功率半導體行業歷史及發展驅動力是什么？

歷經整合洗牌，行業格局漸清晰。

回顧功率半導體行業歷史，市場需求驅動力來源于用電場景的變化，從消費電子外延至高鐵、變頻白電、工控及新能源。我們以英飛凌、安森美、意法半導體三大功率器件廠商營收增速及各公司年報為參考對行業增長動因進行剖析：2013年前，功率器件需求來源集中在消費電子、傳統汽車、照明等領域，2013年-2015年隨亞洲光伏設施擴建，高鐵快速發展為中高壓功率器件如IGBT 帶來了應用場景及需求；而后 2016 年后由于對工業用電效率提升及家電功耗降低的要求，“變頻化”成為了此階段功率半導體的新增動能，IPM 等模塊產品大量開始應用。自2020年開始，新能源發電與新能源汽車從試點、推廣向需求驅動階段轉變，用電場景大幅增加，功率半導體進入景氣長周期。

市場集中度不高，第一大廠商市占率不到 20%。從CR5 的集中度及各廠商市占率看，2014 年前功率半導體市場集中度較低，各家市占率接近，在經歷2010-2013年的下行周期后，2014-2016 年行業進入并購整合期，行業集中度大幅提升：2015年英飛凌完成美國國際整流器公司(IR)的并購，收購韓國企業LS Power Semitech的所有股權、收購專注于駕駛輔助系統的 PCB 制造商Schweizer ElectronicandTTTech 的股權，NXP freescale 合并，安森美半導體(On Semiconductor)宣布并購仙童半導體(Fairchild)，行業重整后龍頭效應凸顯，CR5 穩定格局已成。進入 2019 年各家開始新一輪并購，CR5 格局至今保持穩定：Diodes 宣布收購德州儀器晶圓制造廠 GFAB，英飛凌收購賽普拉斯提升汽車半導體市占率，羅姆宣布收購松下半導體的二極管和三極管業務以擴充汽車、工業市場份額，安森美半導體宣布以 4.3 億美元收購格芯位于美國紐約州的300mm 晶圓廠獲取格芯先進的CMOS、MOSFET 和 IGBT 制造能力，瑞薩以 67 億美元收購IDT。

2021-2025 年全球功率器件市場將由 259 億美元增至357 億美元，年復合增速約為 8.4%。其中，寬禁帶半導體如碳化硅、氮化鎵市場增速最快均超40%，結合Omdia、Yole 數據，我們測算 25 年全球碳化硅器件市場將達43 億美元（占12%）；IGBT為最主要器件，受益于汽車、新能源等新增應用，市場規模將從21 年9.7億美元快速增至 136 億美元（占 38%），年復合增速約為12.8%；MOSFET 消費類應用等存量市場下降而汽車、新能源等新增應用增長，市場基本保持穩定，25 年市場規模約為 104 億美元（占 29%）。

2025 年汽車和工控將成為功率器件最主要市場，占比達41%和30%。結合Omdia、Yole 數據，我們測算 2025 年全球汽車（含新能源汽車）功率器件市場將增至142億美元(占 41%)，21-25 年復合增速最快為 18%，工控市場將增至107 億美元(占30%)，21-25 年復合增速為 13%，新能源發電市場將增至20 億美元(占6%)，21-25年復合增速達 13%；此外，電網市場將增至 8 億美元(占2%)，21-25 年復合增速達 19%.

新能源汽車中電能取代燃油成為汽車驅動的能量來源，每次電流電壓的變換均需用到功率器件。“三電系統”即電池、電機及電控系統取代汽油發動機、油箱或變速器；同時，配套新增 DC-DC 模塊、電機控制系統、電池管理系統及高壓電路等系統以完成電能在汽車中的分配與管理。以純電動汽車為例，在驅動端，電流依次經外部充電設備、車載充電機 OBC（輸入為交流電流時使用）、電池、逆變器、電機電控、減速箱及車輪，同時通過電池管理系統進行能量管理；在車身及輔助系統端，電流從電池處流出，經過 DC-DC 轉換器、低壓電池、輔助系統。

汽車電動化加速，功率器件單車價值量最多將增至700 美金以上。根據英飛凌汽車事業部數據，汽車電動化和智能化芯片市場未來五年將分別以22%和21%的復合增速快速增長，21 年純電動汽車功率器件單車價值量約450 美元，其中主逆變器占 70%，車載充電器（OBC）、BMS 及 DC-DC 電源等系統占30%。隨著自動駕駛、汽車功率提升、碳化硅及氮化鎵加速滲透，25 年純電動汽車功率器件單車價值量將約 700 美元。

工業電機及其控制系統的用電量將增至全球耗電量的一半，其中通用變頻器占60%。根據英飛凌數據，預計到 2040 年工業電機系統中電機耗電量將占60%。全球工業驅動市場高壓電機變頻器（>1kV）占 9%；中低電壓驅動（<1kV）占91%，其中約三分之二為通用型占 60%，包括風機、泵類和空氣壓縮機及升降、起重電機和船舶驅動等領域；約三分之一為伺服驅動，包括協作機器人、物流機器人等。以協作機器人為例，其單機半導體價值量達 350 歐元，其中功率器件約200歐元。

新能源發電帶來電網架構變革，光伏、風電、儲能及新型電網均為功率器件應用增量。隨著光伏、風電及儲能等新型直流裝備將接入配電網，配電網的整體架構隨之發生變化。直流設備接入交流電網再以直流或交流的形式分配于儲能設備中，每次電能變換均需用到功率器件。根據英飛凌數據，光伏、風電與儲能的逆變器等配電裝置單位 MW 的功率器件價值量分別在 2000-3500、2000-5000、2500-3500歐元左右。此外，由于配電網遭受的擾動類型會明顯增加，電網中將有越來越多的如中高壓大容量 AC-DC 換流器、DC-DC 直流變壓器以及直流斷路器等裝置，對應地 IGBT 等中高壓功率器件用量將大幅增加。

家電變頻化帶來半導體單機價值量提升，白電 IPM 模塊國產化空間大。根據英飛凌數據，隨著家用空調、商用空調、冰箱、洗衣機和熱泵的變頻化，變速電機的應用使得半導體單機價值量由 0.7 歐元提升至 9.5 歐元。其中，IPM 模塊、IGBT等功率半導體大量應用于變頻白電中以實現電流頻率的變化。根據產業在線統計，盡管中國已成為全球最大的白色家電生產基地，其中空調占全球80%的產能，冰箱和洗衣機亦超 50%，然而家電 IPM 模塊國產比例仍小于15%，國產化空間較大。

碳化硅為增速最快的功率器件 21-25 年 CAGR 42%，預計25 年全球碳化硅器件市場將超 43 億美元。與 Si 相比，SiC 擊穿場強是 Si 的10 倍，這意味著同樣電壓等級 SiC MOSFET 外延層厚度只需要 Si 的十分之一，對應漂移區阻抗大大降低；且 SiC 禁帶寬度是 Si 的 3 倍，導電能力更強。同時，SiC 熱導率及熔點非常高，是 Si 的 2-3 倍；SiC 電子飽和速度是 Si 的 2-3 倍，能夠實現10 倍的工作頻率；因此與 IGBT 相比，SiC 器件開關損耗最多可減少 74%。

結合 Yole 數據，我們預計 SiC 器件市場將從 2021 年10.9 億美元增至2025年43億美元以上，復合增速達 42%。其中，新能源汽車將從2021 年6.7 億增至2025年 34 億美元，復合增速 51%，占整個市場 80%。除汽車外，光伏、風電及儲能等新能源市場將從 2021 年 1.54 億美元增加至 2025 年5.14 億美元，此外，充電設施、軌道交通和電機驅動等領域也將快速增加。