必威188体育:功率半导体器件高景气延续

  保持高速增长,2022年上半年,多家公司业绩预告数据靓丽,背后既有国产替代的因素,也有下游市场增量空间的带动。

  中国正在致力于光伏、风电、新能源汽车及充电桩、5G、数据中心等科技基础设施建设,有力拉动功率器件的市场需求。

  全球能源体系向光伏、风电等低碳方向转型,推动逆变器和变流器市场快速增长,从而使原材料端的IGBT获益;5G基站数量的增多与输出功率的提高将为功率器件拓展新的市场空间;汽车电动化趋势加速的背景下,车规级功率器件的规格加速升级。据预测,风电、光伏、储能新增装机市场对IGBT的需求规模将由2021年的86.7亿美元上升至2025年的182.5亿美元;到2025年,中国新能源汽车所用IGBT市场规模将达到210亿元,与用IGBT合计310亿元。

  硅基功率器件的下一代材料为碳化硅,具备更小的能量损耗,能够提供较高的电流密度,在相同功率等级下,功率模块的体积显著小于硅基模块,有助于提升系统的功率密度,成为未来功率半导体器件迭代升级的方向。

  功率器件主要分为二极管、三极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等,二极管是基础性器件,主要用作整流,虽然原理成熟,但受产品稳定性及客户认证壁垒影响,国产化率不高;三极管主要适用于消费电子等产品,用于开关或放大功率;晶闸管主要用于工业领域,属于电流控制型开关器件,市场规模较小。

  MOSFET全名为金属-氧化物半导体场效应晶体管,即以金属层的栅极隔着氧化层利用电场的效应来控制半导体的场效应晶体管。功率MOSFET在电路中起到的作用近似于开关,广泛使用在模拟电路与数字电路,特别适用于电脑、手机、移动电源、车载导航、电动交通工具、UPS电源等电源控制领域,产业链下游涵盖、工业、通讯、汽车电子、CPU/GPU及电子照明等多个领域。

  据统计,中国MOSFET的应用20%-30%分布在汽车电子及,20%以上分布在,工业领域约占20%。

  IGBT全名为绝缘栅双极型晶体管,是由双极型三极管(BJT)和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式半导体功率器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面的优点,IGBT可用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子等高压高频领域,可根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控的目的,是电力电子行业第三次革命的代表性技术。

  相较于MOSFET而言,IGBT适用于较低开关频率和大电流的应用,大电流下IGBT的导通损耗比MOSFET更低,MOSFET有能力满足高频、小电流的应用,具有更低的开关损耗,更适合开关频率在100KHz以上的逆变器模块。

  IGBT适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统,如交流、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等。

  IGBT可分为单管、模块和智能功率模块(IPM)三类产品,三者生产制造技术和下游应用场景均有所差异:在生产制造技术方面,单管产品和IPM模块采用环氧注塑工艺,标准模块采用灌胶工艺;在下游应用场景方面,单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器及小功率变频器,标准模块主要应用于大功率工业变频器、电焊机、汽车等领域,IPM模块主要应用于变频空调、变频洗衣机等白色家电。

  在全投资模式下,2019年地面光伏电站在1800、1500、1200、1000小时等效利用小时数的每千瓦时发电成本分别为0.28、0.34、0.42、0.51元,其中1800小时的发电成本已经低于煤电上网价格,光伏平价上网大幕拉开。太阳能发电中的直流转换器和光伏逆变器均需要用到IGBT作为功率开关。IGBT等功率器件是逆变器实现逆变功能的核心,光伏逆变器将光伏组件发电产生的直流电逆变成交流电,并入交流输电网或接入家庭交流负载。

  目前逆变器主要以集中式逆变器和组串式逆变器为主,集中式光伏逆变器每瓦成本在0.16-0.17元,组串式光伏逆变器成本每瓦在0.2元左右,总体光伏逆变器成本每瓦在0.2元,IGBT模块占光伏逆变器的成本比例约为15%,每GW对应功率半导体的价值量约为0.3亿-0.4亿元。近年来随着技术的不断进步,组串式逆变器成本迅速下降,逐渐接近于集中式逆变器成本,市场份额得到进一步提升。考虑到光伏逆变器对IGBT单管的需求量,IGBT占光伏逆变器价值量的20%-30%。随着IGBT单管的设计和制造工艺水平不断提升,其所能承受的电流电压也愈来愈大,以往必须要IGBT模块才能胜任的一些高功率的工作场景,如今使用IGBT单管也能较好地运行。

  风力发组的核心部件风电变流器也是IGBT的重要应用领域,风电变流器能将风机发出的电能经过交直转换变为稳定电压和频率的电能馈入电网。光伏、风电等发电具有季节性、间歇性、波动性等不稳定因素,系统可以对此进行平抑、消纳、平滑新能源发电的输出,将光伏、风电发电系统与蓄电池储能系统并网,可以合理安排蓄的充放电、光伏和风机的出力,从而达到最大限度延长并网供电时间的目的。开源证券预测,风电、光伏、储能新增装机市场对IGBT的需求规模将由2021年的86.7亿美元上升至2025年的182.5亿美元。

  近年来,新能源车全球出货量快速增长,2020-2021年分别为423万辆和675万辆;2021年中车销量超过350万辆,同比增长157.8%,2022年上半年销量约为248万辆。随着技术的不断成熟,需求不断得到释放,IDC预测,2021-2025年中车销量复合增长率将超30%,以功率半导体为代表的汽车电子有望充分受益。

  电驱系统是纯电汽车的核心,可以理解为传统燃油车的发动机,主要包含了逆变器,减速器和电机。逆变器中的电子电力控制器件将电池中的直流电转逆变为交流电传送到三相电机,当电机转速高于恒扭矩区间时,电机扭矩就会有所下降,这时需要的介入,通过多级齿轮的传动即可实现降低转速、提升扭矩的效果,从而满足车辆高速行驶时对扭矩的需求。

  传统汽车中,MOSFET主要用于辅助驱动各种电动马达,包括通风系统、雨刮器和电动车窗等,而新能源汽车中的电动助力转向、引擎、电池管理系统、驱动系统中的变速箱等电气控制装置将促使MOSFET的用量大幅上升。传统燃油车中仅有少量的IGBT单管用于发动机点火器,而对于以电池为动力源的纯电汽车,IGBT模块成为电驱系统中逆变器的标配,车载充电机、DC-DC升压器、电空调驱动也需要用到IGBT单管。

  据测算,新能源汽车中功率半导体器件的价值量约为传统燃油车的5倍以上,其中,IGBT约占新能源汽车电控系统成本的37%,是电控系统中核心的电子器件之一;传统燃油车功率半导体用量仅为71美元,48V轻混车型功率半导体价值量增值至90美元,而纯电车型的功率半导体价值上涨至330美元。电动汽车中半导体价值量接近传统汽车的两倍,MOSFET和IGBT为电动车控制器中实现功率变换的核心部件,在高端电动汽车中,MOSFET器件的用量可达250只。

  发展中的重要配套直流充电桩中也需要用到大量的IGBT,占总成本近20%,而2021年中国公共车桩比和私人车桩比分别为7.13和5.17,2026年之前,充电桩行业的增速有望保持在30%以上。据中国产业信息网预测,全球车用MOSFET市场至2022年有望达到116亿元;集邦咨询预测,到2025年中国新能源汽车所用IGBT市场规模将达到210亿元,与充电桩用IGBT合计310亿元。

  5G时代的大规模天线阵列技术(下称“MIMO”)需要增加基站侧和手机侧的天线数量,从而实现基站侧几百个天线同时发送数据,以提升频谱效率和系统容量。MIMO技术的采用使得5G的AAU输出功率由4G的40-80W上升至200W甚至更高,同时处理的数据量大幅增加也使得BBU功率大幅提升,对功率器件的工作温度也有所提高。据统计,5G单站功率器件价值量约100美元,是传统天线倍。由于频段越高波长越短,覆盖半径越小。要达到4G同等覆盖面积,需要更多的5G基站数量,应达4G的1.5-2倍,华创估计5G基站数量需要近700万个,按单站100美元价值量的功率器件计算,对应功率器件市场空间在7亿美元。

  5G信号的高功率、高数据吞吐量特性会使5G手机的电量消耗远高于4G.有测试表明,iPhone12开启5G后续航较4G网络减少2个小时。在电池大小受限制的前提下,只能通过快速充电来解决续航问题。中商情报网预计2022年快充市场规模将增长至986亿元,增长率超过30%,为MOSFET等功率半导体器件创造了市场空间。

  2022年5月,工信部表示将“适度超前”加快基础设施建设,推进5G、千兆光网、建设,提升覆盖深度和广度。5G应用带来数据流量爆发,驱动扩容、降耗,UPS系统的损耗大约占到数据中心能耗的6%-10%,选用性能更优的IGBT器件可以降低UPS能耗。UPS逆变器中的IGBT、SCR等器件向高功率升级,从而提升降耗性能,功率器件市场有望随之快速增长。据Yole预测,2017年以数据中心为代表的计算、存储功率器件市场空间为13.5亿美元,至2023年有望增长至15.1亿美元。

  国泰君安指出,受新冠疫情影响,全球功率器件整体持续缺货,IGBT和MOSFET供需持续紧张,出现价格持续上涨、交货周期持续拉长的情况,下游客户为保证芯片供给,开始转向国内厂商,恰逢国内厂商功率半导体产能在本轮缺货周期中得到释放,产能供给充足,且国内厂商技术水平近几年持续提升,在中高端市场提前进行布局,功率器件领域国产替代迎来难得的良机。

  自2015年以来,中国的IGBT自给率超过10%,并逐渐增长,预计2024年中国IGBT行业产量将达到0.78亿只,需求量约为1.96 亿只。国产IGBT仍存在巨大供需缺口,中信建投证券预计2025年国内IGBT市场规模将增加至592亿元,2020-2025年复合增速为27%。

  开源证券认为,分布式光伏逆变器功率较小,主要采用IGBT单管方案,因此在快速增长的需求下,IGBT单管相较IGBT模块更为紧缺,国产替代的迫切性更高;技术上来说,IGBT单管的封装难度较IGBT模块更低,厂商更容易把握单管产品的性能指标和产品稳定性、一致性;中国功率半导体企业总体将先通过IGBT单管供应实现光伏IGBT替代的突破。

  2022年上半年,多家A股功率半导体器件公司业绩预增,专注于轨道交道装备领域的时代电气预计实现扣非归母净利润6.07亿元,同比增长23.27%;主营半导体功率器件及硅片的立昂微预计实现扣非归母净利润4.35亿-4.75亿元,同比增长136.59%至158.35%;主营半导体功率器件的扬杰科技预计实现扣非归母净利润5.06亿-6.09亿元,同比增长51.93%-82.96%;专注于IGBT的斯达半导预计实现扣非归母净利润3.25亿-3.3亿元,同比增长129.49%-136.55%。

  碳化硅光电性能优越,其带隙宽度大约是硅的3倍,其导热率为硅的3.3倍,宽禁带使得其可在高温环境下稳定运行,较高的导热系数意味着碳化硅的器件可以缩小冷却结构,减小系统重量和体积,碳化硅二极管在开通过程中可基本实现零正向恢复电压,在关断过程中没有过剩载流子复合过程,可以减小逆变器恢复损耗、提高开关效率。

  以碳化硅方案的光伏逆变器为例,整体系统效率可提升1%-2%左右,能量损耗降低50%以上,体积和重量减少40%-60%,大幅降低系统度电成本及安装维护成本。再例如,使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器,转换效率可从96%提升至99%以上,能量损耗降低50%以上,设备循环寿命提升50倍。将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器,能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性,提高牵引变流器装置效率。

  海外企业对此研究多年,并已提高量产规模,国产厂商亦纷纷布局。拟投资5亿元用于SiC芯片研发及产业化项目,华润微自主研发的平面型1200VSiC-MOSFET已进入风险量产阶段。近日,士兰明镓启动化合物半导体第二期建设,拟建设一条6英寸SiC功率器件芯片生产线英寸SiC功率器件芯片的产能。

  不过,采用纯碳化硅方案的短期成本仍然较高,约需要5-6年回本,目前碳化硅的价格大约是硅基IGBT的3-4倍。SiC器件成本高的一大原因就是SiC衬造困难,与传统的单晶硅使用提拉法制备不同,目前规模化生长SiC单晶主要采用物理气相输运法或籽晶的升华法。这也就带来了SiC晶体制备的两个难点,即生长条件苛刻和生长速度慢,SiC基器件与传统的硅器件不同,SiC衬底的质量和表面特性不能满足直接制造器件的要求,因此在制造大功率和高压高频器件时,不能直接在SiC衬底上制作器件,而必须在单晶衬底上额外沉积一层高质量的外延材料,并在外延层上制造各类器件,目前效率比较低。