汽车功率半导体行业研究报告.docx
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汽车功率半导体行业研究报告
2021年汽车功率半导体行业研究报告
一、报告综述:
(一)汽车功率半导体5年近7倍空间,IGBT最受益
政策支持、节能减排双重驱动,新能源汽车加速渗透,预计2025年国内新能源汽车渗透率将达到20%,2030年欧盟新能源汽车渗透率将达到40%。
汽车电动化趋势下车用功率半导体单车价值大幅提升。
据英飞凌统计,功率半导体ASP将从传统燃油车的71美元大幅提升至全插混/纯电汽车的330美元,是传统燃油车的4.6倍。
根据我们的测算,预计2025年全球汽车功率半导体市场规模将达到80亿美元,2025年全球新能源车用功率半导体市场规模将达到53亿美元,是2020年的7.3倍,年复合增速高达48.8%,未来十年中美欧三地区新能源汽车充电桩用IGBT市场将有94亿美元增量空间。
目前车用功率半导体中主要用到的是IGBT和MOSFET,而IGBT在新能源车中是电驱系统主逆变器的核心器件,并可用于辅逆变电路、DC/DC直流斩波电路、OBC(充电/逆变)等,单车价值达到273美元,占车用功率半导体ASP的83%,是绝对大头。
我们预计2025年全球新能源汽车IGBT市场规模将达到44亿美元,年复合增速约48.8%,是电动化趋势下的汽车功率半导体中最受益品种。
(二)产品、工艺、先发优势三大壁垒构筑强护城河
1)产品壁垒:
车规级IGBT需具备使用寿命长、故障率低、抗震性高等严格要求,能适应“极热”“极冷”的高低温工况、粉尘、盐碱等恶劣的工况环境,承受频繁启停带来的电流频繁变化,对产品要求极高。
2)工艺壁垒:
车规级IGBT设计时需保证开通关断、抗短路和导通压降三者的平衡,参数优化特殊复杂。
生产制造时薄片工艺容易碎裂、正面金属熔点限制导致退火温度控制难度大。
此外,IGBT模块封装的焊接和键合环节技术要求同样较高。
3)认证周期长、替换成本高、具备经验曲线效应,行业先发优势明显。
a)车规级IGBT需满足可靠性标准、质量管理标准、功能安全标准,才有资格进入一级汽车厂商的供应链,认证周期一般至少2年。
b)由于IGBT模块是汽车中的关键部件,下游厂商出于安全性、可靠性的考虑,替换时往往呈谨慎态度,只有经过大量验证测试并通过综合评定后,才会做出大批量采购决策,替换成本高。
c)IGBT业务需要长期的经验积累才能达到良好的know-how水平。
d)IGBT行业属于资本密集型行业,生产、测试设备基本需要进口。
此外,对IGBT生产企业的流动资金需求量也较大,新进入者在前期往往面临投入大、产出少的情况,需要较强的资金实力作后盾,才能持续进行产品的研发、生产和销售。
综合来看,IGBT行业中的先行企业具有明显的先发优势。
(三)竞争格局优成为成长行业“优质赛道”,但当前国产化率仍然较低
据Omdia2019年统计数据,全球IGBT模块前十大厂商占据了76%份额,市场份额集中,竞争格局较好。
车规级IGBT方面,由于较高的行业壁垒,2019年中国新能源汽车IGBT模块CR4份额合计达81%,呈现寡头垄断格局。
其中,英飞凌市占率58.2%排名第一,比亚迪市占率18%排名第二,三菱电机、赛米控分列第三、第四。
车用IGBT凭借广阔的成长空间和良好的竞争格局已成为成长行业中的“优质赛道”。
但2019年中国新能源汽车IGBT前十大厂商中仅有比亚迪、斯达半导及中车时代电气三家国内厂商入围,市场份额合计20.4%,国产替代空间广阔。
(四)多重因素加速国产替代,国内厂商未来发展潜力巨大
多重因素加速国产替代:
1)中国已是全球最大的汽车消费市场,且未来汽车消费需求仍将提升,为国内IGBT厂商提供了良好的发展契机。
2)贸易摩擦加剧,半导体自主可控需求日益迫切。
3)国内厂商率先布局新能源汽车产业,抢占先发优势,随着国内新能源车厂商的份额提升,出于供应链安全考虑,预计将更多采用国内半导体厂商产品。
4)国内IGBT厂商具备性价比高、响应速度快等本土化服务优势,契合新能源车降本增效需要,有望实现份额提升。
5)政策鼓励、资金支持助力国内IGBT行业快速发展。
国内市场空间方面,根据我们的测算,预计2025年中国新能源车用功率半导体市场规模将达到177亿元,是2020年的6倍,年复合增速高达44%,预计2025年中国新能源汽车IGBT市场规模将达到147亿元,年复合增速约44%。
2025年中国充电桩用IGBT市场规模将达109亿元,复合增速达35%。
综合以上分析,我们认为车用IGBT国产替代进程将加速推进,结合目前较低的市场份额占比和广阔的行业成长空间,未来国内IGBT厂商增长潜力巨大。
(五)产能紧张短期内较难缓解,功率半导体景气持续上行
5G商用以及疫情宅经济加速推动社会数字化转型,新能源车、家电、数码等终端设备市场景气度转暖,带动半导体需求增长,叠加半导体厂商因供应链安全需要提高安全库存,多项因素共振导致半导体产能紧张,目前各大晶圆代工厂商均处于满产状态。
从全球来看,ICinsight预计2021年全球将新增2080万片等效8寸晶圆产能,从国内来看,在建的晶圆制造等效8寸产能约2796万片/年,大部分集中在2022年投产。
但考虑到新产线投产后约有3-5年的产能爬坡期,短期内产能紧张较难缓解。
受益于新能源汽车和充电桩需求的快速提升,预计2025年全球仅车规级IGBT模块所需的8寸晶圆量就达169万片,较2020年增长5.4倍,晶圆制造需求缺口巨大。
年初以来海内外各大芯片厂商纷纷上调产品价格或延长交期,预计半导体产业链景气度仍将持续上升。
二、新能源车加速渗透,汽车功率半导体5年7倍空间
(一)新能源汽车渗透加速,汽车功率半导体迎来量价齐升
政策支持&节能减排驱动新能源汽车加速渗透。
我国《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》提出新能源汽车发展愿景,计划到2025年,国内新能源汽车渗透率达到20%。
国际上,欧洲多国二氧化碳限排政策,新能源汽车补贴政策双管齐下,以应对全球气候变暖的压力,汽车电动化路线愈加明显。
在欧盟,ACEA汽车温室气体排放协议规定,到2030年以前,汽车二氧化碳排放量需低于每公里59克。
根据英飞凌测算,欧盟新能源汽车渗透率将在2030达到40%。
电动化带动功率半导体单车价值大幅提升,纯电车用功率半导体ASP达330美元是传统燃油车的4.6倍。
以电力系统作为动力源的新能源汽车,对电子元器件功率管理,功率转换能力提出了更高的要求。
在传统汽车中,功率半导体主要应用于车辆启动,发电和安全领域,低压低功率电子元器件即可满足其工作需求。
而在新能源汽车中,电池输出的高电压需要进行频繁的电压变换,电流逆变,这些电路大幅提高了汽车对IGBT、MOSFET等功率半导体的需求。
根据英飞凌数据,传统燃油车中,功率半导体含量为71美元,全插混/纯电池电动车中,功率半导体价值量为330美元,是传统燃油车的4.6倍。
2025年全球汽车功率半导体市场规模将达到80亿美元。
根据Yole预计,2025年全球功率半导体市场规模将达到225亿美元。
智研咨询统计2019年全球功率半导体市场中汽车领域占比35.4%,假设该比例维持不变,则预计2025年全球汽车功率半导体市场规模将达到79.65亿美元。
预计2025年全球新能源汽车功率半导体市场规模将达53亿美元,是2020年的7.3倍,CAGR为48.8%。
根据AlixPartners预测全球汽车销量将从2020年7050万辆增长至2025年9400万辆,EVTank预计全球新能源汽车销量将从2019年221万辆增长至2025年1200万辆,2025年全球新能源汽车渗透率将达到13%,较2019年提升10.36pct。
上文提到,英飞凌2020年最新统计数据中,新能源汽车功率半导体单车价值量为330美元,考虑到目前全球半导体晶圆代工产能紧张,预计今年新能源汽车功率半导体价格仍将保持在较高水平,且未来单车价值将随着电动化趋势及双电机渗透率的增加逐步提升。
根据以上数据,我们测算2025年全球新能源汽车功率半导体市场规模将达到53亿美元,是2020年的7.3倍,年复合增速为48.8%。
(二)全球车用充电桩IGBT市场空间快速增长
新能源车重要配套设施充电桩数量将快速增长,带动关键零部件IGBT需求快速提升。
随着新能源汽车渗透率的逐步提高,作为新能源汽车重要配套设施的充电桩数量也需要同步提升。
根据麦肯锡统计,2020年中美欧新能源汽车充电需求约为180亿千瓦时,预计到2030年,新能源汽车充电需求量将达到2710亿千瓦时,年复合增速31.2%。
新能源汽车充电设施需求的快速增长,也将带动充电桩关键零部件IGBT用量的大幅提升。
预计2020-2030十年间中美欧充电桩IGBT市场将有94亿美元增量空间。
根据麦肯锡预计,中国、美国、欧盟三个地区需要在2020-2030十年间分别投入190亿/110亿/170亿美元资金建设新能源汽车充电桩2000万/2000万/2500万座,用以填补新能源汽车充电需求缺口。
单个充电桩中,IGBT占总成本比例约20%.。
由此我们可以推算出,未来十年中美欧新能源汽车充电桩用IGBT市场将有94亿美元增量空间。
三、汽车功率半导体中,IGBT最受益
IGBT和MOSFET是车用功率半导体的主要器件。
IGBT在汽车内有四种不同应用,第一是主逆变器核心器件,主逆变器将电池输出的直流电逆变为交流电驱动汽车电机;第二应用在辅助逆变电路中,用来为其他汽车电子供电;第三应用在DC/DC直流斩波电路中,用来输出电压不同的电流;第四应用在OBC(充电/逆变)中,将外部输入的交流电逆变为直流电为新能源汽车电池充电。
在电动化程度较低的汽车中,由于其电池输出电压低,功率器件工作的功率范围不高,可以用MOSFET替代辅助逆变电路、DC/DC直流斩波电路、OBC中的IGBT,以达到控制成本的目的。
(一)IGBT是新能源汽车电机驱动系统的核心器件IGBT
性能优越,是新能源汽车中功率半导体的核心部件。
IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor的缩写,即绝缘栅极双极型晶体管。
它是BJT和MOSFET组成的复合功率半导体器件,集合了MOSFET开关速度快、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小和BJT导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。
在新能源汽车中,IGBT模块主要用于大功率逆变器,以逆变直流电为交流电从而驱动汽车电机;还用于辅助功率逆变器,为车载空调等汽车电子设备供电。
1、IGBT按照不同应用环境,可分为IGBT单管,IGBT模块和IPM智能模块。
IGBT单管是N沟道增强型绝缘栅双极晶体管,通过向PNP型晶体管提供基极电流,导通整个电路。
由于其适用电流较小,通常在100A以下,适用功率较低。
但IGBT单管外部电路复杂,封装难度高,能体现IGBT制造商技术、工艺水平。
IGBT模块是由IGBT芯片与FWD(快速回复二极管)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品,多芯片通过绝缘方式并联集成封装在模块中,其安全性、可靠
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