（报告出品方/作者：民生证券，方竞，童秋涛）
1景气度居高不下，国产替代和产品迭代酝酿机遇
1.1全球功率器件景气度维持高位
1.1.1功率半导体下游应用广泛，能源变革驱动需求快速增长
功率半导体作为电能转换、电路控制的核心部件，广泛应用于汽车、消费电子、计算机、网络通信、工控等场景，其中汽车在下游需求的占比中最高，达到35.4%。年以来，全球范围内新能源汽车、光伏、风电应用领域的下游需求激增，带动功率半导体行业进入景气期。
全球新能源渗透率的持续增长有望带动功率器件行业景气度维持高位。据中国汽车工业协会数据，至年中国和全球的新能源汽车出货量有望分别达到万辆和万辆，相比年CAGR增速分别达到30%和22%；新能源发电领域，Woodmac预计至年全球光伏和风电装机量有望分别达到GW和86GW。作为功率器件应用的重要下游，全球新能源渗透率的快速提升有望持续带动功率器件下游需求，全行业景气度有望维持高位。
1.1.2交货周期持续拉长，行业景气度居高不下
年一季度海外主流功率器件厂商交货周期和价格均呈现上升态势。货期方面，海外供应商几乎全品类货期均有上行，其中英飞凌最长货期已达到65周；价格方面，除个别品类外，主流器件价格均有上升趋势。我们认为，一季度的涨价及货期拉长主要原因包括下游需求持续旺盛、上游产能释放缓慢、全球海运价格上行、疫情持续以及上游原材料成本上升等，货期及价格的上涨也预示着功率器件景气度仍然维持高位。
全球功率器件厂商的营收的高增长和毛利率的持续攀升亦能反应行业景气度的居高不下。
行业增速来看：受益下游需求的高景气，1Q20以来国际和国内的主要厂商营收均呈现快速上升的态势，虽然2Q21以来由于基数较高、产能不足等问题，行业厂商营收增长速度有所放缓，但行业总体增速仍维持高位，4Q21全球和国内主要功率器件主要厂商的营收增速分别达到40.00%和38.06%。
从行业毛利率水平来看：全球功率器件厂商自年以来持续攀升，显示出行业供需失衡的状态仍在持续。尽管年以来全球厂商纷纷扩产，但半导体新增产能的开出通常需要3-5年的时间，当前全球和国内功率器件主要厂商的平均毛利率分别达到40.00%和39.74%，为年以来的最高水平，预示行业供给相对不足和高景气的情况有望持续。
1.1.3功率器件面临国产化窗口，当前国产化率仍有较大空间
国内功率半导体市场国产化率不足30%，国内厂商仍有较大成长空间。据Omida，年全球和中国功率半导体市场空间分别为亿美元和亿美元，至年，全球和中国市场空间有望分别达到亿美元和亿美元，相比年复合增速分别有望达到5.92%和4.55%。当前国内功率器件仍主要依赖进口，据我们测算，国内功率器件主要上市公司年相关收入占当前国内功率器件市场份额为22.08%，相比年提升7.81pct，但当前国产替代仍有较大空间。且国内厂商主要以二极管、晶闸管等技术壁垒相对较低的品类为主，在大功率MOSFET、IGBT等领域的国产化率更低。我们认为，当前全球大功率器件需求快速上升，全球供给相对不足，而国产厂商技术快速跟进，客户认可度持续提升，当前时点是功率器件国产替代的重要窗口期，国产厂商未来有望在大功率MOSFET、IGBT、SiC等器件获得更高的国产化率。
1.2IGBT和SiC器件前景明朗
1.2.1IGBT和大功率MOSFET是功率器件增长的主要驱动力
类别来看，功率半导体可以粗分为功率IC和功率器件两大类别。其中，功率器件主要包括二极管、晶闸管和晶体管，功率IC又包括电源管理IC和驱动IC等。二极管和晶闸管出现的时间相对较早，总体结构和生产工艺较为简单，目前需求增长较快的IGBT、MOSFET等属于晶体管系列，当前正处于下游景气度高企和国产替代的关键时期。从功能来看，功率器件主要用于电能变换和电能控制电路，主要功能为逆变、整流、变压和变频；而功率IC则由于进一步封装了驱动、控制、保护、接口、监测等外围电路，从而具有电源管理、驱动电路、电能变换和控制等功能。（报告来源：未来智库）
功率器件按照开关控制能力可分为不可控型器件、半控型器件和全控型器件。
1）二极管：二极管中商业化较为成功的器件包括PiN功率二极管和肖特基势垒功率二极管，其中，PiN功率二极管具备耐高压、低泄漏电流和低导通损耗等特点，但开关速度较慢；而肖特基势垒功率二极管则具备较高的开关频率、但有较大的泄露电流、较低的击穿电压和较差的高温特性，二者呈现互补关系。当前市场正在通过工艺改进及材料替换来开发具有更优的高压、高频特新的二极管。
2）晶闸管：晶闸管是一种半控型功率器件，早期由于其较高的电压和应用电流，被广泛应用率高功率场景，而新型功率MOS，尤其是IGBT的出现则在一定程度上替代了晶闸管的应用。
3）BJT：双极结型晶体管是结构相对简单的功率器件，其在功率和频率上的表现都不突出，但由于其工艺成熟、成本较低等优点，仍在低端功率应用场景中具备一定的份额。
4）IGBT：IGBT的出现大大拓宽了硅基功率半导体的工作电压范围，其最高工作电压达到V，同时具备功率MOS相对合适的工作频率，在电动车、轨道交通、电网、光伏和风电等领域具有广泛的应用。
5）MOSFET：功率MOS可以进一步细分为平面型MOSFET、沟槽型MOSFET、超结MOSFET、屏蔽栅MOSFET，分别具有不同的功率和频率特性，应用场景较为广泛。
IGBT和功率MOS有望成为全球功率器件市场的主要增长来源。根据英飞凌、Omedia等机构的数据，年全球功率半导体市场规模达到亿美元，其中功率IC市场规模为亿美元，功率器件市场规模为亿美元。功率器件中，二极管、晶闸管、BJT、功率MOS和IGBT的市场规模分别为38.7亿美元、4.7亿美元、18.1亿美元、81亿美元和66.5亿美元。其中二极管和晶闸管市场规模总体较为平稳，而受益于新能源汽车、光伏、风电、电网建设等下游需求的持续增长，IGBT和大功率MOSFET的市场空间仍保持快速上升的态势，其中IGBT在年-年全球市场空间的复合增速有望达到7.48%。
1.2.2IGBT应用步入成熟期，国产替代空间广阔
IGBT全称为绝缘栅极晶体管，可以被认为是MOSFET和BJT（双极型三极管）组成的混合型器件，具有MOSFET的高输入阻抗，同时兼具晶闸管等双极型器件的低导通压降，以及具有相对合适的工作频率。从应用场景来划分，开关频率大于20kHz的应用场景主要采用MOSFET，电压等级大于V以上的高压场景主要采用IGBT，在介于两者之间的场景，主要根据应用的需求采用MOSFET或IGBT的解决方案。
以英飞凌IGBT产品代际为准，目前主流的IGBT已迭代到第七代产品，除了第一代产品外，其他代际都在适应的场景有所应用，代际的迭代主要是通过IGBT内部的结构改善，从而降低产品的功耗。目前IGBT的发展主要有三大特征：1）产品不追求制程，生产模式以IDM为主；2）通过改进元胞设计概念、改进垂直结构等方式提升产品在功耗、工作温度、频率等方面的性能；3）不同代际和技术路线的IGBT产品根据其性能、价格、稳定性等综合因素广泛适用于各种不同场景，例如目前工控、家电及大部分汽车IGBT使用英飞凌第四代（沟槽栅）产品，较高端车型使用英飞凌第七代（EDT2产品）。
据英飞凌，年全球IGBT市场空间达到66.5亿美元，供给格局较为集中，CR10达到82.6%，其中英飞凌市场份额超过30%。而前十大供应商中，国内供应商份额较少，当前只有士兰微、斯达半导和华微电子在个别细分品类中挤入前十大份额，当前IGBT仍有较大的国产替代空间。年，全球IGBT单管CR10为85.7%，国内仅有士兰微一家进入全球前十大供应商，份额为2.6%；全球IGBT模块CR10为79.1%，斯达半导表现优异，为全球第六大供应商，市场份额达到2.8%；全球IPM模块CR10为87.9%，士兰微和华微电子分别位列第九和第十，合计份额达到2.5%。IGBT总体来看，全球CR10份额为82.6%，其中国内厂商在前十大份额中占比为2.7%，当前IGBT仍有较大的国产替代空间。
1.2.3SiC和GaN性能优异，但技术和工艺仍有待完善
硅基衬底是目前技术和工艺最成熟、成本最低的功率半导体材料；碳化硅器件具有更高的频率、功率性能，目前在汽车电子领域已有所应用；氮化镓主要用在高频率场景，目前主要应用领域是超级快充。不同材料衬底的特性决定了其功率和频率特性，从而具有不同的适用场景：1）功率：功率器件的击穿电压取决于电场给载流子施加的速度是否能造成半导体材料发生雪崩击穿，因此宽禁带半导体具备更大的击穿电场强度，碳化硅（3.4eV）和氮化镓（3.2eV）的禁带宽度远大于硅（1.12eV），从而碳化硅和氮化镓功率器件的击穿电压高于硅基器件。2）频率：功率半导体的开关时间取决于载流子迁移速度、晶体管发射级和集电极的间距，因而具备更高饱和电子迁移速率和相对小体积的氮化镓（2.5*10^7cm/s）和碳化硅（2*10^7cm/s）功率器件的频率性能高于硅（1*10^7cm/s）基功率器件。此外，第三代半导体在最高工作温度方面同样显著优于硅基功率器件。
基于不同衬底的特性，硅、碳化硅和氮化镓衬底的功率器件呈现出不同的工作范围和应用场景。硅基功率器件主要用于25V-V和相对低频的应用范围，典型应用场景包括工控、家电等；碳化硅功率器件的工作电压介于V-V，主要应用于相对高频和高压的场景；氮化镓器件工作电压相对较低，介于80V-V之间，但具有很好的高频性能，主要应用场景包括快充、高端服务器、5G通信等领域。
当前SiC和GaN材料仍在开发早期，当前国内大力投资第三代半导体材料，预计未来有望实现对国外厂商的弯到超车。据CASAResearch统计，年国内第三代半导体材料市场空间为24亿元。而过去几年国内第三代半导体投资快速增长，年中国SiC和GaN投资规模分别达到亿元和亿元，产业的大力投资预期有望带来第三代半导体技术的加速成熟和市场空间的快速增长，预计至年，中国第三代半导体市场空间有望达到亿元，相比年CAGR增速达到53.60%。（报告来源：未来智库）
2IGBT市场空间测算及国内厂商进展分析
2.1IGBT需求迎来快速增长期，新能源车是主要驱动力
IGBT在功率器件中的市场空间仅次于MOSFET，受益于下游新能源发电、电动车的快速普及，行业空间快速成长，且当前工艺仍在快速更新，国内厂商市场份额较低且正在快速追赶海外龙头的技术水平，具备极佳的国产替代前景，因此我们将就IGBT市场空间进行详细拆解和分析。
据测算，中国IGBT市场空间有望在年达到亿元，相比于年CAGR增速达到22.8%。年国内IGBT需求格局中，新能源汽车、光/风/储能、工控、家电、轨交电网五大场景市场空间有望分别达到亿元、亿元、66亿元、66亿元和11亿元。新能源汽车有望成为国内IGBT最大且增速最快的应用场景。据测算，至年国内新能源车用IGBT市场有望达到亿元，5年CAGR增速达到48%，占国内IGBT总需求的40%。同时，新能源汽车用IGBT由于性能、稳定性要求较高，毛利率达到35%-40%，可谓功率器件“兵家必争之地”。
2.2新能源车成为IGBT需求增长的最大来源
2.2.1新能源车相比燃油车的功率半导体单车价值量有较大提升
汽车电动化带来内部功率半导体应用场景快速增加。传统燃油车中的功率半导体主要用于辅助驱动系统，而新能源车汽车中功率半导体的应用场景涵盖牵引逆变器、OBC、高低压辅助驱动系统、DCDC模块、充电桩等。新能源车用功率半导体的品类和数量相较传统燃油车均有较大提升。车用功率半导体相较于工业级功率半导体的性能要求同样存在差异。工业级功率半导体产品品类多、标准化程度高、应用环境复杂、失效率要求相对较低、产品生命周期较短；而汽车级功率半导体产品品类相对较少，但定制化程度高、高温和振动性能要求较高、失效率要求严格、产品生命周期要求更长。
相较于传统燃油车，新能源汽车的功率半导体单车价值量有显著的提升，新能源车单车功率器件的用量主要和车的功率大小、电气化程度相关。一般而言，新能源车的功率越大，电气化程度越高，单车功率半导体价值量越大。根据英飞凌数据，新能源汽车的单车功率半导体价值量可达到美元，约为传统燃油车的5倍。据我们测算，随着单车功率器件价值量的提升和新能源车的逐步渗透，国内新能源车用IGBT市场空间有望在年达到亿元，为年的7倍。
1、牵引逆变器
牵引逆变器是新能源汽车的核心功率器件，主要为汽车提供扭矩和加速度。常见的牵引逆变器功率水平在40kW-+kW，运行电流达到A，额定工作电压为V-V。为了适应大功率、高压和大电流的工作环境，新能源车牵引逆变器通常采用IGBT、SiC等产品。从价值量来看，不同车型的牵引逆变器价格区间较大，A00级车型单车IGBT价值量在元，而高端车型可达到-0元以上。
2、OBC模块
车载功率模块的功能主要为将外部提供的交流电，转换成新能源车电池充电所需的稳定高压直流电。OBC的工作功率范围通常在3.3kW-22kW之间，并且能够为汽车主电池提供V以上的电压。OBC中主要用到功率半导体的模块包括整流模块、功率因数校正模块和DCDC模块（内含初级侧DCDC和二次整流模块）。OBC可以进一步细分为单相OBC和双向OBC两种类型，双向OBC具有反向充电功能。当前OBC采用的主流功率器件为IGBT、MOSFET和二极管，而SiC器件由于具有更低的开关损耗，更高的开关速度和更高的工作温度，也在逐渐进入OBC应用领域。
3、高低压辅助驱动系统
高低压辅助驱动系统和主牵引系统类似，核心部件均为逆变器，但辅助驱动系统主要电动水泵、涡轮增压机、电动冷却风扇等辅助电机系统提供三相交流电源，因此具有相对较低的额定电压和电流水平。以安森美ASPM模块为例，其核心部分主要由6个IGBT组成的三个半桥模块构成。辅助驱动系统常用的功率器件类型包括MOSFET、IGBT和SiC器件等。
4、DCDC模块
新能源车用DCDC模块主要是为了将主电池中V或V的高压电流转换成12V的低压电流，为动力转向系统、空调冷机等其他辅助系统系统所需的电力。DCDC模块的常用功率水平为1kW-3kW，高压侧稳定电压为V-V，低压侧额定电压为40V，常用的功率器件包括MOSFET、IGBT、二极管和SiC器件等。
5、充电桩功率模块
由于直流充电桩需要整流，并且具有更高的工作电流和功率，因此使用功率半导体价值量较大的主要是直流充电桩。直流充电桩中主要用到功率器件的模块包括整流模块、功率因数校正模块和DCDC模块，目前直流充电桩中用到的功率器件主要包括V-V的二极管、IGBT和SiC器件等。
2.2.2新能源车用IGBT需求有望在年达到亿元
新能源车用IGBT主要应用场景包括主电控、OBC、空调、电子助力转向、充电桩等场景，根据不同车型，新能源汽车单车IGBT价值量在0-元之间。
核心假设：1）A级以上EV、PHEV和商用车单车主电控中IGBT价值量在元以上；2）A00和A0级EV单车主电控中IGBT价值量在-元左右；3）单车OBC、空调、转向助力系统等IGBT价值量在元左右。测算结果：年中国新能源车用IGBT需求量达到32.64亿元，预计到年有望达到.44亿元，5年CAGR增速达到47.96%。
2.2.3国内厂商布局新能源车用IGBT情况
当前国内功率厂商中，时代电气、斯达半导、比亚迪半导体、士兰微和宏微科技等厂商已取得车企定点项目。其中时代电气主供中车旗下商用车，并和广汽、东风等乘用车企合资成立IGBT模块封装公司，目前已大批量供货广汽、东风、小鹏、理想等客户；斯达半导与国内大部分主流车企取得合作关系，当前客户包括比亚迪、广汽、长安、奇瑞、北汽等；比亚迪半导体IGBT模块主供母公司，同时小部分外售给东风、长安等车企；士兰微当前主供客户包括零跑、汇川、上汽、吉利等厂商；宏微科技正在和一汽、北汽、长城等厂商进行定点项目认证工作。
从企业优势来看，时代电气、斯达半导、士兰微技术进展较快，目前已有英飞凌4代（沟槽栅）和7代（精细沟槽栅）对标产品，而比亚迪半导体由于背靠母公司比亚迪，在汽车模块出货规模上具备优势。而价格方面，国内厂商相比海外龙头英飞凌具备明显的价格优势，预计随着产品稳定性、产能的逐步提升，国内厂商在汽车IGBT领域与海外公司相比具备竞争优势。
2.3风、光、储能是IGBT增长的重要动力
2.3.1功率器件是新能源发电的核心器件
在新能源发电应用中，功率半导体主要应用在汇流、整流、逆变、变压等场景，可以将光伏和风电产生的在不同频率、电压等级的电流转化成电网能够容纳的标准电流。在光伏应用中，太阳能板发出的直流电经过汇流和逆变，转换成低压交流电，再经过变压器转换成并网需要的高压交流电；在风电应用中，风机发出的变化的交流电先经过整流器转换成直流电，经过直流升压电路，并被逆变器转换成并网需要的高压交流电。光伏和风电的逆变器由于需求的功率和电压等级较高，通常以IGBT和SiC器件为主。（报告来源：未来智库）
光伏逆变器可进一步分为组串式逆变器和集中式逆变器，年国内新增光伏装机中80%左右采用组串式逆变器。组串式逆变器安装在汇流箱之前，因此除了DCAC模块以外，还安装有汇流模块，组串式逆变器的额定功率通常在kW以下，而集中式逆变器的额定功率通常在kW-kW不等。据北极星太阳能光伏网统计，年截至11月国内累计招标近30GW的光伏逆变器项目中，组串式逆变器的招标规模约为23GW，约占81%，而集中式逆变器招标规模约为5GW，占比约18.5%，国内光伏逆变器仍以组串式为主，且份额有上升趋势。从均价来看，组串式逆变器由于需求的数量较多，含汇流模块等原因，相较于集中式逆变器的价格更高。据英飞凌数据，集中式逆变器中IGBT成本约为欧元/MW（-欧元/MW），组串式逆变器中IGBT成本约欧元/MW（-欧元/MW）。
光伏用功率器件在制造难度、成本要求等方面相对较高，国产替代节奏总体较为缓慢。相较于工控、汽车等应用领域，光伏逆变器中的IGBT模块要求更高的频率，更高的能量转化效率，对极端环境更高的可靠性要求以及更复杂的定制化要求，因此当前光伏逆变器的国产化节奏较缓慢。但我们认为，当前国内新能源快速推进，下游需求空间广阔，且客户降成本诉求较高，国产厂商高性能产品快速突破，且相较国外厂商具有价格优势，未来国产替代潜力较大。
2.3.2风、光、储能用IGBT需求有望在年达到亿元
核心假设：1）中国产逆变器年全球市场份额为60%且逐步提升；2）光伏、风电、储能逆变器中IGBT的价值量分别为0.3亿元/GW、0.5亿元/GW、0.4亿元/GW。测算结果：年中国光伏、风电和储能逆变器中IGBT合计需求量达到68亿元，预计到年有望达到亿元，5年CAGR增速达到23.76%。
2.3.3国内厂商布局光伏、风电IGBT情况
目前国内光伏、风电和储能领域主要供应商仍为海外功率器件龙头厂商，如英飞凌、安森美、三菱等。国内厂商中，时代电气较为领先，目前在光伏、储能和风电IGBT模块均有供货；斯达半导、士兰微和宏微科技已实现微型逆变器和组串式光伏逆变器中IGBT单管的销售，模块产品正在认证过程中；新洁能目前具备微型逆变器IGBT单管的供货能力。
2.4工控和家电是IGBT需求的稳定来源
2.4.1功率器件广泛应用于工控和家电领域
工控领域的功率器件应用较为分散，主要的应用场景包括伺服系统、变频器、逆变电焊机、UPS电源等。1）伺服驱动单元：伺服驱动单元中的功率模块将直流电转变为电机需要的三相交流电，若输入为交流电，则还需要进行整流；2）变频器：变频器的主要功率器件主要包含整流部分和逆变部分，其中整流部分常用二极管，逆变部分根据需求不同，可用MOSFET或IGBT等；3）逆变焊机：焊机进行逆变主要是为了降低有功功率，因而先将三相或单相50Hz频率的电流整流，再逆变成15-kHZ的交流电，再次整流获得输出焊接电流；4）UPS电源：内部的功率模块主要包括整流器和逆变器，当市电正常时，UPS电源一方面给负载稳压，另一方面通过整流向电池充电；当市电中断时，UPS电源通过蓄电池和逆变器输出负载需要的V电压。
当前全球工控市场仍维持稳步增长，而国内在一些高精尖产品的国产化率仍较低。以伺服电机为例，据MIR统计，全球私服电机需求量在年达到万台，同比增杂行3.20%，而当前国内伺服电机市场仍被日本和欧美品牌占据大半，国产品牌的市占率仅为20%左右，且主要以低端伺服电机为主。我们认为，全球工控领域功率器件的需求稳步提升，及部分高端产品国产替代的加速，能够有效促进国内工控用功率器件需求的提升。
在家电领域，近年来变频家电渗透率的快速提升有效驱动了功率半导体的需求。通过功率半导体的变频功能，家电能耗将有效下降，以空调为例，变频空调的平均耗电量将比传统空调下降30%以上。近年来国内变频家电渗透率快速提升，据产业在线统计，年10月，国内空调、冰箱和洗衣机的变频产品渗透率分别达到71.59%、36.13%和50.32%，相较年初分别提升42.39pct、29.25pct和32.36pct。变频家电的变频器件主电路包含整流部分和逆变部分。其中空调通常使用3个IPM模块（一个压缩机，一个内机和一个外机风扇），冰箱常用IGBT单管。从价值量来看，空调、冰箱、洗衣机的功率器件价值量在10-50元之间。（报告来源：未来智库）
2.4.2工控和家电用IGBT需求有望在年均达到66亿元以上
核心假设：1）工业变频器单机售价10%左右为IGBT；2）以汇川的产品为例，小型伺服系统单价1-元，单机IGBT价值量为30-40元，占比3%左右；中型伺服系统单价0-1元，单机IGBT价值量-元，占比10%左右；大型伺服系统单价-2元，单机IGBT价值量-元，占比8%左右；3）伺服系统中，大型、中型和小型伺服系统的占比分别为45%、37%和18%。测算结果：年中国工控用功率半导体中IGBT合计需求量达到49.47亿元，预计到年有望达到66.02亿元，5年CAGR增速达到5.94%。
核心假设：1）冰箱、空调和洗衣机中IGBT价值量分别为10元、40元和15元；2）国内变频家电的渗透率持续提升。测算结果：年中国家电用功率半导体中IGBT合计需求量达到46.30亿元，预计到年有望达到66.12亿元，5年CAGR增速达到7.39%。
2.4.3工控领域IGBT国内厂商布局情况
工控领域的IGBT模块相对光伏和新能源车而言壁垒较低，目前国内厂商已在中低端应用领域起量，并逐步向高端产品发起冲击。当前斯达半导、宏微科技、士兰微、比亚迪半导体在工控领域IGBT低端应用均有布局，斯达半导等厂商已开始冲击高端应用场景，传统海外龙头公司富士电机、三菱等厂商份额出现下滑。
家电领域，国内IPM模块龙头供应商为士兰微，据公司数据，年国内主流白电整机厂共使用超过3万颗士兰微IPM模块，同时士兰微正在持续推出家电用IPM新品模块，产品品质不断提升。除士兰微外，斯达、宏微、华润微等厂商在家电用IGBT领域亦布局多年，其他厂商如扬杰科技仍同样在快速切入过程中。
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