功率半导体器件是实现电能转换的核心器件。主要用途包括逆变、变频等。受惠于5G及电动车需求的显著增长，我们对功率半导体的市场发展持乐观看法。本文重点讨论IGBT/三代化合物半导体功率器件在技术推进和应用驱动下迎来新一轮发展机遇。
IGBT是新能源汽车电机控制系统和充电桩的核心器件。I
GBT约占新能源汽车电力驱动系统及车载充电系统成本的40%，折合到整车上约占总成本的7~10%，它的性能决定了整车的能源利用率。IGBT多应用于高压领域，MOSFET主要应用在高频领域。
SiC主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。
SiC器件相对于Si器件的优势之处在于，降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC适合高压领域，GaN更适用于低压及高频领域。
我们建议重点关注5G应用所带来的RF GaN市场机遇。
5G对于更高数据传输速率的要求推动了基站部署的PA转换为GaN。另外，在5G的关键技术Massive MIMO中，大量的阵列天线需要相应的射频收发单元，所以射频器件的使用数量将明显增加。
我们通过测算IGBT/SiC的新能源汽车市场供需量推测其增量空间。
我们认为IGBT的增量空间巨大。SiC市场可能出现供不应求的情况。扩大功率半导体产能的动力之一来源于新能源汽车。
我们看好新能源汽车中功率半导体成分的增长。
根据英飞凌的统计，一辆传统燃料汽车的电机驱动系统中功率半导体的价值为 17美元，而一辆纯电动汽车中价值为265美元，增加了近15倍。新能源汽车为功率半导体带来了极大的增长潜力。电力基础设施的升级和便携式移动设备对高能效电池的需求也推动了功率半导体市场的增长。
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新能源汽车发展不及预期，功率半导体市场发展不及预期，全球经济波动加剧
1. 功率半导体市场需求大增，迎来国产化机遇
1.1. 功率半导体概述
功率半导体器件是实现电能转换的核心器件。
主要用途包括逆变、变频等。功率半导体可以根据载流子类型分为双极型功率半导体和单极型功率半导体。双极型功率半导体包括功率二极管、双极结型晶体管（BJT）、电力晶体管（GTR）、晶闸管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。单极型功率半导体包括功率MOSFET、肖特基势垒功率二极管等。它们的工作电压和工作频率也有所不同。功率半导体器件广泛应用于消费电子、新能源交通、轨道交通、发电与配电等电力电子领域。
受惠于5G及电动车需求的显著增长，我们对功率半导体的市场发展持乐观看法。
1.2. 功率半导体市场格局
国际厂商制造水平较高，已经形成了较高的专业壁垒。
我们预计在2022年全球功率半导体市场规模将达426亿美元。在2015年全球功率半导体市场中，英飞凌以12%的市场占有率排名第一。欧美日厂商凭借其技术和品牌优势，占据了全球功率半导体器件市场的70%。大陆、台湾地区主要集中在二极管、低压MOSFET等低端功率器件市场，IGBT、中高压MOSFET等高端器件市场主要由欧美日厂商占据。
我们看好功率半导体的国产代替空间。
我国开展功率半导体的研究工作比较晚，且受到资金、技术及人才的限制，功率半导体产业整体呈现出数量偏少、企业规模偏小、技术水平偏低及产业布局分散的特点。原始创新问题成为阻碍国内功率半导体产业发展的重要因素。国际功率半导体厂商尚未形成专利和标准的垄断。
相比国外厂商，国内厂商在服务客户需求和降低成本等方面具有竞争优势。我们认为，功率半导体的国产代替空间十分广阔。
1.2. 汽车电子点燃功率半导体市场
新能源汽车为功率半导体带来了极大的增长潜力。
新能源汽车是指采用非常规车用燃料作为动力来源的汽车，如纯电动车、插电式混合动力汽车。我们预计在2020年我国新能源汽车销量将达200万辆，同比增长53.8%。新能源汽车新增大量功率半导体器件的应用。2020年全球汽车功率半导体市场规模将达70亿美元。特斯拉model S车型使用的三相异步电机驱动，其中每一相的驱动控制都需要使用28颗IGBT芯片，三相共需要使用84颗IGBT芯片。
我国财政部、税务总局联合发布了公告：自2018年1月1日起至2020年12月31日，对购置的新能源汽车免征车辆购置税，鼓励用户购买新能源汽车。
我们认为政策红利将全面带动市场对功率半导体的需求。
2. IGBT——硅基功率半导体核心
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，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）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用。
在结构方面，IGBT比MOSFET多一层P+区，通过P层空穴的注入能够降低器件的导通电阻。
随着电压的增大，MOSFET的导通电阻也变大，因而其传导损耗比较大，尤其是在高压应用场合中。相较而言，IGBT的导通电阻较小。
IGBT多应用于高压领域，MOSFET主要应用在高频领域。
从产品来看，IGBT一般应用在高压产品上，电压范围为600-6500V。MOSFET 的应用电压相对较低，从十几伏到1000V。但是，IGBT的工作频率比MOSFET低许多。MOSFET的工作频率可以达到1MHz以上，甚至几十MHz，而IGBT的工作频率仅有100KHz。IGBT集中应用在逆变器、变频器等高压产品。而MOSFET主要应用在镇流器、高频感应加热等高频产品。
2.1. IGBT市场格局
全球IGBT市场主要竞争者包括德国英飞凌、日本三菱、富士电机、美国安森美、瑞士ABB等，前五大企业的市场份额超过70%。
我们预计在2022年全球IGBT市场规模将达60亿美元，增量空间巨大。国外厂商已研发出完善的IGBT产品系列。其中，仙童等企业在消费级IGBT领域处于优势地位。ABB、英飞凌和三菱电机在1700V以上的工业级IGBT领域占据优势。在3300V以上电压等级的领域，英飞凌、ABB和三菱电机三家公司居垄断地位，代表着国际IGBT技术的最高水平。
国产追赶仍需时间。
中国功率半导体市场占世界功率半导体市场份额的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT器件中，90%依赖于进口。
2.2. IGBT应用广泛，新能源车是重要下游增长引擎
按电压分布来看，消费电子领域运用的IGBT产品主要在600V以下，如数码相机闪光灯等。1200V以上的IGBT多用于电力设备、汽车电子、高铁及动车中。动车组常用的IGBT模块为3300V和6500V。智能电网使用的IGBT通常为3300V。
2.2.1. 新能源汽车
电机控制系统和充电桩是车用IGBT的主要增长点。
电力驱动系统将电能转换为机械能，驱动电动汽车行驶，是控制电动汽车最关键的部分。IGBT在电力驱动系统中属于逆变器模块，将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。IGBT约占新能源汽车电机驱动系统及车载充电系统成本的40%，折合到整车上约占总成本的7~10%，其性能直接决定了整车的能源利用率。汽车半导体行业的认证周期长，标准非常严苛。一方面，汽车的大众消费属性使得它对IGBT的寿命要求比较高。另一方面，汽车面临着更为复杂的工况，需要频繁启停、爬坡涉水、经历不同路况和环境温度等，对IGBT是极为严苛的考验。
2.2.2. 轨道交通
在高铁短时间内将时速从零提升到300公里的过程中，需要通过IGBT来确保牵引变流器及其他电动设备所需要的电流、电压精准可靠。IGBT在轨道交通领域已经实现了全面的国产化。
2.2.3. 智能电网
IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端。
从发电端来看，风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。从输电端来看，特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT功率器件。从变电端来看，IGBT是电力电子变压的关键器件。从用电端来看，家用LED照明等都对IGBT有大量的需求。
3. 第三代化合物半导体——前景广阔，产业变革
3.1. SiC——高压器件领域的破局者
SiC是第三代半导体材料的代表。以硅而言，目前Si MOSFET 应用多在1000V以下，约在600~900V之间，若超过1000V，其芯片尺寸会很大，切换损耗、寄生电容也会上升。
SiC器件相对于Si器件的优势之处在于，降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。
SiC功率器件的损耗是Si器件的50%左右。SiC主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。
英飞凌和科锐占据了全球SiC市场的70%。
罗姆公司在本田的Clarity上搭载了SiC功率器件，Clarity是世界首次用Full SiC驱动的燃料电动车，由于具有高温下动作和低损耗等特点，可以缩小用于冷却的散热片，扩大内部空间。丰田的燃料车MIRAI可以坐4个人，本田的Clarity实现了5人座。
2017年全球SiC功率半导体市场总额达3.99亿美元。预计到2023年市场总额将达16.44亿美元，年复合增长率26.6%。
从应用来看，混合动力和纯电动汽车的增长率最高，达81.4%。从产品来看，SiC JFETs的增长率最高，达38.9%。其次为全SiC功率模块，增长率达31.7%。
政策支持力度大幅提升，推动第三代半导体产业弯道超车。
国家和各地方政府持续推出政策和产业扶持基金支持第三代半导体发展。2018年7月国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布，提出了中国第三代半导体电力电子技术的发展路径及产业建设。福建省更是投入500亿，成立专门的安芯基金来建设第三代半导体产业集群。
3.2. GaN——应用场景增多，迎来发展机遇
由于GaN的禁带宽度较大，利用GaN可以获得更大带宽、更大放大器增益、尺寸更小的半导体器件。
GaN器件可以分为射频器件和电力电子器件。
GaN的射频器件包括PA、MIMO等面向基站卫星、雷达市场。电力电子器件产品包括SBD、FET等面向无线充电、电源开关等市场。
英飞凌、安森美和意法半导体是全球GaN市场的行业巨头。
我们预计到2026年全球GaN功率器件市场规模将达到4.4亿美元，复合年增长率29.4％。近年来越来越多的公司加入GaN的产业链。如初创公司EPC、GaN System、Transphorm等。它们大多选择台积电或X-FAB为代工伙伴。行业巨头如英飞凌、安森美和意法半导体等则采用IDM模式。
3.3. SiC VS GaN——各有擅长，应用驱动
3.3.1. 基本特性
SiC适合高压领域，GaN更适用于低压及高频领域。
较大的禁带宽度使得器件的导通电阻 减小。较高的饱和迁移速度使得SiC、GaN都可以获得速度更快、体积更小的功率半导体器件。但二者一个重要的区别就是热导率，这使得在高功率应用中，SiC居统治地位。而GaN因为拥有更高的电子迁移率，能够获得更高的开关速度，在高频领域，GaN具备优势。SiC适合1200V以上的高压领域，而GaN更适用于40-1200V的高频领域。
目前商业化SiC MOSFET的最高工作电压为1700V，工作温度为100-160℃，电流在65A以下。
SiC MOSFET现在主要的产品有650V、900V、1200V和1700V。在2018年国际主要厂商推出的SiC新产品中，Cree推出的新型E系列SiC MOSFET是目前业内唯一通过汽车AEC-Q101认证，符合PPAP要求的SiC MOSFET。
目前商业化GaN HEMT的最高工作电压为650V，工作温度为25℃，电流在120A以下。
GaN HEMT现在主要的产品有100V、600V和650V。 在2018年国际主要厂商推出的GaN 新产品中，GaN Systems的GaN E-HEMT系列产品实现了业内最高的电流等级，同时将系统的功率密度从20kW提高到了500kW。而EPC生产的GaN HEMT是其首款获得汽车AEC-Q101认证的GaN产品。其体积远小于传统的Si MOSFET，且开关速度是Si MOSFET的10-100倍。
目前商业化SiC功率模块的最高工作电压为3300V。
2018年1月，三菱电机开发的全SiC功率模块通过SiC MOSFET和SIC SBD一体化设计，实现了业内最高的功率密度（9.3kVA/cm3）。
目前商业化GaN功率放大器的最高工作频率为31GHz。
在2018年MACOM、Cree等企业陆续推出GaN MMIC PA模块化功率产品，面向基站、雷达等应用市场。
3.3.2. 应用场景
SiC主要应用在光伏逆变器（PV）、储能/电池充电、不间断电源（UPS）、开关电源（SMPS）、工业驱动器及医疗等市场。
SiC可以用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。
手机快速充电占据功率GaN市场的最大份额。
GaN应用于充电器时可以有效缩小产品的尺寸。目前市面上的GaN充电器支持USB快充，以27W、30W和45W功率居多。领先的智能手机制造商Apple也考虑将GaN技术作为其无线充电解决方案，这有可能带来GaN功率器件市场的杀手级应用。
5G应用临近，RF GaN市场快速发展。
5G主要部署的频段是用于广域覆盖的sub-6-GHz和用于机场等高密度区域的20GHz以上频带。要想满足5G对于更高数据传输速率和低延迟的要求，需要GaN技术来实现更高的目标频率。高输出功率、线性度和功耗要求也推动了基站部署的PA从LDMOS转换为GaN。另外，在5G的关键技术Massive MIMO中，基站收发信机上使用了大量的阵列天线，这种结构需要相应的射频收发单元，因此射频器件的使用数量将明显增加。利用GaN的小尺寸和功率密度高的特点可以实现高度集成化的产品解决方案，如模块化射频前端器件。
4. 新能源汽车驱动下的功率半导体市场供需及增量空间测算
我们根据功率半导体的单车价值量和全球新能源汽车的销量来推导新能源汽车所带来的功率半导体的市场需求。
IGBT是新能源汽车电机控制系统的核心器件。特斯拉Model S车型使用的三相异步电机驱 动，其中每一相都需要使用28颗IGBT芯片，三相共需要使用84颗IGBT芯片。每颗的价格大约在4~5美元。
我们预计IGBT的单车价值量大约在420美元左右。
根据全球新能源汽车的销量能够推导出新能源汽车所带来的IGBT市场需求。
SiC主要用于实现新能源汽车逆变器等驱动系统的小量轻化。2018年，特斯拉Model 3的逆变器采用了意法半导体制造的SiC MOSFET，每个逆变器包括了48个SiC MOSFET。Model 3的车身比Model S减小了20%。每个SiC MOSFET的价格大约在50美元左右。
我们判断SiC的单车价值量大约在2500美元左右。
GaN技术在汽车中的应用才刚刚开始发展。EPC生产的GaN HEMT是其首款获得汽车AEC-Q101认证的GaN产品。GaN技术可以提升效率、缩小尺寸及降低系统成本。这些良好的性能使得GaN的汽车应用来日可期。
我们通过测算IGBT/SiC的新能源汽车市场供需量推测其增量空间。
受惠于新能源汽车需求 的显著增长，我们认为IGBT的增量空间巨大。SiC市场可能会出现供不应求的情况。高成本是限制各国际厂商扩大SiC产能的重要因素。
5. 海外&国内功率半导体重要公司
2017年全球功率分立器件和模块市场总额达186亿美元。
其中，英飞凌以18.6%的市场份额排名第一。第二为安森美，第三为意法半导体。
2017年全球功率分立IGBT市场总额达11亿美元。其中，英飞凌以38.5%的市场份额排名第一，第二为富士电机。2017年全球功率分立MOSFET市场总额达66.5亿美元。其中，英飞凌以26.3%的市场份额排名第一。第二为安森美。
2017年全球功率器件市场中恩智浦的营业收入排名第一。
营业收入60.48亿元，净利润14.47亿元，净利率0.24。英飞凌排名第二，营业收入55.26亿元，净利润6.19亿元，净利率0.11。
各功率器件厂商都有其独特的优势产品。
安森美是第一大汽车图像传感器企业。在全球ADAS市场中，安森美的图像传感器占据了70%的市场份额。微控制器和SoC是瑞萨电子的主要产品。瑞萨电子在全球微控制器市场中占据领先地位。汽车电子已经成为各功率器件厂商竞争的重要领域之一。
5.1. 英飞凌(Infineon)
5.1.1. 英飞凌简介
英飞凌成立于1999年，公司在汽车、电源管理与多元市场、工业功率控制及智能卡与安 全业务上为全球提供产品和解决方案。英飞凌在法兰克福证券交易所（股票代码：IFX）和美国柜台交易市场 OTCQX International Premier（股票代码：IFNNY）挂牌上市。
根据英飞凌2017年财报，公司2017财年营收55.26亿元，同比增长9.11%，净利润6.18亿元，同比增长6.32%。15-17年公司净利率平均值为10.13%，ROE平均值为14.84%。
公司的主要产品包括功率器件、传感器与射频器件和嵌入式控制器等。
公司收入结构中，功率器件贡献主要收入，营收37.57亿元，占比68%。公司下游客户中，欧洲地区客户贡献主要收入，营收17.68亿元，占比32%。
5.1.2. 英飞凌技术优势及产品路线
英飞凌推出了采用Trench技术的CoolSiC
™
MOSFET系列产品。
这种设计能够缓和平面沟道的电导率，克服性能与鲁棒性之间的问题。2018年11月，英飞凌将Sitectra的冷切割技术收入囊中。冷切割是一种高效的晶体材料加工工艺，能将材料损失降到最低。
HybridPACK
™
是英飞凌推出的全新功率模块系列，专为混合动力汽车应用设计。
汽车应用往往要求更高的可靠性，所以英飞凌开发了逆导型IGBT。2018年3月，英飞凌与上海汽车宣布成立合资企业，为中国市场生产汽车级框架式IGBT模块。
IPC(Industrial Power Control)和PMM(Power management&Multimarket)是英飞凌核心的事业部。
其中，IPC的主要产品有分立和模块化IGBT。分立IGBT的电压工作范围在1200-1700V，模块IGBT主要工作在1200-6500V。PMM的主要产品有：高压MOSFET产品系列CoolMOSTM和中低压产品系列OptiMOSTM。
英飞凌以成熟技术加强核心市场，同时以新技术打开新兴市场。
英飞凌通过三个策略加强功率半导体市场：1）延长SiC MOSFET和GaN MOSFET系列产品，并且扩大自有的独特的300mm晶圆生产。2）增加相邻领域的投入，如数字功率控制模块的驱动器算法等。3）增加在新兴市场的研发，如电动汽车的充电桩等。
英飞凌的CoolSiC
™
MOSFET系列产品组合将在未来几年延长。
第一步是推出不同的拓扑结构，如Sixpack和Halfbridge，涵盖电源范围从2kW到200kW。
英飞凌的CoolGaN
™
400V电子模式即将开发。
2015年，英飞凌和松下达成协议，联合采用松下电器的常闭式（增强型）GaN晶体管结构和英飞凌的表贴（SMD）封装的GaN器件，推出高能效的600V GaN功率器件。2018年6月，英飞凌宣布将于2018年底开始量产CoolGaN 400V和600V增强型HEMT。
5.2. 安森美半导体（On Semiconductor）
5.2.1. 安森美简介
安森美成立于1999年，公司聚焦于汽车功能电子化、视觉和自动驾驶、车身和舒适、车载网络和电源管理等重点领域。安森美在美国纳斯达克上市，股票代码为ONNN。
根据公司2017年财报，公司2017年营收36.23亿元，同比增长41.88%。净利润5.3亿元，同比增长345.19%。15-17年公司净利率平均值为8.4%，ROE平均值为19.41%。
公司的主要产品包括电源和信号管理、分立及定制器件等。安森美是全球第一大汽车图像传感器企业。
在全球ADAS市场中，安森美的图像传感器占据了70%的市场份额。
5.2.2. 安森美技术优势及产品路线
安森美的SiC技术拥有独特的专利终端结构，它提供更高的雪崩能量、业界最高的非钳位感应开关（UIS）能力和最低的漏电流。
安森美即将推出1200V SiC MOSFET和650V GaN MOSFET产品。安森美的MOSFET产品主要集中在低压到中压。
安森美聚焦于汽车传感器市场的融合。
安森美是首家为汽车市场提供专业图像传感器的公司。安森美的产品具有低照度解析、宽动态范围等特性，可以直接满足到自动驾驶L5等级的需求。2017年安森美收购了IBM雷达设计中心，现在除了图像传感器以外，还可以提供包括Radar、Lidar在内的更为完整的传感器融合方案。
5.3. 罗姆(ROHM)
