1、2022年功率器件行業發展現狀分析公司功率器件業務為 IDM 模式，產品布局完善。功率器件又稱為電子電力器件，是現代 電力系統的核心部件之一，主要運用于電能變換和電力控制系統。功率器件大體上可分 為三類：二極管、晶體管和晶閘管。時代電氣功率器件業務涵蓋各型二極管、晶閘管及 晶體管等，具備完整的設計、生產及加工工藝，是典型的 IDM 模式（垂直整合模式）企 業。新能源車、風電、光伏及配套輸電設施的發展將顯著提升功率器件市場規模。新能源車驅動方式的改變是功率器件用量增加的主要來源。與傳統燃油車不同，新 能源車驅動多采用電能作為主要的能量來源。電網提供及驅動新能源車電驅的電 能為交流電，而新能源車的

2、電池儲備電能只能以直流電輸出，此外部分車載用電器 標準輸入電壓也不盡相同；因此，電網、電池及電驅之間需采用功率器件實現電流 的變換。據英飛凌統計，2021 年 PHEV 及 BEV 中功率器件單車平均用量可達 950 美元，未來隨著新能源車不斷放量，車載功率器件成長空間廣闊。光伏及其配套儲能設施輸出形式為直流電，而居民用電為交流電，因此需要使用逆 變器進行電能轉換；風電波動性較大，需要整流器、逆變器進行“交-直-交”變換。 根據英飛凌統計，2021 年平均每建設 1 兆瓦光伏發電設施需采用 2,000-5,000 歐 元功率器件；風電為 2,000-3,500 歐元；儲能設施為 2,500-3

3、,500 歐元。在輸配電領域，功率器件也扮演十分重要的角色，包括 IGBT、IGCT 及晶閘管在 內的多種基礎器件構成了逆變器、整流器、高壓直流換流變壓器、罐式斷路器以及 高壓直流開關在內的關鍵產品，應用于特高壓輸電等關鍵工程，用量可達數億元。 我國清潔能源與用電側分布在地域上有差異，特高壓直流輸電可大幅降低線損，因 此，伴隨光伏、風電的建設，特高壓直流輸電工程也有望按下加速鍵。我們認為，新能源車、光伏、風電及特高壓輸電等方面的需求將成為功率器件未來主要 的增長點；同時，國內工控、家電等領域仍存在較大國產替代空間。1.IGBT：技術、產能領先，乘新能源東風業績將爆發絕緣柵雙極晶體管，即 IGB

4、T，是由 BJT 和 MOS 組成的復合全控型電壓驅動式功率半 導體器件，兼有高輸入阻抗和低導通壓降兩方面優點。1700V 以上的高壓 IGBT 主要應 用于軌交、輸電、風電及大功率工業領域；1200V 及以下的低壓 IGBT 則用于光伏、新 能源車及家電等領域。IGBT 按照封裝模式分為三種，即 IGBT 單管/裸片、IGBT 模組以及集成了邏輯、控制、 檢測和保護電路的智能功率模塊 IPM，也是最主要的三種銷售模式。從全球市場規模來 看，國內部分企業占有一定的市場份額，但總體上仍被海外企業壟斷。我國上榜企業中， 斯達半導是 Fabless 模式，具備芯片設計和模組封裝能力；士蘭微是 IDM

5、 模式，集設 計、制造、封裝于一體，與時代電氣相同。據英飛凌統計 2020 年全球 IGBT 市場規模已增長至 66.5 億美元，2016 年以來 CAGR 為 10.93%。2016 年以前市場規模的萎縮主要系傳統應用領域已被充分開發，行業進入 玩家出清前的“內卷”階段所致。新能源需求的爆發，將改變過去以家電、工業變流等 需求主導的局面，同時將顯著提升市場規模，改變傳統競爭格局。乘新能源東風，IGBT 市場需求爆發。 IGBT 在硅片上加工制成，基本單元為元胞，元胞數量越多其承載工作電流越大；元胞 體積相對固定，因此功率需求越高，芯片面積需求越大。以晶圓需求量為基準，我們將 從新能源車、光伏

6、、風電等三個領域梳理行業需求情況，刨析未來行業供需格局變化。測算 2025 年新能源車 IGBT 晶圓產能需求約為 94.82 萬片/月。新能源車電驅動系統是 IGBT 主要的應用領域，單電驅使用一般 6 個車載 IGBT 模組構 成三相半橋電路，每個模組中共封裝 6 顆 IGBT 芯片及 3 顆或 6 顆 FWD 芯片，每輛新 能源車共使用 36 顆 IGBT 芯片和 18/36 顆 FWD 芯片。低端車型中一般使用 1 支電驅， 而中高端車型則配備 2-3 支。此外，其他車載系統，如 OBC、車窗、充電樁等系統中同 樣含有數顆 IGBT 芯片。圖：智新半導體車載 IGBT 模組內部構成以上

7、述數據為基準，我們假設 2025 年全球新能源車銷量將增長至 2318 萬輛，測算出 到 2025 年，8 英寸 IGBT 晶圓產能需求將達到 94.82 萬片/月，相比 2021 年增長超過 77.69 萬片/月。測算 2025 年光伏、風電相關 IGBT 晶圓需求量為 26.64 萬片/月。在光伏系統中，IGBT 主要用于光伏逆變器，將直流電轉化為交流電并接入電網，具體 用在 MPPT 模塊和逆變模塊：MPPT 模塊（全稱 Maximum Power Point Tracking）即最大功率點跟蹤模塊，它 的作用是調整逆變模塊的輸入電壓，使得輸出功率最大化。因此，MPPT 通常與一 個包含

8、 IGBT 模塊的 DC/DC 轉換器相連，將可變直流電壓轉換為固定直流電壓。逆變模塊是光伏逆變器的核心模塊，DC / AC 變換單元利用 IGBT 將直流電轉換成 與電網兼容的交流電。兩電平拓撲或三電平拓撲都可用于該單元實現功率轉換。在采用全功率轉換器的風力發電機中，發電機通過轉換器與電網完全解耦，整個風力發 電機的能量從轉換器中經過。常見的風力發電系統中通常含有 AC-DC 和 DC-AC 兩個 模塊，實現“交-直-交”的變換，而這兩個模塊均需利用 IGBT 實現。假設每兆瓦光伏、風電及儲能設施中的 IGBT 晶圓用量為 4.4 千片，同時考慮光伏逆變 器裝機容配比概念，我們測算為滿足 2

9、025 年光伏、風電及儲能對 IGBT 晶圓產能需求 約 26.64 萬片/月，相對 2021 年增長約 17.79 萬片/月。IGBT 長期供不應求的局面已然確立，時代電氣有望深度受益。在不考慮 SiC 及 IGCT 滲透的情況下，預計 2025 年 IGBT 晶圓月產能需求約 120 萬片 /月，為保證供需缺口不被進一步擴大，2021-2025 年新增產能約為 96 萬片/月。但新增 產能往往受到兩方面的限制：一方面，晶圓廠建設周期、良率提升周期較長，自建設起 至投產需要 2-3 年，同時專業人才缺口較大，從技術角度，晶圓廠產能難以實現爆發； 另一方面，產線額度投資較高，以比亞迪半導體購置

10、的投資的功率器件產線為例，3 萬 片月產能對應投資額約為 49 億元，合理推測建設 96 萬片月產能的資本性支出或高達 1568 億元，全球龍頭及國內廠商相關資本性支出合計遠低于需求量。我們判斷 IGBT 長 期供需缺口將長期存在。時代電氣 IDM 模式企業將深度受益。2021 年，包括寶馬、大眾、本田及國內新勢力等 車企在內均遭受因“缺芯”導致的停產，據不完全統計，“缺芯”已造成全球車企損失逾 600 億美元，因此車企未來或將更加重視上游芯片的產能保障；Fabless 模式企業使用 外協產能，一旦代工廠出現產能擠壓，其自身產能難以保障；出于供應鏈安全考慮，未 來相關企業或將 IGBT 訂單傾

11、斜給擁有產能保障的 IDM 模式芯片供應商，時代電氣有 望深度受益。技術實力突出，IDM 協同效應凸顯。迄今為止，以英飛凌產品為標準，IGBT 芯片共有 7 代，核心技術節點按內部結構可分 為穿通型（PT）、非穿通型（NPT）、場截止型（FS）三種；按表面結構可分為平面柵、 溝槽柵和微溝槽柵。最先進的微溝槽+FS 型 IGBT 可大幅提升高開關速度、開關頻率和 功率密度，同時降低損耗和面積，大多應用于新能源車電驅系統及光伏逆變器等領域。時代電氣 IGBT 芯片技術國內領先。在整合 Dynex 的 IGBT 業務基礎之上，時代電氣構 建了以“溝槽+軟穿通”與“精細溝槽”兩代技術為支撐的低壓溝槽柵

12、 IGBT 技術體系、 以“U”型槽與軟穿通為核心的高壓平面柵 IGBT 芯片技術體系，分別應用于新能源車、 光伏及軌交、特高壓輸電等領域。此外，公司還掌握了全套背面減薄工藝，大幅降低芯 片開關及靜態損耗。模組設計、制造經驗豐富，自動化封裝產線保障產能及產品質量。封裝技術直接關系到 IGBT 的壽命及魯棒性。車載領域要求更高，IGBT 封裝形式常采用水冷散熱，目前共有 單面間接水冷、單面直接水冷及雙面間接水冷等三代技術；最先進的第三代冷卻模組封 裝技術業內尚未形成批量應用，但公司已著手研發，進一步提高其在新能源車領域的核 心競爭力。目前，時代電氣的自動化封裝產線產品一致性高，可實現 724 小

13、時生產， 達產后預計可滿足 240 萬臺新能源汽車的需求。IDM 協同效應凸顯，“應用-設計-制造”三位一體加速需求響應。IGBT 芯片產品型號眾 多，內部芯片連接方式及配比也各不相同，因此，在新應用領域切入階段，往往需要多 個生產環節相互配合。新能源車使用的 IGBT 產品型號大多需求定制，同時其配套的芯 片產線、封裝產線均需要通過車企認證，過程要求嚴格，時間跨度長。Fabless 模式的 IGBT 企業的業務布局缺少芯片制造環節，生產過程的 “脫節”使得其難以快速應對下 游需求變化。反觀 IDM 模式，該模式下 IGBT 的所有生產流程均屬于同一家公司，業務 協同能力強。短期來看，IDM

14、模式可靈活應對需求變化，在暫時的“缺芯”時間窗口下， 可實現產品快速導入；長期來看，IDM 模式企業可針對各種應用領域設計不同型號產品， 進行差異化競爭，進一步拓寬護城河。2.IGCT：賽道卡位，與風電同行市場空間迎擴容大功率領域，IGCT 或將替代 IGBT 成為主流。IGCT，即集成門極換流晶閘管，于 1997 年提出，晚于 IGBT。IGCT 將 GTO 芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起， 再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接而成，結構更加簡單，可實現高壓大容量能 量轉換、損耗更低。圖：IGCT 應用范圍涵蓋輸電網、風電、軌交及冶金等大功率場景由于 IGCT 結合 IGBT

15、與 GTO 二者的優勢，在高壓、大電流各種應用領域中可靠性更 高、成本更低。以 4.16kV 的變頻器為例，該設備中的逆變器需要約 24 個高壓 IGBT， 或 60 個低壓 IGBT，若采用 IGCT，則只需 12 個。由于結構更簡單、體積更小，采用 IGCT 的變頻器在設計難度、散熱及魯棒性上可以展現出更加優良的性能和成本優勢。時代電氣前瞻布局 IGCT 實現賽道卡位，未來或充分受益于市場擴容。過去 IGCT 應用 場景十分有限，僅集中在軌交和冶金等少數領域，市場空間小，全球僅時代電氣和 ABB 具備量產能力。根據清華大學技術轉移研究院材料，在風力發電場景下，每 GW 約采用 1 萬只 4

16、.5kV 以上 IGCT 器件，單只價格約為 2 萬元。2020 年，國內新增風電裝機量約 為 10GW，據此推測，僅國內市場空間就高達 20 億元。我們認為，時代電氣作為少數 已經具備 IGCT 批量生產能力的供應商，將充分受益于光伏建設大趨勢下的市場擴容。3.SiC：前瞻布局理想材料，未來有望替代 IGBT硅基器件逼近物理極限，化合物半導體前景廣闊。目前絕大多數的半導體器件和集成電 路都是由硅制作的，出色的性能和成本優勢讓硅在集成電路等領域占有絕對的優勢，無 論是在電力電子領域還是通信射頻等領域，硅基器件在低壓、低頻、中功率等場景，應 用也非常廣泛。但在一些高功率、高壓、高頻、高溫等應用領

17、域如新能源和 5G 通信等， 硅基器件的表現逐漸達不到理想的要求，以三五族為代表的化合物半導體以其性能優勢 在通訊射頻、光通信、電力電子等領域逐步大規模民用化。新能源車帶動功率半導體市場需求快速擴容，SiC 功率器件或迎替代機遇。SiC 材料擁 有寬禁帶、高擊穿電場、高熱導率、高電子遷移率以及抗輻射等特性，SiC 基的 SBD 以 及 MOSFET 更適合在高頻、高溫、高壓、高功率以及強輻射的環境中工作。在功率等 級相同的條件下，采用 SiC 器件可將電驅、電控等體積縮小化，滿足功率密度更高、設 計更緊湊的需求，同時也能使電動車續航里程更長。據天科合達招股說明書，美國特斯 拉公司的 Model3 車型便采用了以 24 個 SiC MOSFET 為功率模塊的逆變器，是第一家 在主逆變器中集成全 SiC 功率器件的汽車廠商；目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車 載充電系統中使用 SiC 功率器件；此外，SiC 器件應用于新能源汽車充電樁，可以減小 充電樁體積，提高充電速度。SiC 的優勢同樣適用于光伏、風電領域。為實現光伏逆變器的“高轉換效率”和“低能 耗”提供了所需的低反向恢復