脱碳已经成为全球的趋势,在我国双碳政策下,新能源、新基建、以及光伏发电逐渐成为瞩目的焦点,一直隐藏在背后的功率半导体也受到了重点关注。实际上,在新能源方面,功率半导体一直都具有广泛的应用。在实现双碳目标的道路上,功率半导体到底扮演着什么角色?

节能的幕后英雄

实际上,功率半导体的出现并不是在近期才受到注意,在2013年我国大部分地区雾霾天气频发时,就有人注意到功率半导体。到了十三五期间,功率半导体产业作为与节能减排相符合的契合点,其产业受到了国家的重点支持。

目前,随着全国碳排放的增多,我们提出了双碳目标,也即“碳达峰、碳中和”。而功率半导体已经被个人电脑、白色家电、电动汽车、光伏发电系统广泛采用,作为节能的关键,功率半导体再次出现在我们的视线中。

为什么说功率半导体能够帮助节能?

这需要从功率元件的基本工作原理说起。功率元件通常在截至和导通两种状态下使用。关闭状态,就是必须在所要求电压下完全断开电流。打开状态,要求在损失最小的情况下,通过电流。关闭状态下,使元件无法保证绝缘状态的电压叫做耐压,一般而言,耐压越高、导通电阻越小,元器件的性能也就越高。但由于功率器件的工作原理,耐压和导通电阻之间存在此消彼长的关系。

实际上,功率半导体的本质就是利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换功能,比较具体的用途包括变压、逆变、整流、斩波、变频、变相等,能够提高能量转化效率,减少功率的损失。由于对于一般电器来说,有75%以上的电能是无法直接使用的,需要通过功率半导体进行变换后才能供设备使用。因此,功率半导体对于实现“双碳”目标来说,有非常重要的作用。

功率半导体主要分为功率分立器件和功率IC两大类,其中功率分立器件主要包括二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等产品。但由于近几年来,向高可控、高功率密度、高工作温度、高开关频率、低损耗、集成化、结构复杂化的方向发展,MOSFET与IGBT占在了功率器件的舞台中央。

围绕新能源车以及相关的基础设施成为核心动力,包含工业、智能电网、5G基站、变频家电对功率半导体的需求剧增,这也使得功率半导体市场水涨船高,迎来了高景气的周期。

1、新能源汽车

随着低碳的风潮,国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》里,对于新能源汽车产业发展进行了擘画。预计到2025年,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右;到2035年,纯电动汽车成为新销售车辆的主流。

相比于传统汽车,电动汽车将新增大量电能转换需求,从而带动相关功率半导体器件获得显著的增量需求,并且功率半导体在新能源汽车中的价值量显著增加。根据StrategyAnalytics的统计数据,2019年传统内燃汽车中功率半导体价值量为71美元,占总半导体成本的21%;在纯电动汽车中,功率半导体的价值增长到了387美元,占总半导体成本的55%,对于传统内燃汽车来说,价值量提升了近5．5倍。

2．充电桩、汽车充电器新增大量功率器件需求

新能源汽车在普及的同时,也带动了其配套设施的需求,充电桩便是其中之一。根据东方证券的调研报告显示,功率半导体是充电桩的重要组成部分,充电模块中,PFC 整流和 DC/DC 变换器会应用到 IGBT、 SJ 或 SiC MOSFET 等器件。目前 150kW 及以下功率充电桩目前主流采用 Si 基 IGBT 方案,每 10kW IGBT 模组所需功率半导体价值为 20 美元,SiC 解决方案成本为 Si IGBT 的 5 倍,达到每 10kW 100 美元。

根据英飞凌的预测,2020 至 2023 年,全球充电桩功率半导体市场规模 CAGR 将达到 10．4%,至 2023 年,整体市场 规模有望达到 1．3 亿美元。

3．新能源发电

除了以上两个方面,功率半导体也是光伏逆变器中的核心器件。而逆变器作为光伏系统并网的必要设备,光伏装机容量的迅速提升将成为驱动逆变器行业成长的重要因素,同时也为功率半导体行业的持续发展提供动力。

国家统计局预测,至2025年中国新能源发电通过柔性输电并网比例将会提升至71%,中国新能源发电IGBT市场规模将会增加到14．4亿元。

4． 新国标下的白电市场

去年一月,GB21455-2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》出台。去年7月,新国标正式实施,新国标统一了变频空调和定频空调的能效评价方法。新国标出台的用意之一是为响应国家清洁能源供暖政策而出现的低环境温度空气源热泵热风机产品纳入标准实施范围,设置了能效限定值和能效等级要求。

这也成为了功率半导体市场发展的契机——以新国标下的空调市场为例,从定频空调切换到变频空调,空调室内风机内部的风机马达控制将由原来的固态继电器转变成智能功率模块。

从整体上看,根据东方证券的调研报告显示,变频家电渗透率迅 速将持续快速提升,有望从 2019 年的 57%提升至 2023 年的 88%。从 IPM 和二极管、MOSFET、 IGBT 等功率半导体的用量来看,变频家电功率半导体价值相比普通家电增长 12 倍以上。受益于 上述驱动,全球家电功率半导体规模有望从 2019 年的 41 亿美元增长至 2023 年的 70 亿美元,4 年 CAGR 在 14%以上。

功率半导体的政策

功率半导体的发展与双碳规划息息相关,因此,我国对功率半导体的发展进行了全面的布局——近年来国家在功率半导体及相关领域陆续出台了一系列政策法规,鼓励功率半导体产品研发、制造及测试,支持加大功率半导体重点项目的投入。

中国市场中的功率半导体玩家

在《华润微首席运营官李虹:技术演进+应用驱动,功率领跑千亿赛道》这篇文章中有写到,李虹表示2021年,全球半导体市场有可能达到500亿美金。从2010年到2020年,全球半导体市场销售额增长了50%,美国费城半导体指数涨了8倍。并且根据OMDIA的最新预测,2024年全球功率半导体市场将达到623亿美金。

尤其是在“双碳”发展的形势之下,功率半导体的发展可以说是势不可挡。国内主要的功率半导体厂商包括比亚迪半导体、华润微、斯达半导体、士兰微、台基股份等厂商。

从前不久各个厂商发布的第三季度财报可以看到,士兰微前三季度盈利收入同比增长76．18%、华润微前三季度营业收入同比增长41．70%、斯达半导体前三季度营业收入增长89．85%,今年国内功率半导体厂商的营业增长向好。

其实,功率半导体的工艺并非依赖尺寸,也就是并不追求7nm、5nm等先进制程,相对于逻辑IC来说工艺技术难度低,也不需要动辄就百亿美金的产线投入。

考虑到市场需求、技术难度等多方因素,功率半导体在可预见的将来有望成为国产替代进度最快的细分领域之一。

华润微的IGBT产品制造工艺已经全面提升至8吋IGBT,并且今年以来,华润微自主研发的650V SiC JBS综合性能达到业界先进水平。华润微在回答供需情况时,表示今年在新能源车、光伏等市场比较火爆,IGBT在汽车领域的运营包括充电桩、车载空调。

斯达半导体已经实现了IGBT芯片和模块的产业化,在2020年斯达半导体在全球IGBT模块市场排名第七,斯达半导体原先采用fabless模式运营,在今年9月11日,公司发布定增公告,拟募集资金35亿元,向IDM模式转型。

斯达半导IGBT型号超过600种,电压等级涵盖100V——3300V,广泛应用于新能源汽车、变频器、逆变焊机、光伏/风电发力、SVG、白色家电等领域。2020年,其IGBT模块配套逾20万辆新能源汽车,覆盖超过20家汽车公司。

士兰微依托已稳定运行的5、6、8英寸芯片生产线和正在逐步上量的12英寸芯片生产线和先进化合物芯片生产线,建立新产品和新工艺技术研发团队,陆续完成了超结高压MOSFET、高密度沟槽栅MOSFET、快恢复二极管的研发,形成了比较完整的特色工艺制造平台。

士兰IGBT模块B1、B3进入批量供货阶段,其中B1采用IGBT 4芯片,适用30-60kw的电动汽车,即A00级车,被造车新势力零跑T03大量采用;B3采用IGBT 5芯片,适用80-220kw的电动汽车,即A级至C级车,正在极氪(吉利B级新能源车)小批量试用,预计年底或明年初批量供货。

目前,士兰微在变频空调领域有广泛知名度,客户囊括美的、格力等白电龙头,并且在向新能源汽车拓展,车用IGBT模块已交付国内多家知名厂商测试。

从这种情况上看,在“双碳”规划的催化以及国产化的推动下,国内功率半导体厂商或将迎来发展的黄金时期。