（报告出品方/作者：国海证券，吴吉森）
1、功率半导体是电子装置核心器件，应用广泛且分散
1.1、功率半导体是电能转换与电路控制的核心
功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，本质上，是通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。无论是水电、核电、火电还是风电，甚至各种电池提供的化学电能，大部分均无法直接使用，75%以上的电能应用需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。
模拟IC中的电源管理IC与分立器件中的功率器件功能相似，二者经常集成在一颗芯片中，因此功率半导体包括功率IC和功率器件。功率半导体的具体用途是变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等，相关产品具有节能的作用，被广泛应用于汽车、通信、消费电子和工业领域。在汽车中，汽车蓄电池的输入电压在12V-36V，而民用电电压为V，将民用电电压转换至输入电压的过程叫做变压。蓄电池的输入电流一般是直流电，将交流电转换为直流电的过程叫做整流。汽车运行时，蓄电池持续输出直流电，而汽车的各个模块需要使用交流电，交流电转换为直流电的过程叫做逆变。汽车蓄电池输出的电压很低，无法满足各个模块的需求，将低电压转换成高电压的过程叫做增幅。电动汽车的马达使用的电流是三相电。首先，蓄电池输出的直流电经过逆变后成为单向交流电，将单向交流电变为三相电的过程叫做变相。
1.2、功率半导体分类
功率半导体主要分为功率器件、功率IC。其中功率器件经历了近70年的发展历程：20世纪40年代，功率器件以二极管为主，主要产品是肖特基二极管、快恢复二极管等；晶闸管出现于年，兴盛于六七十年代；近20年来各个领域对功率器件的电压和频率要求越来越严格，MOSFET和IGBT逐渐成为主流，多个IGBT可以集成为IPM模块，用于大电流和大电压的环境。功率IC是由功率半导体与驱动电路、电源管理芯片等集成而来的模块，主要应用在小电流和低电压的环境。
根据可控性分类
根据功率半导体的可控性可以将功率半导体分为三类，第一类是不可控型功率器件，主要是功率二极管。功率二极管一般为两端器件，其中一端为阴极，另一端为阳极，二极管的开关操作完全取决于施加在阴极和阳极的电压，正向导通，反向阻断，电流的方向也是单向的，只能正向通过。二极管的开通和关断都不能通过器件本身进行控制，因此将这类器件称为不可控器件。
第二类是半控型功率器件，半控型器件主要是晶闸管（SCR）及其派生器件，如双向晶闸管、逆导晶闸管等。这类器件一般是三段器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制用门极。半控型器件也具有单向导电性，其开通不仅需在阳极和阴极间施加正向电压，还必须在门极和阴极间输入正向可控功率。这类器件一旦开通就无法通过门极控制关断，只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电流变为零。这类器件的开通可控而关断不可控，因此被称之为半控型器件。
第三类是是全控型器件，以IGBT和MOSFET等器件为主。这类器件也是带有控制端的三端器件，其控制端不仅可以控制开通，也能控制关断，因此称之为全控型器件。
根据驱动形式分类
根据驱动形式的不同，我们将功率半导体分为三类，第一类是电流驱动型，第二类是电压驱动型，第三类是光驱动型。
电流驱动型器件有SCR、BJT、GTO等，这类器件必须有足够的驱动电流才能使器件导通或者关断，本质上是通过极电流来控制器件。GTO和SCR一般通过脉冲电流控制，BJT则需要通过持续的电流控制。电压控制型电路主要是IGBT和MOSFET等，这类器件的导通和关断只需要特定的电压和很小的驱动电流，因此器件的驱动功率很小，驱动电路比较简单。
光控型器件一般是专门制造的功率半导体器件，如光控晶闸管。这类器件的开关行为通过光纤和专用光发射器来控制，不依赖电流或者电压驱动。
从下游应用市场结构来看，年功率半导体下游主要是功率IC，占比54.30%，其次分别是MOSFET以及功率二极管/整流桥，占比分别为16.40%和14.80%。IGBT位列第四，占比12.40%。
1.2.1、二极管：最简单的功率器件
二极管是最简单的功率器件，由P极和N极形成PN结结构，电流只能从P极流向N极。二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流单向只能通过。二极管的作用有整流电路、检波电路、稳压电路和各种调制电路。二极管承受的电压和电流较低（锗管导通电压为0.3V，硅管为0.7V），电流一般不超过几十毫安，电压和电流过高会导致二极管被击穿。常见的二极管有肖特基二极管、快恢复二极管、TVS二极管等。
二极管应用：二极管是最简单的功率器件，由于二极管具有单向导电的特性，通常用于稳压电路、整流电路、检波电路等。齐纳二极管通常用于稳压电路，在达到反向击穿电压前，齐纳二极管的电阻非常高。达到反向击穿电压时，反向电阻降低，在这个低阻区中电流增加而电压保持恒定。TVS二极管常用于电路保护，TVS管的响应速度很高，当TVS管两端经受瞬间高能量冲击时，TVS能以极高的速度将高阻抗降为低阻抗，从而吸收大电流，保护电路。
二极管市场规模：整流器由二极管与一些金属堆叠而成，二者在功能上相似，因此将二极管和整流器合并研究。根据Yole的数据，年全球二极管及整流器市场规模为39.93亿美元，占功率器件市场规模的23.99%。
1.2.2、MOSFET：高频开关，功率器件最大市场
金属-氧化物半导体场效应晶体管，可广泛运用于数字电路和模拟电路。MOSFET由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。金属栅极与N极、P极之间有一层二氧化硅绝缘层，电阻非常高。不断增加G与S间的电压至特定程度，绝缘层电阻减小，形成导电沟道，从而控制漏极电流。因此MOSFET是通过电压来控制导通，在G与S间施加特定电压即可导通，不施加电压则关断，器件通断完全可控。MOSFET的优点是开关速度很高，通常在几十纳秒至几百纳秒，开关损耗很小，通常用于开关电源，缺点是在高压环境下压降很高，随着电压上升电阻变大，传导损耗很高。MOSFET的导通与阻断都由电压控制，电流可以双向通过。
MOSFET工作原理：MOSFET本质上是一个开关，开关的导通和关断完全可控。通过脉宽调制，MOSFET可以完成变频等功能。假设一个器件前1秒输入电压为V，后1秒MOSFET关断，这2秒内相当于持续输入50V的等效电压，这就是脉宽调制的原理。通过控制MOSFET导通关断可以改变电压和频率。
MOSFET是功率器件最大市场。MOSFET在功率器件中占比最高，Yole数据显示，年全球MOSFET市场规模为68.54亿美元，占功率器件市场的41.18%。MOSFET的优点在于稳定性好，适用于AC/DC开关电源、DC/DC转换器，因此MOSFET通常用于计算机、消费电子、汽车和工业等领域。MEMS预测到年MOSFET下游应用中，汽车占比为22%，计算机及存储占比为19%，工业占比为14%。
1.2.3、IGBT：电力电子行业“CPU”
绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合式半导体。IGBT兼具MOS和BJT的优点，导通原理与MOSFET类似，都是通过电压驱动进行导通。IGBT在克服了MOSFET缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点，在高压环境下传导损耗较小。IGBT是电机驱动的核心，广泛应用与逆变器、变频器等，在UPS、开关电源、电车、交流电机等领域，逐步替代GTO、GTR等产品。IGBT的应用范围一般都在耐压V以上，电流10A以上，频率1KHz以上的区域。IGBT固有结构导致其作为高频开关时损耗较大，IGBT工作频率通常为40-50KHz。IGBT的导通与阻断都受电压控制，可以双向导通。
IGBT应用：IGBT的应用领域非常广泛，小到家电、数码产品，大到航空航天、高铁等领域，新能源汽车、智能电网等新兴应用也会大量使用IGBT。按电压需求分类，消费类电子应用的IGBT电压通常在V以下，太阳能逆变器需要V的低损耗IGBT，动车使用的IGBT电压在V至V之间，智能电网应用的IGBT通常为V。
IGBT分为IGBT芯片和IGBT模块，其中IGBT模块是由IGBT芯片封装而来，具有参数优秀、最高电压高、引线电感小的特点，是IGBT最常见的应用形式，IGBT模块常用于大电流和大电压环境。根据ASMC数据，年全球IGBT市场规模52.54亿美元，占功率器件市场规模的30.10%。其中IGBT芯片市场规模为12.31亿美元，占比23.43%，IGBT模块市场规模为40.23亿美元，占比76.57%。
1.3、功率IC：功率器件与其他元器件集成，用于小电流环境功率IC通常由功率器件、电源管理芯片和驱动电路集成而来，能承受的电流比较小，能承受大电流的模块一般是IGBT集成形成的IPM模块。功率IC可以分为以下五大类：线性稳压器、开关稳压器、电压基准、开关IC和其他功率IC。
线性稳压器：传统线性稳压器、LDO稳压器；
开关稳压器：AC-DC开关稳压器、DC-DC开关稳压器、隔离开关控制器、非隔离开关控制器；
开关IC：电压监控器、定序器、开关、热插拔控制器、以太网电源控制器；
电压基准：缓冲放大器、交流放大器；
其他功率管理IC：以太网供电控制器、功率因数校正控制器、多通道电源管理IC、多芯片功率级、单芯片功率级、热插拔控制器和其他电源管理IC。
2、新能源汽车、5G、工业和智能电网等景气需求驱动
行业发展，功率器件市场规模年或达亿美元
功率半导体的应用领域非常广泛，根据Yole数据，年全球功率半导体市场规模为亿美元，预计到年达到亿美元，复合增长率为3.79%。其中，汽车、工业和消费电子是功率半导体的前三大终端市场。根据智研咨询的数据，年汽车领域占全球功率半导体市场的35.40%，工业领域占比为26.80%，消费电子占比为13.20%。随着对节能减排的需求日益迫切，功率半导体的应用领域从传统的工业领域和4C领域逐步进入新能源、智能电网、轨道交通、变频家电等市场。
作为功率半导体的重要分支，受益于工业、电网、新能源汽车和消费电子领域新兴应用不断出现，功率器件市场规模不断增长。根据Yole数据，年全球功率器件市场规模为亿美元，预计到年全球功率器件市场或达亿美元，-年CAGR为4.28%。
2.1、新能源汽车功率半导体成本占比过半，前景广阔
汽车中使用最多的半导体分别是传感器、MCU和功率半导体。其中MCU占比最高，其次是功率半导体，功率半导体主要运用在动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全系统中。传统汽车中，功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域，新能源汽车普遍采用高压电路，当电池输出高压时，需要频繁进行电压变化，对电压转换电路需求提升，此外还需要大量的DC-AC逆变器、变压器、换流器等，这些对IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量很大。汽车电机控制系统中需要使用数十个IGBT，以特斯拉ModelX为例，特斯拉后三相交流异步电机每相要用到28个IGBT，总共使用84个IGBT，加上电机其他部位的IGBT，ModelX后电机共使用96个IGBT，前电机使用36个IGBT，ModelX共使用个IGBT。按照每个IGBT4-5美元的价格计算，双电机IGBT价格约美元，如果使用IGBT模块则约为美元。
单辆汽车的功率转换系统主要有：（1）车载充电机；（2）DC/AC系统，给汽车空调系统、车灯系统供电；（3）DC/DC转换器（v到14v的转换），给车载小功率电子设备供电；（4）DC/DCconverter（v转换为v）；（5）DC/AC逆变器，给汽车马达电机供电；（6）汽车发电机。
功率半导体为电动汽车成本最主要组成部分，成本占比过半。电动汽车将新增大量与电池能源转换相关的功率半导体器件，功率半导体应用大幅上升。根据麦肯锡统计数据，纯电动汽车的半导体成本为美元，比传统汽车美元高出近1倍，其中功率半导体的成本为美元，占总成本的55%。
新能源汽车出货量快速增长，国内年或达万辆。全球来看，新能源汽车出货量从年的54.66万辆增至年的.17万辆，CAGR超40%，国内来看，新能源汽车出货量从年的33.10万辆增至年的.60万辆，CAGR为38.16%。受全球碳中和、特斯拉产业链带来的鲶鱼效应，叠加国内外补贴等政策催化助推新能源汽车产业链发展驱动，EVTank预测年全球新能源汽车销量或达5万辆，-年CAGR达33.42%，国内来看，IDC预测年我国新能源汽车销量或超万辆，-年CAGR为36.11%，我国为新能源汽车第一大消费国，出货量占全球比例稳定在45%以上。
全球汽车功率半导体市场规模年或达亿美元，国内或超60亿美元。中国产业信息网数据显示，全球功率半导体市场规模年为90亿美元，预计年或达亿美元，CAGR为8.61%。国内来看，以45%的全球占比计，年国内车用功率半导体市场规模或超60亿美元。
新能源汽车充电桩为功率半导体另一大增量，预计年全球市场规模或达40.49亿美元，国内18.22亿美元。新能源汽车充电桩分为直流IGBT充电桩和交流MOSFET充电桩，直流充电桩的优点在于充电速度快，缺点是价格高昂。直流充电桩的成本约美元，交流充电桩的成本约美元，其中IGBT等功率器件占总成本的20%左右。目前直流充电桩按3:1配置，交流充电桩按5:1配置，据此我们测算全球年直流充电桩需求或达万个，交流充电桩需求或达万个，年全球充电桩市场对功率半导体的需求为40.49亿美元。国内来看，年直流和交流充电桩需求分别为和万个，国内充电桩市场对功率半导体的需求为18.22亿美元。
2.2、5G时代已来，通信行业对功率半导体需求激增
5G对功率半导体需求量大幅增长。5G基站采用MassiveMIMO技术，在提高系统信道容量的同时，带来5G基站功耗的增加。未来智库数据显示，5G基站电力功耗为4G的两倍，降耗需求增加了对包括MOSFET、IGBT等在内的低损耗、高热稳定性器件的功率器件的需求。英飞凌数据显示，MassiveMIMO天线阵列所用功率器件ASP为美元，约是传统天线的4倍。频段越高，覆盖范围越小，5G基站数量较4G基站大幅增加。此外，通信基站和数据中心等设备需要维持全天供电，供电系统中的逆变器、整流器使用大量的功率半导体。
5G基站进入大规模建设期，通信领域功率半导体市场规模年或达亿美元。中国产业信息网预测，未来五年为我国5G基站建设高峰期，共计新增5G基站万站。受益于5G景气需求，通信设备市场规模不断提升，功率半导体需求不断增加，中商产业研究院预测，全球通信功率半导体市场规模将由年的57.45亿美元增长至年的65.96亿美元，CAGR为4.71%，5G基站升级是通信功率半导体市场最重要的推动力。
2.3、IGBT贡献工业和智能电网领域功率半导体主要增量，年市场规模或超亿美元
工业领域是功率半导体仅次于汽车的第二大需求市场，IGBT大显身手。数控机床、牵引机等电机对功率半导体需求很大，主要使用的功率半导体是IGBT。随着《中国制造》和“工业4.0”不断推进，工业的生产制造、仓储、物流等流程改造对电机需求不断扩大，工业功率半导体需求增加。
根据中商产业研究院的数据，年全球工业功率半导体的市场规模为90亿美元，受益于工业技术的进步，年全球工业功率半导体的市场规模将达到亿美元，CAGR为8.56%。
智能电网发电过程中使用大量的逆变器和整流器，以IGBT为核心的功率半导体应用广泛。光伏电网需要使用大量的光伏二极管，按常规配置，1MW的光伏组件约需太阳接线盒只，每只太阳接线盒平均需要5只光伏二极管，1MW的光伏组件共需要2只光伏二极管。同时，用电过程也需要使用变压器对电压进行转换，变压器的核心器件也是IGBT，智能电网对功率半导体需求非常大。配套的智能电表也需要使用功率半导体，智能电表需要使用二极管和桥式整流器来实现电路数据处理，一般情况下需要使用1-2只整流器，9-13只二极管。产业信息研究院预测，年风电和光伏对应功率半导体市场规模或达27.54亿美元，-年CAGR为18.38%。
3、功率半导体欧美日三足鼎立，国产替代正当时
3.1、欧美日厂商实力强劲，大陆厂商日渐崛起
以英飞凌、安森美等企业为代表的龙头厂商均为IDM模式，拥有完整的晶圆厂、芯片制造厂和封装厂，对成本和质量控制能力很强，以高端产品为主，实力强劲。中国大陆的厂商IDM和Fabless模式兼有，产品以晶闸管、二极管等分立器件和低压MOSFET为主，与欧美日厂商存在较大差距，以斯达半导为代表的厂商日渐崛起，逐步赶超欧美日龙头厂商；以茂达、富鼎电子等为代表的的中国台湾厂商以Fabless模式为主，主要负责芯片制造和封装。
功率半导体行业集中度较高，欧美厂商占据第一梯队，国产厂商日渐崛起。英飞凌和Omdia数据显示，年全球功率器件/MOSFET/IGBT芯片/IGBT模块CR10分别为58.30%/78.20%/84.4%/81.1%。其中英飞凌是全球最大的功率半导体厂商，功率器件市场份额为19%，MOS产品市场份额约25%，IGBT产品市场份额超30%。功率半导体厂商以欧美日为主，中国厂商起步较晚，技术积累与欧美日厂商差距较大。目前功率半导体厂商可以分为三个梯队，第一梯队是英飞凌、安森美等欧美厂商为主，第二梯队以三菱电机、富士电机等日本厂商为主，第三梯队以斯达半导、捷捷微电、新洁能、闻泰科技（安世半导体）等中国厂商为主。
3.2、供需缺口较大，国内功率器件近九成依赖进口
功率半导体呈供需严重不匹配的格局。从供给端来看，大陆厂商市场份额约10%。欧美日厂商占据全球功率半导体70%的市场份额，在IGBT和中高压MOSFET细分领域市场份额超八成。大陆以二极管、低压MOSFET、晶闸管等低端功率半导体为主，目前实力较弱，占据全球10%的市场份额。
从需求端来看，中国是全球最大的功率器件市场，占据全球39%市场份额。根据IDC数据，中国功率半导体市场空间占全球比例为39%，居第一位；其次是日本，占比18%，欧洲和美国分列三四位，占比分别为17%和8%，其他地区占比18%。
晶圆缺货涨价，国产缺口较大。功率半导体的制造目前仍主要在8寸晶圆上生产，8寸晶圆供给不足导致功率半导体供需紧张，目前Diodes、士兰微、富满电子等国内外厂商相继发布涨价通知。
从晶圆供给端来看，8寸晶圆产能不足导致此轮涨价。首先，12寸晶圆生产线挤占8寸晶圆产能。随着制程工艺不断提高，晶圆厂转向12寸晶圆生产投资，部分12寸晶圆生产线由原有的8寸晶圆生产线改造而来，挤占了8寸晶圆产能。目前全球约有70%的晶圆是12寸，8寸晶圆占比约20%，8寸晶圆供给不足；其次，新建一条晶圆生产线需要1-2年的时间，短期内难以解决晶圆短缺的问题；此外，设备厂商多研发12寸设备，停产8寸新设备，8寸二手设备短缺也使得扩产难度加大。
从下游需求端看，模拟芯片与功率半导体争夺8寸晶圆产能。8寸晶圆可用于模拟芯片与功率半导体制造，受益于新能源汽车等领域的快速增长，模拟芯片与功率半导体市场规模持续增长，8寸晶圆供不应求，模拟芯片将抢占8寸晶圆产能，功率半导体晶圆供需缺口进一步加大。富昌电子数据显示，英飞凌、意法半导体等厂商功率器件交货周期多在15-40周，货期呈上升趋势，价格亦呈稳中有升态势。
国内8寸晶圆供需缺口较大。CCID的数据，年中国功率器件市场规模约.8亿美元，其中本土供应商如扬杰科技、华润微电子、士兰微、捷捷微电等厂商的功率器件营收合计不超过20亿美元，其余近九成均依赖进口。芯谋研究测算，如果国产厂商自给率达到50%，晶圆月产能需要达到万片/月方可满足国内厂商的需求。目前可用于功率器件制造的晶圆月产能约37万片/月，扣除运营不佳或尚未投入运营的产线，产能约30万片/月，缺口约70万片/月。预计到年国内功率器件市场规模将超过亿美元，晶圆月产能需要达到万片/月，届时国内的月产能仅52万片/月，缺口为87万片/月。
3.3、二极管：市场集中度低，有望率先实现国产替代
二极管市场集中度低。二极管是最早出现的功率半导体，第一代二极管距今已经有多年的历史。与其他功率半导体相比，二极管的技术壁垒较低，市场上二极管厂商数量众多。前5大厂商中，Vishay市场占比约11%，其他厂商市场占比在5%-8%之间，二极管市场相对分散，市场集中度较低。二极管制造已经非常成熟，技术门槛比较低，注重生产成本和质量的控制。
我国二极管生产企业大多是IDM模式，对质量控制比较严格，加上劳动力成本较低，二极管厂商具有较强的竞争力。国外厂商产能下降，国内厂商有望进一步扩大市场份额，进口替代空间广阔。自年起，我国二极管的出口数量已经超过进口数量，有望率先实现国产替代。
3.4、MOSFET：中低压市场国产替代正当时，高压市场取得突破
大陆厂商MOSFET市占率较低，国产替代空间广阔。中国产业信息网数据显示，我国MOSFET市场规模年为.70亿元，欧美厂商占据绝大多数市场份额，市场集中度较高：英飞凌在国内市场份额为28.50%，排名第一，安森美以17.10%市场份额位列第二，排名前五的均为老牌欧美日大厂，CR5为65%。安世半导体国内市场份额为3.90%，位列第八，士兰微以1.90%市场份额位列第十，安世半导体与士兰微市场份额合计为5.80%，国产替代空间广阔。
中低压市场国产替代正当时，高压市场取得突破。瑞萨电子曾是全球中低压MOSFET龙头厂商，年瑞萨率先退出中低压MOSFET领域，其他厂商也纷纷开始向毛利率较高的高压MOSFET领域转型。中国是全球最大的消费电子生产国，对中低压MOSFET需求较大，目前以捷捷微电、新洁能等为代表的国产厂商日益崛起，有望承接中低压MOSFET领域的市场份额，实现国产替代；高压领域，华润微、新洁能等国产企业取得突破，高压MOSFET产品相继量产并贡献利润，未来发展可期。
3.5、IGBT：欧美日大厂占据主要份额，国内供需失衡国产替代空间广阔
IGBT功率器件主要玩家为英飞凌、富士电机、安森美等欧美日大厂，集中度较高。英飞凌是全球最大的IGBT器件厂商，年英飞凌市占率为32.50%，CR5为63.90%，市场集中度很高。从产品来看，英飞凌、安森美等厂商在V以下的中低电压IGBT领域处于领导地位，三菱则主宰了V以上的高电压IGBT领域。
英飞凌：功率半导体龙头，营收主要来自中国。英飞凌是功率半导体全球龙头企业，产品主要用于汽车和工业领域，年汽车产品占公司总营收的44%，电源管理占公司总营收的30%，电源和控制产品占公司总营收的18%。公司业绩稳步增长，营收从年的57.95亿欧元增至年的80.29亿欧元，-年CAGR为8.49%，净利润从6.32亿欧元增至8.7亿欧元，CAGR为8.32%。英飞凌的营收主要来自中国，中国市场营收占比34%，是排名第二的EMEA（不含德国）两倍以上。
布局12英寸产线，有望继续保持竞争优势。受8寸晶圆产能吃紧的影响，英飞凌积极拓展12英寸功率半导体生产线。与8英寸晶圆生产线相比，12英寸生产线的技术难度更大，对品质把控要求更加严格。另一方面，单个12英寸晶圆切割产生的功率半导体数量比8寸晶圆切割产生的数量多，能够有效提高产能，解决8英寸晶圆供给不足的问题。年2月，英飞凌的财报表示公司将新建12英寸功率半导体厂，凭借优秀的成本和质量管控能力，未来英飞凌有望降低功率半导体生产成本。同时，公司将部分产能委托给一些劳动力成本较低的国家代工，降低生产成本。随着12英寸产线的建成和委托代工比例不断增大，公司有望巩固功率半导体龙头地位。
中国坐拥全球最大IGBT市场，自给率逐年提升仍存在较大提升空间。斯达半导为国内IGBT龙头，IHS的数据显示，年斯达半导在IGBT市场占比为2.00%。中国中车生产的全系列高可靠性IGBT产品打破了轨道交通核心器件和特高压输电工程关键器件由国外企业垄断的局面。根据高工锂电的数据，年我国IGBT市场规模为亿元，按当年美元汇率折算，市场规模为22.20亿美元，占全球IGBT市场的40.96%。我国是全球最大的IGBT消费国，年国内IGBT行业产量为万只，市场需求为万只，自给率13.96%，整体来看，国内IGBT自给率从年的8.44%提升至年的13.96%，增速明显，但总体而言自给率仍较低，存在较大提升空间。
部分厂商有望在各自领域实现国产替代。中国IGBT厂商大多专注于某一领域的产品，斯达半导为国内IGBT龙头，产品主要用于电力和电机牵引，公司产品性能优异，专注于第六代IGBT研发与生产，有望在电力和电机牵引领域实现国产替代。中车时代专注于V以上IGBT研发生产，产品用于轨道交通领域。目前中车时代在V以上的IGBT领域市场规模排名第五，我国新出厂的高铁将全部使用国产IGBT，中车时代的IGBT已经出口到印度，我国高铁IGBT基本实现国产替代，中车时代已递交招股说明书，A股上市在即。比亚迪半导体专注于汽车IGBT领域，拥有IGBT全产业链。年公司推出IGBT4.0，产品部分性能已经达到国际领先水平，在新能源汽车IGBT领域有望打破国外厂商的垄断。
4、第三代半导体前景广阔，国内企业加码布局
4.1、第三代半导体器件国内年市场规模或超亿元，各大企业加码布局
化合物半导体材料不断发展，应用广泛。化合物半导体材料是由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质，其发展历程共经历了三代，第一代材料是硅和锗，第二代材料是砷化镓和磷化铟，第三代半导体材料是碳化硅和氮化镓。凭借制程成熟及成本较低的优势，以第一代硅质半导体材料制作的元器件已成为了电子电力设备中不可或缺的组成部分。但硅质半导体材料受自身性能限制，无法在高温、高频、高压等环境中使用，化合物半导体遂崭露头角。化合物半导体拥有高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，符合新世代半导体发展所需，化合物半导体时代遂逐渐来临。第一代半导体材料是锗和硅，20世纪50年代半导体材料以锗为主，基尔比开发出了基于锗的集成电路。锗可用于低压、低频、中功率晶体管及光探测电路中，缺点是耐辐射和耐高温性能很差。20世纪60年代，硅取代锗成为新的半导体材料，硅绝缘性好，提纯简单，至今仍然是应用最多的半导体材料，主要用于分立器件和芯片制造，在信息技术、航空航天、国防军工、硅光伏等领域应用极其广泛。第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表。人类对数据的传输速度要求越来越高，硅的传输速度慢，化合物半导体应运而生。化合物半导体砷化镓和磷化铟主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料，广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光器和卫星导航等领域。半导体性能要求不断提高，在高温、强辐射、大功率环境下，第一、二代半导体材料效果不佳，第三代半导体材料开始崭露头角。第三代半导体材料又被称为宽禁带半导体材料，主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等，其中碳化硅和氮化镓比较成熟。与第二代半导体材料相比，第三代半导体材料的优点是禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高，广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。
第三代半导体器件快速发展，国内年市场规模或超亿元。现阶段，全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产的。随着5G、新能源汽车等新兴应用不断涌现，以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料快速崛起。据半导体行业观察的数据，年氮化镓与碳化硅的产业销售额分别为亿元和64亿元。赛迪顾问数据显示，年我国第三代半导体器件市场规模为86.29亿元，年市场规模或达.21亿元，CAGR为91.73%。
第三代半导体投资额不断增长，国内企业不断加码布局。国内第三代半导体投资额不断增长，-年SiC和GaN投资额共计.8亿元，其中SiC领域投资额-年分别是65亿元/60亿元/.8亿元，三年累计投资.8亿元，GaN领域投资额-年分别是19亿元/亿元/45亿元，三年累计投资亿元在新基建的引领下，第三代半导体产业将成为未来半导体产业发展的重要引擎。
4.2、碳化硅功率器件：国内产业链已初具雏形，年SiC功率器件市场规模或达30亿美元
4.2.1可部分取代二极管和IGBT，碳化硅材料大有所为
碳化硅功率器件材料主要指4H型SiC（4H-SiC），4H-SiC具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能较好、商品化程度较高、技术较为成熟的第三代半导体材料。
4H-SiC性能优异，功耗大幅降低。4H-SiC应用在高铁领域节能可达20%以上，并减小电力系统体积；应用在新能源汽车领域可降低能耗20%；应用在家电领域可节能50%；应用在风力发电领域可提高效率20%；应用在太阳能领域可降低光电转换损失25%以上；应用在工业电机领域可节能30%-50%；应用在超高压直流输送电和智能电网领域，可降低电力损失60%，供电效率提升40%以上；应用在航天领域，可使设备损耗减小30%-50%，工作频率提高3倍，电容电感体积缩小3倍，散热器重量大幅降低。
SiC二极管适用于高电压领域，部分取代快恢复二极管。碳化硅二极管通常是SiC肖特基二极管，主要用于在V以上领域替代传统的快恢复二极管。碳化硅肖特基二极管的正向导通电压比硅PIN功率二极管低，但导通电阻高，导通损耗取决于正向电流的大小，因此碳化硅肖特基二极管损耗较小。碳化硅肖特基二极管的正向导通电压是正温度系数，流过各自二极管的电流能够连续自主平衡分配，电流流向温度低的二极管，最终达到均流。而硅PIN功率二极管的导通电压是负温度系数，温度升高，电流流向温度高的二极管，最终电流分配失衡，因此碳化硅二极管适用于高温领域。碳化硅肖特基二极管的反向漏电流和反向恢复时间远远小于硅功率二极管，可大幅降低开关损耗，开关频率很高，适用于高电压领域。
SiCMOSFET可部分取代硅基IGBT。MOSFET和IGBT都用作开关，不同点在于硅基MOSFET不耐高压，只能用在低压领域，开关频率高，损耗低。IGBT结合了BJT和MOS的优点，耐高压性能较强，开关频率低于MOSFET，损耗较高。SiCMOSFET具有较高的击穿电场强度，比传统SiMOSFET更耐高压，同时拥有更高的开关频率和下降的通态电阻，开关速度比SiIGBT快，损耗比SiIGBT小，在高频、高电压领域将取代SiIGBT和SiMOSFET。
SiC成本较高，成本劣势制约其发展。相比传统的硅基材料，SiC材料成本较高，世强元件报价显示，硅基IGBT最低报价为约5元人民币，而SiCMOSFET最低报价超30元，SiC约为硅基器件的6倍，出于成本考虑，目前厂商仍采用硅基IGBT。
4.2.2新能源汽车等下游景气需求驱动行业发展，年市场规模或达30亿美元
碳化硅器件下游应用广泛，电动汽车为其主要应用领域。爱集微数据显示，碳化硅功率器件市场规模从年的16.1亿元增至年的26.4亿元，CAGR为17.92%。从下游应用来看，智研咨询数据显示，电动汽车、电源和光伏为碳化硅功率器件的前三大终端市场，三者合计占比约67%。具体来看，电动汽车领域占碳化硅功率器件市场的30%，电源占比为22%，光伏领域占比为15%。
新能源汽车领域是SiC功率器件应用的主要驱动力。电动汽车未来有三大趋势：行驶里程延长、充电时间缩短，电池容量更大。随着电动汽车以及其他系统的增长，碳化硅功率半导体市场需求激增，大量运用在车载充电器、DC-DC转换器和牵引逆变器等方面。据Yole数据显示，年，新能源汽车细分领域中SiC市场规模约为1.13亿美元，年市场规模达到9.46亿美元，年均复合增长率达到29%。年，全球新能源汽车SiC二极管和晶体管市场规模2万美元，年市场规模达到万美元。DIGITIMESResearch预计到年，电动汽车用碳化硅功率半导体将占SiC功率半导体总市场的37%以上，高于年的25%。
目前，全球已有超20余家汽车厂商开始采用碳化硅器件。电动汽车的车载充电机市场已逐步采用碳化硅SDB，产品集中在V/10A、20A，每台车载充电机需要4-8颗碳化硅SBD。罗姆赞助的Venturi车队在年Formula-E第三赛季使用了IGBT＋SiCSBD，与传统逆变器相比，重量降低2kg，尺寸减小19%，年的第四赛季采用SiMOS＋SiCSBD，其重量降低6kg，尺寸减小43%。目前，特斯拉的Model3采用了意法半导体和英飞凌的SiC逆变器，成为第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企，丰田也将于近年正式推出搭载碳化硅器件的电动汽车。
碳化硅材料在轨道交通和光伏逆变器将逐步取代硅基材料，前景广阔。碳化硅材料可以在轨道交通、风电光伏等领域用来替代硅基IGBT，目前SiCMOSFET最大的应用领域为能量传输，主要是因为其导通压降很低，传输时损耗和以及SiCMOSFET自身体积都比硅基IGBT小。中商产业研究院预测，在轨道交通领域，硅基IGBT将被SiC器件逐步取代，硅基IGBT占比将从年占比98%降至年占比70%，年占比将进一步降至10%；光伏逆变器领域，SiC功率器件占比预计年将达10%，年或达50%，年或超八成。
受益于新能源汽车、轨道交通、光伏逆变器等下游景气应用驱动，全球碳化硅功率器件市场规模不断扩大，年或达30亿美元。IHSMarkit数据显示，年碳化硅功率器件市场规模约6.1亿美元，受新能源汽车产业链、光伏等景气需求驱动，年碳化硅功率器件的市场规模将达到30亿美元，-年CAGR为30.4%。
4.2.3竞争格局：欧美日企业处于领先地位，国内碳化硅产业链初具雏形欧美日企业处于领先地位。欧美日等老牌功率强国在碳化硅功率器件上起步较早，在碳化硅功率器件市场上处于领先地位。碳化硅功率半导体市场集中度很高，科锐旗下Wolfspeed、英飞凌、罗姆、意法半导体、三菱电机等大厂占据超九成市场份额。从产业链来看，美欧拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，日本在设备和模块开发方面处于领先地位。
国内企业加紧赶超，SiC产业链初具雏形。单晶衬底方面，目前国内可实现4英寸衬底的商业化生产，山东天岳和天科合达、同光晶体均已完成6英寸衬底的研发，中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底；外延片方面，国内瀚天天成和天域半导体均可供应4-6英寸外延片，中电科13所、55所亦均有内部供应的外延片生产部门；器件方面，国内-VSiCSBD已开始批量应用，泰科天润已建成国内第一条碳化硅器件生产线，SBD产品覆盖V-V的电压范围，中车时代电气的6英寸碳化硅生产线也已试片成功。模块方面，国内已开发出V/50-A全SiC功率模块、-V/-A混合SiC功率模块，目前厦门芯光润泽国内首条碳化硅IPM产线正式投产。
4.3、氮化镓（GaN）：适用于高频高压领域，年GaN功率器件市场规模或达13亿美元
与碳化硅相比，氮化镓适用于超高频功率器件领域，GaN器件最高频率超过Hz，功率在0W左右，开关速度是SiCMOSFET的四倍。SiC的最高频率在Hz左右，功率约是GaN器件的0倍。GaN定位在高功率、高电压领域，集中在V-V，中低压集中在V-V，主要应用于雷达、笔记本电源适配器等。
GaN器件产业链各环节依次为：衬底、材料外延、器件设计与制造及下游应用。目前产业以IDM企业为主，但是设计与制造环节已经开始出现分工。在上游衬底方面，氮化镓衬底大部分由日本企业生产，包括住友电气、三菱化学等。其中，住友电工的市场份额已经超过90%。GaN外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。GaN器件设计厂商方面，美国的EPC、MACOM、Transphom，德国的Dialog等为主要参与者。IDM企业中日本的住友电工与美国的Cree为行业龙头，市场占有率均超过30%。
受制于衬底成本，GaN发展较慢：GaN的功率密度、带宽、可靠性和耐高温方面远胜其他材料，缺点在于产品成本很高，不利于大批量生产。GaN的衬底材料是硅、碳化硅和蓝宝石，碳化硅衬底GaN器件性能非常好，但是成本高昂。与硅衬底相比，氮化硅衬底的GaN器件成本高倍，衬底处理时间相差-倍。另一方面，硅晶圆不断向大尺寸扩展，预计硅基GaN器件成本将降低30%-50%。
亚太地区占据了全球氮化镓市场的主要份额，市场集中度较低。年亚太地区占全球氮化镓市场的36.34%。由于氮化镓终端应用日益普及，TransparencyMarketResearch预计，至年亚太地区将继续占据主导地位。除亚太地区外，北美与欧洲地区也成为GaN重要市场，年分别占有28.18%、23.94%的市场份额，氮化镓在汽车行业中应用为两个地区的GaN市场提供了广阔的机遇。从竞争格局看，恩智浦为行业龙头，占据19%市场份额，其次为EPC，市场份额为14%，德州仪器以12%市场份额位列第三，CR3为45%，市场集中度总体较低。
国内外各大厂商加码布局氮化镓市场。英飞凌在全球GaN市场上处于领先地位，公司的GaN产品已实现量产；美国EPC公司是首个推出增强型氮化镓FET的公司，可实现对传统MOSFET的有效替代。年5月，公司推出VGaN晶体管EPC，体积是对应硅MOSFET尺寸的1/20，应用领域包括太阳能逆变器、电动车充电器、电机驱动等；意法半导体在年与CEA-Leti展开功率GaN合作，主要涉及常关型氮化镓HEMT和氮化镓二极管设计及研发，并于年3月收购法国氮化镓创新企业Exagan公司的多数股权；年，Cree收购了英飞凌的RF部门成为了全球最大的GaN射频器件供应商。国内厂商方面，闻泰科技于年成功控股IDM功率器件领先厂商安世半导体，年11月安世发布首款GaNFET产品，正式进军GaN领域，年6月，安世推出新一代VGaN产品，新产品芯片尺寸可缩小约24%，具有高的栅级阀值电压和低反向导通电压，满足车规级要求；三安光电6寸氮化镓外延片产线已经建成，填补了国内的空白。
5G、新能源汽车、快充等驱动GaN市场发展，年市场规模或达13亿美元。据YoleDevelopment数据，年全球氮化镓功率器件市场规模为3.8亿美元，新能源汽车快速增长，电网对输电性能要求提高将推动氮化镓功率器件市场快速发展，5G基站建设将大幅度带动氮化镓功率器件市场，预计年市场规模将达到13亿美元，CAGR为22.9%。
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