受型号影响,平均用量在30~80个不等,电压等级在1700V~3300V之间。

以2018年中国轨道交 通招标采购量为例,经测算预计全年轨交IGBT采购需求约为15亿元。

目录 CONTENTS 24 1.行业概览 2.技术路径 3.市场空间 4.竞争格局 5. SiC的影响几何 6.风险因素 25 4.1英飞凌及日厂领先,国内斯达位居第一 全球IGBT主要制造商 全球IGBT份额分布IGBT制造商排名——根据电压,2017年 资料来源:Yole,中信证券研究部 资料来源:Yole 资料来源:Yole 26 国内IGBT厂商的产业链布局情况 4.2自主可控需求驱动,国内IGBT产业加速追赶 国内IGBT自给率不足15% 0 2000 4000 6000 8000 10000 201020112012201320142015201620172018 产量(万只)需求(万只) 芯片设计芯片制造模块封装下游应用 中车株洲 比亚迪 宏微科技 华微电子 士兰微 扬杰科技 斯达半导 华虹半导体 上海先进 汇川技术 英威腾 2017年工信部推出“工业强基IGBT器件一条龙应用计划” 产业链环节新能源汽车用IGBT智能电网用IGBT轨道交通用IBGT 上游材料/江阴市赛英电子合肥圣达电子科技 IGBT设计、芯片制造、模 块生产及IDM 上海道之科技(斯达半导)南京南瑞集团株洲中车时代 生产设备制造上海微电子装备(集团)上海微电子装备(集团)上海凯世通半导体 下游应用的配套器件江铃汽车/ / 资料来源:工信部,中信证券研究部 资料来源:工信部,中信证券研究部 资料来源:产业调研,中信证券研究部 27 IGBT核心公司交期表 资料来源:富昌电子,中信证券研究部注:橙色表示交期延长、蓝色表示交期缩短 16Q417Q117Q217Q317Q418Q218Q318Q419Q119Q219Q319Q420Q120Q220Q320Q421Q121Q221Q3 On Smei 8-108-10 16- 18&40 16-18&4020-24&4020-24&5220-24&5233-5233-5222-4022-408-2613-2613-2013-2013-2018~2626~3626-52 Infineon 10-1210-1218-2218-2218-2426-3926-3939-5239-5220-3020-268-2622-3022-3018-2018-2018-2626~3639-50 Microsemi 14-1614-1618-2018-2018-2020-2620-2636-4436-4436-4420-2620-2625-3025-3018-2018-2022-3226-4040-52 IXYS 14-1614-1618-2018-2018-2020-2620-2636-4436-4436-4436-4417-2722-3026-3026-3026-3026-3026-3030-40 ST 10-1210-1224-2634-3834-3850505044-5044-5030-324419117-2516-2016-2014-1818-2424-3036-42 16Q417Q117Q217Q317Q418Q218Q318Q419Q119Q219Q319Q420Q120Q220Q320Q421Q121Q221Q3 DIODES 10-1210-1210-1214-1616-1826-4026-4026-4032-4032-4032-4016-2021-2521-2517-2217-2217-2222-3042-52 Fairchild(On Semi) 10-1210-1214-1616-2616-2624-4224-4226-4026-4024-4020-2610-2415-2415-2412-1612-1616-3426-5242-52 Infineon 12-1412-1415-2015-2016-2426-3826-3839-5239-5236-5024-2810-3015-3015-3015-3015-3016-3926-5239-52 Nexperia 20-2620-2620-2624-3024-3024-3036-5227-3624-288-1812-2026-3010-1210-1212-2622-5242-52 On Smei 14-1818-2020-2426-3026-3030-4230-4230-4239-5222-3616-228-1613-2013-208-168-1618-3026-5242-52 ST 10-1210-1216-1824-2828-3838-4238-4238-4238-4233-4416-2412-3017-3024-3014-2614-2618-2630-5242-52 Vishay 12-1412-1415-1720-2520-2526-4426-4426-4433-5036-4420-2612-2417-2214-2012-1612-1614-1622-2642-52 16Q417Q117Q217Q317Q418Q218Q318Q419Q119Q219Q319Q420Q120Q220Q320Q421Q121Q221Q3 NXP 12-1412-1412-1420-2420-244020-2420-2413-1613-1613-1613-1613-1616-1812-1416-2616-2616-2626-52 Microchip 8-128-1212-1612-1612-1612-1612-1612-1612-1610-1210-1210-1210-1216-2216-2616-2616-3840-5540-55 Renesas 18-2020-2525252524-2624-2624-2614-1614-1620202020202012-163026 ST 14-1614-1614-1620203014-3014-301212128-128-121220-2424-35紧缺紧缺紧缺 低压MOSFET核心公司交期表 高压MOSFET核心公司交期表 4.3缺货背景下,本土厂商加速实现份额提升 28 4.4本土IGBT厂商情况 资料来源:NE时代,产业调研,各公司年报,中信证券研究部 本土IGBT供应商情况梳理 海外供应商本土供应商 工业英飞凌、富士、三菱、赛米控等斯达、宏微、士兰微、华润微、新洁能、扬杰科技等 白电三菱、富士、安森美士兰微、斯达半导等 汽车英飞凌、安森美、意法、富士、三菱比亚迪、斯达半导、时代电气、士兰微 光伏Vincotech(三菱收购)占50%、英飞凌、安森美等斯达半导、士兰微、宏微科技、新洁能、扬杰科技等 轨交+电网ABB、赛米控、英飞凌时代电气、国电南瑞 各下游领域IGBT供应商梳理 2020年IGBT业务体量(亿元)商业模式下游 中车时代电气5~6 IDM轨交为主,还包括新能源发电和电动车等 斯达半导9.6 Fabless工控(73%)、电动车(20%)、变频家电(4%)、新能源发电(3%) 比亚迪半导体~4 IDM电动车为主,还包括工控等 宏微科技1.9 Fabless工控为主,还包括充电桩、新能源发电等 士兰微6.7 IDM变频家电、工控为主,已突破光伏和电动车 华润微1 IDM工控为主 新洁能21年开始起量Fabless光伏、工控等 扬杰科技21年开始起量Fabless光伏、工控等 29 4.5产能情况梳理 国内部分IDM或晶圆厂(功率器件相关)产能梳理,截至2021年10月 商业模式6寸(月产能) 8寸(月产能) 12寸(月产能) 华虹代工功率器件产能约8万片 功率器件相关产能约1.8万片;22年预 计新增1万片 华润微IDM+代工21万片12.6万片(明年Q3增加至14.2万片)规划3万片,预计2022年开始投产 士兰微IDM 21万片(5&6兼容) 6~7万片(未来规划扩产至10万片) 21年底扩产至3.5万片,22年有望扩产 至6万片 安世IDM折合8寸后8~9万片;收购NWF增加3.5万片规划3万片,预计2022年投产 比亚迪半导体 IDM 2~3万片 长沙厂于21年开始逐步爬坡; 收购济南富能加快扩产进度 时代电气1~2万片,有望扩产至3万片 华微电子IDM 4寸、5寸、6寸总产能为400万片/年8万片(20年中投产,爬坡中) 上海积塔代工6万片~6万片规划中 中芯绍兴代工10万片(19年底投产,爬坡中) 全球功率暨化合物半导体晶圆厂月产能(折合8寸) 资料来源:SEMI 资料来源:产业调研,中信证券研究部 目录 CONTENTS 30 1.行业概览 2.技术路径 3.市场空间 4.竞争格局 5. SiC的影响几何 6.风险因素 31 5.1第三代半导体产业画像 各代半导体材料发展历程 资料来源:Cree官网,中信证券研究部 各代半导体材料特性对比 半导体材料商用时间适用领域当前市场空间备注 第一代硅、锗20世纪50年代集成电路、电力电子、射频电子数千亿美金 最为成熟、运用最为广泛, 但受限于硅元素本身性质 第二代磷化銦、砷化镓20世纪90年代射频电子、光电子百亿美金 目前在射频领域应用较多, 但是存在毒性、环节污染 等问题 第三代碳化硅、氮化镓21世纪电力电子、射频电子、光电子数亿美金 逐渐普及各领域,目前工 艺正处于发展之中 资料来源:Yole,中信证券研究部资料来源:Rohm官网 32 资料来源:天科合达招股说明书 资料来源:Yole 基于SIC衬底的两类应用各代半导体材料适用场景 5.2应用场景:导电型SiC主要应用于中高压功率器件 SiCSBD(肖特基二极管)的耐压分布SiC功率器件应用领域 资料来源:Yole,中信证券研究部 目前SiC功率器件主要定位于功率在1kw-500kw之间、工作频率在10KHz-100MHz之间的场景,特 别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用。

资料来源:Yole 33 0 100 200 300 400 500 AUDCNEDCWLTPARDCAHDC 功耗 ( W ) Si SiC 资料来源:应用电力电子学会议和产品展示会( APEC ) 各代半导体材料物理性质不同工况测试下SiC-MOFET和Si-IGBT功耗对比 资料来源:《Benefits of new CoolSiCTMMOSFET in HybridPACKTMDrive package for electrical drive train applications》(Waldemar Jakobi etc.),中信证券研究部 5.3 SiC具有性能优势:降低损耗、小型化、耐高温高压 不同工况测试下SiC-MOFET和Si-IGBT效率对比 资料来源:《Benefits of new CoolSiCTMMOSFET in HybridPACKTMDrive package for electrical drive train applications》(Waldemar Jakobi etc.),中信证券研究部 SiC混合模块与Si基IGBT模块对比 资料来源:富士电机 34 尽管1990s SiC衬底就已经实现产业化,但可靠性和高成本限制了行业普及 SiC功率器件成本远高于Si基功率器件,成本降低驱动逐步渗透: SiC二极管:应用相对容易,和Si基产品价格差在3~5倍。

在比特币的蚂蚁挖矿机的电源中有批 量的商业应用,在高效能的(数据中心)电源、PV、充电桩中已有不少应用。

SiCMOSFET:应用相对较难,和Si基产品价格差在~5倍,在PV逆变器、充电桩、电动汽车 充电与驱动、电力电子变压器等逐步开始应用。

资料来源:CASA,Mouser资料来源:CASA,Mouser SiCSBD与Si SBD的平均价格(元/A) SiCMOSFET与Si IGBT的平均价格(元/A) 5.4行业痛点:价格远高于Si基器件,目前仍处于 普及初期 35 根据IHSMarkit数据,2018年SiC功率器件市场规模约3.9亿美元。

预计到2027年将超过100亿美 元,对应9年CAGR为43%。

驱动力包括: 需求端:1)特斯拉引领下,新能源汽车逐步开始使用SiCMOS,拉动庞大需求(预计是最大也 是最重要的市场),2)电力设备等领域的带动 供给端:1)产品技术升级,SiC衬底尺寸从4寸转向6寸,再向8寸升级;2)产能扩张后产生规 模效应。

5.5空间:18年SiC器件需求约4亿$,10年35倍扩张 资料来源:CASA(含预测),中信证券研究部 2017201820192020202120222023 SiC 0.95%1.32%1.69%1.98%2.35%3.03%3.75% GaN 0.03%0.03%0.08%0.17%0.31%0.67% 1% Si 99.0398.6598.2297.8597.3496.3095.24 0.95%1.32%1.69%1.98% 2.35%3.03%3.75% 92% 93% 94% 95% 96% 97% 98% 99% 100% Si GaNSiC SiC在功率器件领域的渗透情况全球SiC功率器件市场规模(单位:亿美元) 资料来源:Omdia(含预测) 36 5.6电动车:电控、OBC、DC-DC等多部位可升级为SiC 资料来源:英飞凌,CASA,中信证券研究部 SiC材料器件在新能源汽车上的应用部位 电动车不同部位对于SiC器件的要求SiC在汽车中的应用趋势(逆变器认证要求最高) 资料来源:Rohm 资料来源:英飞凌工业微信公众号 37 直接成本增加:在逆变器中用SiCMOS替换IGBT,会增加约1~200美金的器件成本。

其他成本降低:1)SiC可使控制器效率提升2%~8,进而降低电池成本。

根据CASA,电动车每百 公里电耗减少1kWh,电池成本节约1500元(反之,同样的电池成本续航能力更强)。

2)由于高 频特性,配套的变压器、电感等磁性元件成本降低(电感成本与频率成反比)。

3)逆变器体积减 小,降低其他材料成本。

4)低功耗、高工作结温降低散热要求。

电池容量更大的高端车型或电动大巴车,更容易率先引入SiCMOSFET 5.7电动车:SiC优点在于可降低综合成本 资料来源:CASA,mircosemi Si IGBT和SiCMOSFET控制器效率对比SiC与Si逆变器的经济收益 资料来源:Rohm 当电池容量达到75kWh,使用SiCMOS在系统单位成本上可获得正向经济性 38 5.8产业链:衬底是核心,器件/模块供应商与IGBT存在重叠 国内外SiC产业链梳理 衬底外延模块&器件应用 境外: Cree II-VI Rohm 道康宁 Norstel ( ST收 购) 境外: Cree II-VI Rohm 道康宁 Norstel ( ST收购) 三棱电机 英飞凌 国内: 天科合达 山东天岳 露笑科技 三安光电 山西烁科 河北同光 东尼电子 国内: 瀚天天成 东湾天域 世纪金光 三安光电 境外: Cree Rohm 英飞凌 意法半导体 Microsemi 松下 安美森 三菱电机 GeneSiC Littelfuse 瑞萨电子 X-Fab 日月光 Anker CISSOID 国内: 三安光电 世纪金光 泰科天润 中车时代电气 华润微 士兰微 扬杰科技 斯达半导体比 亚迪半导体 华天科技 海威华芯 国扬电子 基本半导体 国内: 新能源: 比亚迪 小鹏 蔚来 宇通 光伏: 华为 北京科诺伟业 电源: 比特大陆 资料来源:产业调研,各公司官网,中信证券研究部 目录 CONTENTS 39 1.行业概览 2.技术路径 3.市场空间 4.竞争格局 5. SiC的影响几何 6.风险因素 40 风险因素 电动车等下游需求不及预期; 行业竞争加剧等。

感谢您的信任与支持! THANKYOU 徐涛(首席电子分析师) 执业证书编号:S1010517080003 夏胤磊(电子分析师) 执业证书编号:S1010521080005 免责声明 投资建议的评级标准 报告中投资建议所涉及的评级分为股票评级和行业评级(另有说明的除外)。

评级标准为报告发 布日后6到12个月内的相对市场表现,也即:以报告发布日后的6到12个月内的公司股价(或行业 指数)相对同期相关证券市场代表性指数的涨跌幅作为基准。

其中:A股市场以沪深300指数为基 准,新三板市场以三板成指(针对协议转让标的)或三板做市指数(针对做市转让标的)为基准; 香港市场以摩根士丹利中国指数为基准;美国市场以纳斯达克综合指数或标普500指数为基准。

评级说明 股票评级 买入相对同期相关证券市场代表性指数涨幅20%以上; 增持相对同期相关证券市场代表性指数涨幅介于5%~20%之间 持有相对同期相关证券市场代表性指数涨幅介于-10%~5%之间 卖出相对同期相关证券市场代表性指数跌幅10%以上; 行业评级 强于大市相对同期相关证券市场代表性指数涨幅10%以上; 中性相对同期相关证券市场代表性指数涨幅介于-10%~10%之间; 弱于大市相对同期相关证券市场代表性指数跌幅10%以上 分析师声明 主要负责撰写本研究报告全部或部分内容的分析师在此声明:(i)本研究报告所表述的任何观点均精准地反映了上述每位分析师个人对标的证券和发行人的看法;(ii)该分析师所得报酬的任何组成部分无论是在过去、现在及将来均不会直接或间接地与研究 报告所表述的具体建议或观点相联系。

评级说明 其他声明 本研究报告由中信证券股份有限公司或其附属机构制作。

中信证券股份有限公司及其全球的附属机构、分支机构及联营机构(仅就本研究报告免责条款而言,不含CLSA group of companies),统称为“中信证券”。

法律主体声明 本研究报告在中华人民共和国(香港、澳门、台湾除外)由中信证券股份有限公司(受中国证券监督管理委员会监管,经营证券业务许可证编号:Z20374000)分发。

本研究报告由下列机构代表中信证券在相应地区分发:在中国香港由CLSALimited分发; 在中国台湾由CLSecurities Taiwan Co., Ltd.分发;在澳大利亚由CLSAAustralia Pty Ltd.(金融服务牌照编号:350159)分发;在美国由CLSA group of companies(CLSAAmericas, LLC(下称“CLSAAmericas”)除外)分发;在新加坡由CLSASingapore Pte Ltd.(公司注册编号:198703750W)分发;在欧盟与英国由CLSAEurope BV或CLSA (UK)分发;在印度由CLSAIndia Private Limited分发(地址:孟买(400021)Nariman Point的Dalamal House 8层;电话号码:+91-22-66505050;传真号码:+91- 22-22840271;公司识别号:U67120MH1994PLC083118;印度证券交易委员会注册编号:作为证券经纪商的INZ000001735,作为商人银行的INM000010619,作为研究分析商的INH000001113);在印度尼西亚由PTCLSASekuritas Indonesia分发;在日本 由CLSASecurities Japan Co., Ltd.分发;在韩国由CLSASecurities Korea Ltd.分发;在马来西亚由CLSASecurities Malaysia Sdn Bhd分发;在菲律宾由CLSAPhilippines Inc.(菲律宾证券交易所及证券投资者保护基金会员)分发;在泰国由CLSASecurities (Thailand) Limited分发。

针对不同司法管辖区的声明 中国:根据中国证券监督管理委员会核发的经营证券业务许可,中信证券股份有限公司的经营范围包括证券投资咨询业务。

美国:本研究报告由中信证券制作。

本研究报告在美国由CLSA group of companies(CLSAAmericas除外)仅向符合美国《1934年证券交易法》下15a-6规则定义且CLSAAmericas提供服务的“主要美国机构投资者”分发。

对身在美国的任何人士发送本研究报 告将不被视为对本报告中所评论的证券进行交易的建议或对本报告中所载任何观点的背书。

任何从中信证券与CLSA group of companies获得本研究报告的接收者如果希望在美国交易本报告中提及的任何证券应当联系CLSAAmericas。

新加坡:本研究报告在新加坡由CLSASingapore Pte Ltd.(资本市场经营许可持有人及受豁免的财务顾问),仅向新加坡《证券及期货法》s.4A(1)定义下的“机构投资者、认可投资者及专业投资者”分发。

根据新加坡《财务顾问法》下《财务顾问(修正)规 例(2005)》中关于机构投资者、认可投资者、专业投资者及海外投资者的第33、34及35条的规定,《财务顾问法》第25、27及36条不适用于CLSASingapore Pte Ltd.。

如对本报告存有疑问,还请联系CLSASingapore Pte Ltd.(电话:+6564167888)。

MCI (P) 024/12/2020。

加拿大:本研究报告由中信证券制作。

对身在加拿大的任何人士发送本研究报告将不被视为对本报告中所评论的证券进行交易的建议或对本报告中所载任何观点的背书。

欧盟与英国:本研究报告在欧盟与英国归属于营销文件,其不是按照旨在提升研究报告独立性的法律要件而撰写,亦不受任何禁止在投资研究报告发布前进行交易的限制。

本研究报告在欧盟与英国由CLSA (UK)或CLSAEurope BV发布。

CLSA (UK)由(英 国)金融行为管理局授权并接受其管理,CLSAEurope BV由荷兰金融市场管理局授权并接受其管理,本研究报告针对由相应本地监管规定所界定的在投资方面具有专业经验的人士,且涉及到的任何投资活动仅针对此类人士。

若您不具备投资的专业经验,请勿依 赖本研究报告。

对于由英国分析员编纂的研究资料,其由CLSA (UK)与CLSAEurope BV制作并发布。

就英国的金融行业准则与欧洲其他辖区的《金融工具市场指令II》,本研究报告被制作并意图作为实质性研究资料。

澳大利亚:CLSAAustralia Pty Ltd (“CAPL”) (商业编号:53139992331/金融服务牌照编号: 350159)受澳大利亚证券与投资委员会监管,且为澳大利亚证券交易所及CHI-X的市场参与主体。

本研究报告在澳大利亚由CAPL仅向“批发客户”发布及分发。

本研 究报告未考虑收件人的具体投资目标、财务状况或特定需求。

未经CAPL事先书面同意,本研究报告的收件人不得将其分发给任何第三方。

本段所称的“批发客户”适用于《公司法(2001)》第761G条的规定。

CAPL研究覆盖范围包括研究部门管理层不时认为与 投资者相关的ASXAll Ordinaries指数成分股、离岸市场上市证券、未上市发行人及投资产品。

CAPL寻求覆盖各个行业中与其国内及国际投资者相关的公司。

一般性声明 本研究报告对于收件人而言属高度机密,只有收件人才能使用。

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本报告所载的资料、观点及预测均反映了中信证券在最初发布该报告日期当日分析师的判断,可以在不发出通知的情况下做出更改,亦可因使用不同假设和标准、采用不同观点和分析方法而与中信证券其它业务部门、单位或附属机构在制作类似的其他材料时 所给出的意见不同或者相反。

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证券研究报告2021年2月23日

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