脫碳已經成為全球的趨勢,在我國雙碳政策下,新能源、新基建、以及光伏發電逐漸成為矚目的焦點,一直隱藏在背后的功率半導體也受到了重點關注。實際上,在新能源方面,功率半導體一直都具有廣泛的應用。在實現雙碳目標的道路上,功率半導體到底扮演著什么角色?

節能的幕后英雄

實際上,功率半導體的出現并不是在近期才受到注意,在2013年我國大部分地區霧霾天氣頻發時,就有人注意到功率半導體。到了十三五期間,功率半導體產業作為與節能減排相符合的契合點,其產業受到了國家的重點支持。

目前,隨著全國碳排放的增多,我們提出了雙碳目標,也即“碳達峰、碳中和”。而功率半導體已經被個人電腦、白色家電、電動汽車、光伏發電系統廣泛采用,作為節能的關鍵,功率半導體再次出現在我們的視線中。

為什么說功率半導體能夠幫助節能?

這需要從功率元件的基本工作原理說起。功率元件通常在截至和導通兩種狀態下使用。關閉狀態,就是必須在所要求電壓下完全斷開電流。打開狀態,要求在損失最小的情況下,通過電流。關閉狀態下,使元件無法保證絕緣狀態的電壓叫做耐壓,一般而言,耐壓越高、導通電阻越小,元器件的性能也就越高。但由于功率器件的工作原理,耐壓和導通電阻之間存在此消彼長的關系。

實際上,功率半導體的本質就是利用半導體的單向導電性實現電源開關和電力轉換功能,比較具體的用途包括變壓、逆變、整流、斬波、變頻、變相等,能夠提高能量轉化效率,減少功率的損失。由于對于一般電器來說,有75%以上的電能是無法直接使用的,需要通過功率半導體進行變換后才能供設備使用。因此,功率半導體對于實現“雙碳”目標來說,有非常重要的作用。

功率半導體主要分為功率分立器件和功率IC兩大類,其中功率分立器件主要包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等產品。但由于近幾年來,向高可控、高功率密度、高工作溫度、高開關頻率、低損耗、集成化、結構復雜化的方向發展,MOSFET與IGBT占在了功率器件的舞臺中央。

圍繞新能源車以及相關的基礎設施成為核心動力,包含工業、智能電網、5G基站、變頻家電對功率半導體的需求劇增,這也使得功率半導體市場水漲船高,迎來了高景氣的周期。

1、新能源汽車

隨著低碳的風潮,國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》里,對于新能源汽車產業發展進行了擘畫。預計到2025年,新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右;到2035年,純電動汽車成為新銷售車輛的主流。

相比于傳統汽車,電動汽車將新增大量電能轉換需求,從而帶動相關功率半導體器件獲得顯著的增量需求,并且功率半導體在新能源汽車中的價值量顯著增加。根據StrategyAnalytics的統計數據,2019年傳統內燃汽車中功率半導體價值量為71美元,占總半導體成本的21%;在純電動汽車中,功率半導體的價值增長到了387美元,占總半導體成本的55%,對于傳統內燃汽車來說,價值量提升了近5．5倍。

2．充電樁、汽車充電器新增大量功率器件需求

新能源汽車在普及的同時,也帶動了其配套設施的需求,充電樁便是其中之一。根據東方證券的調研報告顯示,功率半導體是充電樁的重要組成部分,充電模塊中,PFC 整流和 DC/DC 變換器會應用到 IGBT、 SJ 或 SiC MOSFET 等器件。目前 150kW 及以下功率充電樁目前主流采用 Si 基 IGBT 方案,每 10kW IGBT 模組所需功率半導體價值為 20 美元,SiC 解決方案成本為 Si IGBT 的 5 倍,達到每 10kW 100 美元。

根據英飛凌的預測,2020 至 2023 年,全球充電樁功率半導體市場規模 CAGR 將達到 10．4%,至 2023 年,整體市場 規模有望達到 1．3 億美元。

3．新能源發電

除了以上兩個方面,功率半導體也是光伏逆變器中的核心器件。而逆變器作為光伏系統并網的必要設備,光伏裝機容量的迅速提升將成為驅動逆變器行業成長的重要因素,同時也為功率半導體行業的持續發展提供動力。

國家統計局預測,至2025年中國新能源發電通過柔性輸電并網比例將會提升至71%,中國新能源發電IGBT市場規模將會增加到14．4億元。

4． 新國標下的白電市場

去年一月,GB21455-2019《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》出臺。去年7月,新國標正式實施,新國標統一了變頻空調和定頻空調的能效評價方法。新國標出臺的用意之一是為響應國家清潔能源供暖政策而出現的低環境溫度空氣源熱泵熱風機產品納入標準實施范圍,設置了能效限定值和能效等級要求。

這也成為了功率半導體市場發展的契機——以新國標下的空調市場為例,從定頻空調切換到變頻空調,空調室內風機內部的風機馬達控制將由原來的固態繼電器轉變成智能功率模塊。

從整體上看,根據東方證券的調研報告顯示,變頻家電滲透率迅 速將持續快速提升,有望從 2019 年的 57%提升至 2023 年的 88%。從 IPM 和二極管、MOSFET、 IGBT 等功率半導體的用量來看,變頻家電功率半導體價值相比普通家電增長 12 倍以上。受益于 上述驅動,全球家電功率半導體規模有望從 2019 年的 41 億美元增長至 2023 年的 70 億美元,4 年 CAGR 在 14%以上。

功率半導體的政策

功率半導體的發展與雙碳規劃息息相關,因此,我國對功率半導體的發展進行了全面的布局——近年來國家在功率半導體及相關領域陸續出臺了一系列政策法規,鼓勵功率半導體產品研發、制造及測試,支持加大功率半導體重點項目的投入。

中國市場中的功率半導體玩家

在《華潤微首席運營官李虹:技術演進+應用驅動,功率領跑千億賽道》這篇文章中有寫到,李虹表示2021年,全球半導體市場有可能達到500億美金。從2010年到2020年,全球半導體市場銷售額增長了50%,美國費城半導體指數漲了8倍。并且根據OMDIA的最新預測,2024年全球功率半導體市場將達到623億美金。

尤其是在“雙碳”發展的形勢之下,功率半導體的發展可以說是勢不可擋。國內主要的功率半導體廠商包括比亞迪半導體、華潤微、斯達半導體、士蘭微、臺基股份等廠商。

從前不久各個廠商發布的第三季度財報可以看到,士蘭微前三季度盈利收入同比增長76．18%、華潤微前三季度營業收入同比增長41．70%、斯達半導體前三季度營業收入增長89．85%,今年國內功率半導體廠商的營業增長向好。

其實,功率半導體的工藝并非依賴尺寸,也就是并不追求7nm、5nm等先進制程,相對于邏輯IC來說工藝技術難度低,也不需要動輒就百億美金的產線投入。

考慮到市場需求、技術難度等多方因素,功率半導體在可預見的將來有望成為國產替代進度最快的細分領域之一。

華潤微的IGBT產品制造工藝已經全面提升至8吋IGBT,并且今年以來,華潤微自主研發的650V SiC JBS綜合性能達到業界先進水平。華潤微在回答供需情況時,表示今年在新能源車、光伏等市場比較火爆,IGBT在汽車領域的運營包括充電樁、車載空調。

斯達半導體已經實現了IGBT芯片和模塊的產業化,在2020年斯達半導體在全球IGBT模塊市場排名第七,斯達半導體原先采用fabless模式運營,在今年9月11日,公司發布定增公告,擬募集資金35億元,向IDM模式轉型。

斯達半導IGBT型號超過600種,電壓等級涵蓋100V——3300V,廣泛應用于新能源汽車、變頻器、逆變焊機、光伏/風電發力、SVG、白色家電等領域。2020年,其IGBT模塊配套逾20萬輛新能源汽車,覆蓋超過20家汽車公司。

士蘭微依托已穩定運行的5、6、8英寸芯片生產線和正在逐步上量的12英寸芯片生產線和先進化合物芯片生產線,建立新產品和新工藝技術研發團隊,陸續完成了超結高壓MOSFET、高密度溝槽柵MOSFET、快恢復二極管的研發,形成了比較完整的特色工藝制造平臺。

士蘭IGBT模塊B1、B3進入批量供貨階段,其中B1采用IGBT 4芯片,適用30-60kw的電動汽車,即A00級車,被造車新勢力零跑T03大量采用;B3采用IGBT 5芯片,適用80-220kw的電動汽車,即A級至C級車,正在極氪(吉利B級新能源車)小批量試用,預計年底或明年初批量供貨。

目前,士蘭微在變頻空調領域有廣泛知名度,客戶囊括美的、格力等白電龍頭,并且在向新能源汽車拓展,車用IGBT模塊已交付國內多家知名廠商測試。

從這種情況上看,在“雙碳”規劃的催化以及國產化的推動下,國內功率半導體廠商或將迎來發展的黃金時期。