脫碳已經(jīng)成為全球的趨勢(shì),在我國(guó)雙碳政策下,新能源、新基建、以及光伏發(fā)電逐漸成為矚目的焦點(diǎn),一直隱藏在背后的功率半導(dǎo)體也受到了重點(diǎn)關(guān)注。實(shí)際上,在新能源方面,功率半導(dǎo)體一直都具有廣泛的應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的道路上,功率半導(dǎo)體到底扮演著什么角色?

節(jié)能的幕后英雄

實(shí)際上,功率半導(dǎo)體的出現(xiàn)并不是在近期才受到注意,在2013年我國(guó)大部分地區(qū)霧霾天氣頻發(fā)時(shí),就有人注意到功率半導(dǎo)體。到了十三五期間,功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為與節(jié)能減排相符合的契合點(diǎn),其產(chǎn)業(yè)受到了國(guó)家的重點(diǎn)支持。

目前,隨著全國(guó)碳排放的增多,我們提出了雙碳目標(biāo),也即“碳達(dá)峰、碳中和”。而功率半導(dǎo)體已經(jīng)被個(gè)人電腦、白色家電、電動(dòng)汽車(chē)、光伏發(fā)電系統(tǒng)廣泛采用,作為節(jié)能的關(guān)鍵,功率半導(dǎo)體再次出現(xiàn)在我們的視線中。

為什么說(shuō)功率半導(dǎo)體能夠幫助節(jié)能?

這需要從功率元件的基本工作原理說(shuō)起。功率元件通常在截至和導(dǎo)通兩種狀態(tài)下使用。關(guān)閉狀態(tài),就是必須在所要求電壓下完全斷開(kāi)電流。打開(kāi)狀態(tài),要求在損失最小的情況下,通過(guò)電流。關(guān)閉狀態(tài)下,使元件無(wú)法保證絕緣狀態(tài)的電壓叫做耐壓,一般而言,耐壓越高、導(dǎo)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(dǎo)通電阻之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。

實(shí)際上,功率半導(dǎo)體的本質(zhì)就是利用半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)和電力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率,減少功率的損失。由于對(duì)于一般電器來(lái)說(shuō),有75%以上的電能是無(wú)法直接使用的,需要通過(guò)功率半導(dǎo)體進(jìn)行變換后才能供設(shè)備使用。因此,功率半導(dǎo)體對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)來(lái)說(shuō),有非常重要的作用。

功率半導(dǎo)體主要分為功率分立器件和功率IC兩大類(lèi),其中功率分立器件主要包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等產(chǎn)品。但由于近幾年來(lái),向高可控、高功率密度、高工作溫度、高開(kāi)關(guān)頻率、低損耗、集成化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的方向發(fā)展,MOSFET與IGBT占在了功率器件的舞臺(tái)中央。

圍繞新能源車(chē)以及相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施成為核心動(dòng)力,包含工業(yè)、智能電網(wǎng)、5G基站、變頻家電對(duì)功率半導(dǎo)體的需求劇增,這也使得功率半導(dǎo)體市場(chǎng)水漲船高,迎來(lái)了高景氣的周期。

1、新能源汽車(chē)

隨著低碳的風(fēng)潮,國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》里,對(duì)于新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了擘畫(huà)。預(yù)計(jì)到2025年,新能源汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)售量達(dá)到汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)售總量的20%左右;到2035年,純電動(dòng)汽車(chē)成為新銷(xiāo)售車(chē)輛的主流。

相比于傳統(tǒng)汽車(chē),電動(dòng)汽車(chē)將新增大量電能轉(zhuǎn)換需求,從而帶動(dòng)相關(guān)功率半導(dǎo)體器件獲得顯著的增量需求,并且功率半導(dǎo)體在新能源汽車(chē)中的價(jià)值量顯著增加。根據(jù)StrategyAnalytics的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2019年傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車(chē)中功率半導(dǎo)體價(jià)值量為71美元,占總半導(dǎo)體成本的21%;在純電動(dòng)汽車(chē)中,功率半導(dǎo)體的價(jià)值增長(zhǎng)到了387美元,占總半導(dǎo)體成本的55%,對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車(chē)來(lái)說(shuō),價(jià)值量提升了近5．5倍。

2．充電樁、汽車(chē)充電器新增大量功率器件需求

新能源汽車(chē)在普及的同時(shí),也帶動(dòng)了其配套設(shè)施的需求,充電樁便是其中之一。根據(jù)東方證券的調(diào)研報(bào)告顯示,功率半導(dǎo)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(huì)應(yīng)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(dǎo)體價(jià)值為 20 美元,SiC 解決方案成本為 Si IGBT 的 5 倍,達(dá)到每 10kW 100 美元。

根據(jù)英飛凌的預(yù)測(cè),2020 至 2023 年,全球充電樁功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模 CAGR 將達(dá)到 10．4%,至 2023 年,整體市場(chǎng) 規(guī)模有望達(dá)到 1．3 億美元。

3．新能源發(fā)電

除了以上兩個(gè)方面,功率半導(dǎo)體也是光伏逆變器中的核心器件。而逆變器作為光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的必要設(shè)備,光伏裝機(jī)容量的迅速提升將成為驅(qū)動(dòng)逆變器行業(yè)成長(zhǎng)的重要因素,同時(shí)也為功率半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供動(dòng)力。

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局預(yù)測(cè),至2025年中國(guó)新能源發(fā)電通過(guò)柔性輸電并網(wǎng)比例將會(huì)提升至71%,中國(guó)新能源發(fā)電IGBT市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)增加到14．4億元。

4． 新國(guó)標(biāo)下的白電市場(chǎng)

去年一月,GB21455-2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》出臺(tái)。去年7月,新國(guó)標(biāo)正式實(shí)施,新國(guó)標(biāo)統(tǒng)一了變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的能效評(píng)價(jià)方法。新國(guó)標(biāo)出臺(tái)的用意之一是為響應(yīng)國(guó)家清潔能源供暖政策而出現(xiàn)的低環(huán)境溫度空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)產(chǎn)品納入標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施范圍,設(shè)置了能效限定值和能效等級(jí)要求。

這也成為了功率半導(dǎo)體市場(chǎng)發(fā)展的契機(jī)——以新國(guó)標(biāo)下的空調(diào)市場(chǎng)為例,從定頻空調(diào)切換到變頻空調(diào),空調(diào)室內(nèi)風(fēng)機(jī)內(nèi)部的風(fēng)機(jī)馬達(dá)控制將由原來(lái)的固態(tài)繼電器轉(zhuǎn)變成智能功率模塊。

從整體上看,根據(jù)東方證券的調(diào)研報(bào)告顯示,變頻家電滲透率迅 速將持續(xù)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(dǎo)體的用量來(lái)看,變頻家電功率半導(dǎo)體價(jià)值相比普通家電增長(zhǎng) 12 倍以上。受益于 上述驅(qū)動(dòng),全球家電功率半導(dǎo)體規(guī)模有望從 2019 年的 41 億美元增長(zhǎng)至 2023 年的 70 億美元,4 年 CAGR 在 14%以上。

功率半導(dǎo)體的政策

功率半導(dǎo)體的發(fā)展與雙碳規(guī)劃息息相關(guān),因此,我國(guó)對(duì)功率半導(dǎo)體的發(fā)展進(jìn)行了全面的布局——近年來(lái)國(guó)家在功率半導(dǎo)體及相關(guān)領(lǐng)域陸續(xù)出臺(tái)了一系列政策法規(guī),鼓勵(lì)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品研發(fā)、制造及測(cè)試,支持加大功率半導(dǎo)體重點(diǎn)項(xiàng)目的投入。

中國(guó)市場(chǎng)中的功率半導(dǎo)體玩家

在《華潤(rùn)微首席運(yùn)營(yíng)官李虹:技術(shù)演進(jìn)+應(yīng)用驅(qū)動(dòng),功率領(lǐng)跑千億賽道》這篇文章中有寫(xiě)到,李虹表示2021年,全球半導(dǎo)體市場(chǎng)有可能達(dá)到500億美金。從2010年到2020年,全球半導(dǎo)體市場(chǎng)銷(xiāo)售額增長(zhǎng)了50%,美國(guó)費(fèi)城半導(dǎo)體指數(shù)漲了8倍。并且根據(jù)OMDIA的最新預(yù)測(cè),2024年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將達(dá)到623億美金。

尤其是在“雙碳”發(fā)展的形勢(shì)之下,功率半導(dǎo)體的發(fā)展可以說(shuō)是勢(shì)不可擋。國(guó)內(nèi)主要的功率半導(dǎo)體廠商包括比亞迪半導(dǎo)體、華潤(rùn)微、斯達(dá)半導(dǎo)體、士蘭微、臺(tái)基股份等廠商。

從前不久各個(gè)廠商發(fā)布的第三季度財(cái)報(bào)可以看到,士蘭微前三季度盈利收入同比增長(zhǎng)76．18%、華潤(rùn)微前三季度營(yíng)業(yè)收入同比增長(zhǎng)41．70%、斯達(dá)半導(dǎo)體前三季度營(yíng)業(yè)收入增長(zhǎng)89．85%,今年國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體廠商的營(yíng)業(yè)增長(zhǎng)向好。

其實(shí),功率半導(dǎo)體的工藝并非依賴(lài)尺寸,也就是并不追求7nm、5nm等先進(jìn)制程,相對(duì)于邏輯IC來(lái)說(shuō)工藝技術(shù)難度低,也不需要?jiǎng)虞m就百億美金的產(chǎn)線投入。

考慮到市場(chǎng)需求、技術(shù)難度等多方因素,功率半導(dǎo)體在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)有望成為國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)度最快的細(xì)分領(lǐng)域之一。

華潤(rùn)微的IGBT產(chǎn)品制造工藝已經(jīng)全面提升至8吋IGBT,并且今年以來(lái),華潤(rùn)微自主研發(fā)的650V SiC JBS綜合性能達(dá)到業(yè)界先進(jìn)水平。華潤(rùn)微在回答供需情況時(shí),表示今年在新能源車(chē)、光伏等市場(chǎng)比較火爆,IGBT在汽車(chē)領(lǐng)域的運(yùn)營(yíng)包括充電樁、車(chē)載空調(diào)。

斯達(dá)半導(dǎo)體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了IGBT芯片和模塊的產(chǎn)業(yè)化,在2020年斯達(dá)半導(dǎo)體在全球IGBT模塊市場(chǎng)排名第七,斯達(dá)半導(dǎo)體原先采用fabless模式運(yùn)營(yíng),在今年9月11日,公司發(fā)布定增公告,擬募集資金35億元,向IDM模式轉(zhuǎn)型。

斯達(dá)半導(dǎo)IGBT型號(hào)超過(guò)600種,電壓等級(jí)涵蓋100V——3300V,廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、變頻器、逆變焊機(jī)、光伏/風(fēng)電發(fā)力、SVG、白色家電等領(lǐng)域。2020年,其IGBT模塊配套逾20萬(wàn)輛新能源汽車(chē),覆蓋超過(guò)20家汽車(chē)公司。

士蘭微依托已穩(wěn)定運(yùn)行的5、6、8英寸芯片生產(chǎn)線和正在逐步上量的12英寸芯片生產(chǎn)線和先進(jìn)化合物芯片生產(chǎn)線,建立新產(chǎn)品和新工藝技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì),陸續(xù)完成了超結(jié)高壓MOSFET、高密度溝槽柵MOSFET、快恢復(fù)二極管的研發(fā),形成了比較完整的特色工藝制造平臺(tái)。

士蘭IGBT模塊B1、B3進(jìn)入批量供貨階段,其中B1采用IGBT 4芯片,適用30-60kw的電動(dòng)汽車(chē),即A00級(jí)車(chē),被造車(chē)新勢(shì)力零跑T03大量采用;B3采用IGBT 5芯片,適用80-220kw的電動(dòng)汽車(chē),即A級(jí)至C級(jí)車(chē),正在極氪(吉利B級(jí)新能源車(chē))小批量試用,預(yù)計(jì)年底或明年初批量供貨。

目前,士蘭微在變頻空調(diào)領(lǐng)域有廣泛知名度,客戶(hù)囊括美的、格力等白電龍頭,并且在向新能源汽車(chē)拓展,車(chē)用IGBT模塊已交付國(guó)內(nèi)多家知名廠商測(cè)試。

從這種情況上看,在“雙碳”規(guī)劃的催化以及國(guó)產(chǎn)化的推動(dòng)下,國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體廠商或?qū)⒂瓉?lái)發(fā)展的黃金時(shí)期。