3)光伏及风电渗透率提升。

目前新能源发电以光伏和风力发电为主,二者的整流器和逆变器对IGBT有较大需求。

太阳能光伏发电的实质就是在太阳光的照射下,太阳能电池阵列(即PV组件方阵)将太阳能转换成电能,输出的直流电经由逆变器后转变成用户可以使用的交流电。逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键部件,因为它是将直流电转化为用户可以使用的交流电的必要过程,是太阳能和用户之间相联系的必经之路。

电子行业中的CPU,功率半导体核心IGBT的未来怎么看?

太阳能光伏发电原理

以往光伏发电系统是采用MOSFET构成的逆变器,然而随着电压的升高,MOSFET会因其通态电阻过大而导致增加开关损耗,IGBT因其通态电流大、耐压高、电压驱动等特点,在中、高压容量的系统中更具优势,在实际项目中IGBT已逐渐取代MOSFET作为光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件。

据国际能源机构IEA数据显示,2019年全球光伏新增装机115GW。据中国光伏行业协会预测,2021年全球新增光伏装机约150-170GW。

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全球光伏IGBT市场规模预估,来源:IEA

IGBT模块在升压斩波和逆变电路中起高频开关作用,IGBT模块占逆变器价值量约为10%-15%,是逆变器的核心器件。目前集中式光伏逆变器成本在0.16-0.17元/W,组串式光伏逆变器成本在0.2元/W左右,总体光伏逆变器成本在0.2元/W左右。根据行业调研数据,IGBT模块占光伏逆变器总成本平均比例约为10%,即光伏IGBT模块价值量约为0.02元/W。

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要在2050年达到净零碳排放量所需的风机增长速度;来源:GWEC

根据全球风能理事会(Global Wind Energy Council,GWEC)发布的《2021年全球风报告》显示,2020年全球风电装机量同比增长53%,总装机量高达93GW,其中陆上风机安装量为86.9GW,较2019年增加59%。GWEC预测,保持当前的全球主要经济体政策环境下,到2025年,全球将新增469GW装量,每年平均稳定增加94GW左右。相比于陆上风机0.3%的复合年化增长率,未来五年的海上风机年复合增长率将高达31.5%,即2020年当年海上总装量为6.1GW,而2025年当年海上总装量为70GW。至2025年年底,全球累计陆上和海上风电装机量将超过1TW。

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中国及海外市场当年新增光伏装机规模(MW)及IGBT采购需求(亿元);来源:BloombergNEF

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全球风电新增装机规模(GW)与IGBT采购需求(亿元)来源:BloombergNEF

受“抢装”驱动,中国风电市场装机在2020年有望迎来短期峰值,结合CWEA的数据,预测风电装机量有望达到32.5GW。以1.5MW双馈型风机为例,其中变流器中IGBT用量约21个(1700V/2400A);目前风电变流器单位成本约0.18元/W,IGBT单位成本约为0.016元/W。根据相关机构测算,2020年全球风电行业IGBT需求约10.8亿元,预计2025年增长至13.4亿元,5年CAGR接近5%。

4)新能源汽车替代传统燃油车。

IGBT在新能源汽车领域中发挥着核心作用,是汽车动力系统的“心脏”。与传统燃油车相比,新能源汽车没有发动机和启停系统,新增了电池、电机、电控核心部件以及车载DC/DC、电空调驱动、车载充电器(OBC)等电力电子装置。在运行过程中,车载空调、OBC、逆变器、DC/DC、发电机等都有赖于IGBT对电的频繁电压和交直流转换,都需要大量的IGBT器件。具体来说,IGBT主要应用于电机控制器、车载空调控制系统以及充电桩三个环节,直接控制汽车能源直流交流转换、电压转换、频率转换等,是汽车电子电力的“心脏”。

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汽车全面智能化;来源:Gartner、德勤

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IGBT在新能源汽车上的应用;来源:比亚迪官网

新能源汽车市场高速增长,是IGBT下游应用中备受关注的重要增长点。根据中国产业信息网,2018年新能源汽车领域IGBT的市场规模占比达31%,市场份额较排名第二的家电领域多4个百分点,新能源汽车领域作为IGBT行业的一大驱动力,在新能源汽车需求的带动下,对应的IGBT芯片需求有望出现高速增长。

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IGBT占整机总成本5%以上,是除电池之外成本第二高的元器件。

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新能源汽车动力系统=电池+电驱(电机+电控)。电控是新能源汽车产业链的重要环节,它接受整车控制器的指令,进而控制驱动电机的转速和转矩,以控制整车的运动,相当于传统汽车的发动机。电控占整车成本的15~20%,是除了电池之外成本第二高的器件。IGBT则是电控的关键部件,约占其成本的37%,因此IGBT在整车的成本中占比5%~7%。

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根据中汽协发布的产销数据,2020年,新能源汽车产量及销量分别为136.6万辆和136.7万辆,同比分别增长10%和13%,产量及销量连续三年位居全球第一;2017-2020年新能源汽车产量及销量复合增速分别为19.8%和20.7%。新能源汽车替代率逐步上升,将持续拉动IGBT模块市场的需求。

A股市场中我国目前IGBT产业链中的领先企业:

斯达半导(603290.SH):

公司目前在上海和欧洲均设有子公司,并在国内和欧洲设有研发中心,是国内IGBT领域的领军企业之一。2019年度公司在全球IGBT模块市场排名第七(并列),是唯一进入前十的中国企业。公司主营业务是以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计研发、生产及销售。公司产品生产环节主要分为芯片和模块设计、芯片外协制造、模块生产三个阶段。

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公司发展历程

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公司股权结构图

在2021年上半年,公司基于第六代Trench Field Stop技术的650V/750V IGBT芯片及配套快恢复二极管芯片的模块新增多个双电控混动以及纯电动车型的主电机控制器平台定点,将对2023-2029年公司新能源汽车IGBT模块销售增长提供持续推动力。

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公司主要产品

先进产品量产方面,基于第七代微沟槽Trench Field Stop技术的新一代车规级 650V/750V IGBT芯片研发成功,预计2022年开始批量供货。基于第六代Trench Field Stop技术的1200V IGBT芯片在12寸产线实现大批量生产,12英寸IGBT芯片产量迅速提高。

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在车规级SGT MOSFET(split-gate trench MOSFET)上,公司产品开始小批量供货。在光伏发电领域,公司使用自主 IGBT 芯片的模块和分立器件在国内主流光伏逆变器客户开始大批量装机应用。

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公司主要核心技术情况;来源:公司招股书

公司具备英飞凌第5代和第6代技术能力,募投项目特购置氢/氦离子注入机、中束流离子注入机等工艺设备4台,助力IGBT核心工艺难点的研发突破。

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公司目前正在实施的研发项目;来源:公司招股书

对未来布局方面,今年上半年里,公司继续布局宽禁带功率半导体器件。在机车牵引辅助供电系统、新能源汽车行业控制器、光伏行业推出的各类SiC模块得到进一步的推广应用。在新能源汽车领域,公司新增多个使用全SiC MOSFET模块的800V系统的主电机控制器项目定点,将对公司2023年-2029年SiC模块销售增长提供持续推动力。

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目前公司已形成上百种个性化产品,这些个性化产品成为公司保持与现有客户长期稳定合作的重要基础;另外,与国际品牌厂商相比,公司采用了直销模式,直接与客户对接,从而进一步提升了服务客户的效率。与国外竞争对手相比,公司与下游客户的沟通更加便捷和顺畅,在对响应客户需求的速度、供货速度、产品适应性及持续服务能力等各方面都表现出优势。

士兰微(600460.SH):

公司是目前国内为数不多的,以IDM模式为主要发展模式的综合型半导体产品公司(是国内产品线最为齐全的半导体IDM厂商)。全资子公司成都士兰半导体制造有限公司是工信部公布的第三批“专精特新”小巨人企业之一。

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公司发展历程

公司现已形成器件(主要为功率半导体器件MOSFET、IGBT、二极管等产品)、集成电路(主要包括IPM、MCU、MEMS传感器、电源管理芯片、数字音视频电路等)、LED 芯片及外延片等业务板块,广泛应用于消费电子、工业控制、新能源、汽车电子等领域。

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功率器件和集成电路为公司的两大核心业务。

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公司产品下游应用

公司第一条5/6英寸兼容产线于2002年投产,第一条8英寸晶圆产线于2017年投产,第一条12英寸晶圆产线于2020年底投产,该条产线也是继华虹半导体Fab7之后国内第二条投产的12英寸功率半导体晶圆产线,完全达产后将形成月产4万片12英寸晶圆的生产能力。国内8英寸和12英寸产线主要用来制造MOSFET、IGBT等设计更为复杂、芯片尺寸面积更大、对性能和稳定性要求更高的功率芯片。

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公司成长逻辑;来源:中信证券研究部

公司IGBT单管较完善地覆盖600V/650/1200/1350V等中低压电压等级;另有650V/750V IGBT模块应用于新能源汽车领域,1200V IGBT模块应用于电焊机、电机逆变器、变频器等工业应用。公司自研芯片的电动汽车主电机驱动模块已在2020年上半年通过部分客户测试, 并接获小批量订单。由此公司成为国内为数不多能够供应车规主驱IGBT模块的厂家之一。

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士兰微化合物半导体产线项目建设过程

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化合物半导体产线项目的产品规划

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公司与厦门半导体投资集团达成的化合物半导体项目公司股权回购协议

IPM模块技术公司处于行业领先地位,已大规模供应国内一线家电厂商,销量保持快速增长。IPM模块即智能功率模块,一种将功率器件、驱动电路、完整地保护电路等集成在一起的半导体模块,主要应用于家电,是变频白色家电的核心电子元器件。公司持续对MEMS(微机电系统)投入,在去年终于进入收获期:产品已经打入小米等国内手机品牌厂商和智能穿戴领域客户。

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