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20190408-天风证券-电子行业:“技术推进+应用驱动”功率半导体迎来新一轮发展机遇.pdf

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20190408 证券 电子 行业 技术 推进 应用 驱动 功率 半导体 迎来 一轮 发展 机遇
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行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 1 电子 证券研究报告 2019年04月08日 投资评级 行业评级 强于大市(维持评级) 上次评级 强于大市 作者 潘暕 分析师 SAC执业证书编号:S1110517070005 panjian@ 陈俊杰 分析师 SAC执业证书编号:S1110517070009 chenjunjie@ 资料来源:贝格数据 相关报告 1 《电子-行业研究周报:汽车电子和 VR/AR创新进入临界点》 2019-04-08 2 《电子-行业专题研究:科创板系列·十 一:国盾量子》 2019-04-04 3 《电子-行业专题研究:科创板系列·十 二:创鑫激光》 2019-04-04 行业走势图 “技术推进+应用驱动”——功率半导体迎来新一轮 发展机遇 功率半导体器件是实现电能转换的核心器件。主要用途包括逆变、变频等。 受惠于5G及电动车需求的显著增长,我们对功率半导体的市场发展持乐观 看法。本文重点讨论 IGBT/三代化合物半导体功率器件在技术推进和应用驱 动下迎来新一轮发展机遇。 IGBT是新能源汽车电机控制系统和充电桩的核心器件。IGBT约占新能源汽 车电力驱动系统及车载充电系统成本的 40%,折合到整车上约占总成本的 7~10%,它的性能决定了整车的能源利用率。IGBT 多应用于高压领域, MOSFET主要应用在高频领域。 SiC 主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。SiC 器件相对于 Si 器件的优势之处在于,降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC适 合高压领域,GaN更适用于低压及高频领域。 我们建议重点关注 5G 应用所带来的 RF GaN 市场机遇。5G 对于更高数据 传输速率的要求推动了基站部署的PA转换为GaN。另外,在5G的关键技 术Massive MIMO中,大量的阵列天线需要相应的射频收发单元,所以射频 器件的使用数量将明显增加。 我们通过测算 IGBT/SiC的新能源汽车市场供需量推测其增量空间。我们认 为 IGBT 的增量空间巨大。SiC 市场可能出现供不应求的情况。扩大功率半 导体产能的动力之一来源于新能源汽车。 我们看好新能源汽车中功率半导体成分的增长。根据英飞凌的统计,一辆 传统燃料汽车的电机驱动系统中功率半导体的价值为 17美元,而一辆纯电 动汽车中价值为265美元,增加了近15倍。新能源汽车为功率半导体带来 了极大的增长潜力。电力基础设施的升级和便携式移动设备对高能效电池的 需求也推动了功率半导体市场的增长。 投资建议:首推闻泰科技(收购安世半导体),建议关注台基股份、扬杰科 技、士兰微。 风险提示:新能源汽车发展不及预期,功率半导体市场发展不及预期,全球 经济波动加剧 -40% -34% -28% -22% -16% -10% -4% 2% 2018-04 2018-08 2018-12 电子 沪深300 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 内容目录 1. 功率半导体市场需求大增,迎来国产化机遇 5 1.1. 功率半导体概述. 5 1.2. 功率半导体市场格局 . 5 1.3. 汽车电子点燃功率半导体市场 . 6 2. IGBT——硅基功率半导体核心 7 2.1. IGBT市场格局 . 8 2.2. IGBT应用广泛,新能源车是重要下游增长引擎 9 2.2.1. 新能源汽车 9 2.2.2. 轨道交通 10 2.2.3. 智能电网 10 3. 第三代化合物半导体——前景广阔,产业变革 10 3.1. SiC——高压器件领域的破局者 10 3.2. GaN——应用场景增多,迎来发展机遇 12 3.3. SiC VS GaN——各有擅长,应用驱动 13 3.3.1. 基本特性 13 3.3.2. 应用场景 17 4. 新能源汽车驱动下的功率半导体市场供需及增量空间测算 . 18 5. 海外&国内功率半导体重要公司 19 5.1. 英飞凌(Infineon) 21 5.1.1. 英飞凌简介 21 5.1.2. 英飞凌技术优势及产品路线 . 22 5.2. 安森美半导体(On Semiconductor) . 24 5.2.1. 安森美简介 24 5.2.2. 安森美技术优势及产品路线 . 24 5.3. 罗姆(ROHM) 25 5.3.1. 罗姆简介 25 5.3.2. 罗姆技术优势及产品路线 26 5.4. 闻泰科技 27 5.5. 台基股份 29 5.6. 扬杰科技 31 5.7. 士兰微 . 32 图表目录 图1:功率半导体的产品种类 . 5 图2:2017年全球功率器件市场结构按产品划分 . 5 图3:功率半导体器件的工作范围 5 图4:2016-2022年全球功率半导体市场规模/亿美元 6 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 3 图5:全球功率半导体市场竞争格局 6 图6:新能源汽车销量预测 6 图7:全球汽车半导体市场规模/亿美元 . 6 图8:功率半导体在汽车中的应用 7 图9:(a)MOSFET结构图;(b)IGBT结构图. 7 图10:2017年全球IGBT市场份额 8 图11:2016-2022年全球IGBT市场规模/亿美元 . 8 图12:国际IGBT市场产业链 . 8 图13:中国IGBT市场产业链 . 9 图14:IGBT的应用领域及电压分布 . 9 图15:电能产业链 10 图16:SiC的开关损耗 . 10 图17:全球SiC产业链 11 图18:SiC功率半导体市场按应用划分 11 图19:SiC功率半导体市场按产品划分 11 图20:GaN的应用领域及电压分布 . 12 图21:全球GaN产业链 . 13 图22:全球GaN市场规模 13 图23:SiC晶体管的性能 14 图24:GaN晶体管的性能 15 图25:GaN功率器件主流应用 17 图26:5G带来的功率半导体市场需求 . 17 图27:2017年全球功率分立器件和模块市场份额 19 图28:2017年全球功率分立IGBT市场份额 20 图29:2017年全球功率分立MOSFET市场份额 20 图30:2017年全球功率器件厂商营业收入/亿元 . 20 图31:2017年全球功率器件厂商净利润/亿元 20 图32:英飞凌2012-2017年营业收入及增速/亿元 . 21 图33:英飞凌2012-2017年净利润及增速/亿元 21 图34:英飞凌收入结构按产品划分 22 图35:英飞凌SiC系列产品 22 图36:英飞凌产品路线 . 23 图37:英飞凌策略布局 . 23 图38:安森美2012-2017年营业收入及增速/亿元 . 24 图39:安森美2012-2017年净利润及增速/亿元 24 图40:安森美图像传感器平台 . 24 图41:罗姆2012-2018年营业收入及增速/亿元 25 图42:罗姆2012-2018年净利润及增速/亿元 25 图43:罗姆收入结构 25 图44:罗姆收入结构按产品划分 25 图45:罗姆的双沟槽结构 26 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 4 图46:IGBT作为焊接逆变器(全桥/双晶体管正向) 26 图47:IGBT作为感应加热逆变器(半桥) . 26 图48:IGBT作为三相电机控制 27 图49:IGBT作为不间断电源 27 图50:安世半导体股权结构 27 图51:闻泰科技营业收入及增速/亿元 . 28 图52:闻泰科技净利润及增速/亿元 28 图53:闻泰科技毛利率与净利率 28 图54:安世半导体主要客户 29 图55:台基股份营业收入及增速/亿元 . 30 图56:台基股份净利润及增速/亿元 30 图57:台基股份收入构成按产品 30 图58:扬杰科技营业收入及增速/亿元 . 31 图59:扬杰科技净利润及增速/亿元 31 图60:扬杰科技毛利率与净利率 31 图61:扬杰科技收入构成按产品 31 图62:士兰微营业收入及增速/亿元 32 图63:士兰微净利润及增速/亿元 . 32 图64:士兰微毛利率与净利率 . 32 图65:士兰微主要产品 . 33 表1:IGBT与BJT、MOSFET性能比较 7 表2:SiC、GaN性能比较 14 表3:2018年SiC新产品 14 表4:2018年GaN新产品 . 15 表5:2018年SiC功率模块新产品 . 16 表6:2018年GaN功率模块新产品 . 16 表7:IGBT新能源汽车市场需求测算 18 表8:SiC新能源汽车市场需求测算 . 18 表9:汽车功率半导体市场供需测算及增量空间 19 表10:2017年全球功率器件厂商营收比较 20 表11:国际功率器件厂商优势产品 21 表12:国际功率器件厂商汽车电子技术路线对比 21 表13:公司前5名股东持股情况 29 表14:杨杰科技主要客户 31 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 5 1. 功率半导体市场需求大增,迎来国产化机遇 1.1. 功率半导体概述 功率半导体器件是实现电能转换的核心器件。主要用途包括逆变、变频等。功率半导体可 以根据载流子类型分为双极型功率半导体和单极型功率半导体。双极型功率半导体包括功 率二极管、双极结型晶体管(BJT)、电力晶体管(GTR)、晶闸管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 等。单极型功率半导体包括功率 MOSFET、肖特基势垒功率二极管等。它们的工作电压和 工作频率也有所不同。功率半导体器件广泛应用于消费电子、新能源交通、轨道交通、发 电与配电等电力电子领域。受惠于 5G 及电动车需求的显著增长,我们对功率半导体的市 场发展持乐观看法。 图 1:功率半导体的产品种类 图 2:2017年全球功率器件市场结构按产品划分 资料来源:半导体行业观察,天风证券研究所 资料来源:前瞻产业研究院,天风证券研究所 图 3:功率半导体器件的工作范围 资料来源:英飞凌报告,天风证券研究所 1.2. 功率半导体市场格局 国际厂商制造水平较高,已经形成了较高的专业壁垒。我们预计在 2022 年全球功率半导 体市场规模将达 426 亿美元。在 2015 年全球功率半导体市场中,英飞凌以 12%的市场占 有率排名第一。欧美日厂商凭借其技术和品牌优势,占据了全球功率半导体器件市场的 70%。 21% 5% 4% 41% 7% 23% 二极管 晶闸管 BJT MOSFET IGBT 模块 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 6 大陆、台湾地区主要集中在二极管、低压 MOSFET 等低端功率器件市场,IGBT、中高压 MOSFET等高端器件市场主要由欧美日厂商占据。 我们看好功率半导体的国产代替空间。我国开展功率半导体的研究工作比较晚,且受到资 金、技术及人才的限制,功率半导体产业整体呈现出数量偏少、企业规模偏小、技术水平 偏低及产业布局分散的特点。原始创新问题成为阻碍国内功率半导体产业发展的重要因素。 国际功率半导体厂商尚未形成专利和标准的垄断。相比国外厂商,国内厂商在服务客户需 求和降低成本等方面具有竞争优势。我们认为,功率半导体的国产代替空间十分广阔。 图 4:2016-2022年全球功率半导体市场规模/亿美元 图 5:全球功率半导体市场竞争格局 资料来源:中商产业研究院,天风证券研究所 资料来源:电子工程世界,天风证券研究所 1.3. 汽车电子点燃功率半导体市场 新能源汽车为功率半导体带来了极大的增长潜力。新能源汽车是指采用非常规车用燃料作 为动力来源的汽车,如纯电动车、插电式混合动力汽车。我们预计在 2020 年我国新能源 汽车销量将达 200 万辆,同比增长 53.8%。新能源汽车新增大量功率半导体器件的应用。 2020年全球汽车功率半导体市场规模将达70亿美元。特斯拉model S车型使用的三相异 步电机驱动,其中每一相的驱动控制都需要使用 28 颗 IGBT 芯片,三相共需要使用 84 颗 IGBT芯片。 我国财政部、税务总局联合发布了公告:自2018年1月1日起至2020年12月31日,对 购置的新能源汽车免征车辆购置税,鼓励用户购买新能源汽车。我们认为政策红利将全面 带动市场对功率半导体的需求。 图 6:新能源汽车销量预测 图 7:全球汽车半导体市场规模/亿美元 资料来源:中国产业信息网,天风证券研究所 资料来源:半导体行业观察,天风证券研究所 293 327 363 381 393 409 426 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 亿美元 12% 11% 6% 5% 4% Infineon Texas STM Maxim Qualcomm 1.28 1.76 7.48 33.11 50.7 77.7 90 130 200 0.40% 325% 342.60% 53.10% 53.30% 15.80% 44.40% 53.80% 0.00% 100.00% 200.00% 300.00% 400.00% 0 50 100 150 200 250 销量(万辆) 增长率 55 58 62 66 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2016 2017 2018 2019 2020 市场规模(亿美元) 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 7 图 8:功率半导体在汽车中的应用 资料来源:UMC,天风证券研究所 2. IGBT——硅基功率半导体核心 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管) 和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT 可以 实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率,有逆变和变频的作用。 在结构方面,IGBT比MOSFET多一层P+区,通过P层空穴的注入能够降低器件的导通电 阻。随着电压的增大,MOSFET 的导通电阻也变大,因而其传导损耗比较大,尤其是在高 压应用场合中。相较而言,IGBT的导通电阻较小。 图 9:(a)MOSFET结构图;(b)IGBT结构图 资料来源:ElectronicDesign,天风证券研究所 表 1:IGBT与BJT、MOSFET性能比较 比较项目 BJT MOSFET IGBT 驱动方式 电流 电压 电压 开关速度 慢(微秒) 快(纳秒) 中等 工作频率 低(≤100KHz) 高(≤1MHz) 中等 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 8 导通电阻 低 高 低 资料来源:半导体行业观察,天风证券研究所 IGBT 多应用于高压领域,MOSFET 主要应用在高频领域。从产品来看,IGBT 一般应用在 高压产品上,电压范围为600-6500V。MOSFET 的应用电压相对较低,从十几伏到 1000V。 但是,IGBT 的工作频率比MOSFET低许多。MOSFET 的工作频率可以达到1MHz以上,甚 至几十MHz,而 IGBT的工作频率仅有100KHz。IGBT集中应用在逆变器、变频器等高压产 品。而MOSFET主要应用在镇流器、高频感应加热等高频产品。 2.1. IGBT市场格局 全球IGBT市场主要竞争者包括德国英飞凌、日本三菱、富士电机、美国安森美、瑞士 ABB 等,前五大企业的市场份额超过 70%。我们预计在 2022 年全球 IGBT 市场规模将达 60 亿 美元,增量空间巨大。国外厂商已研发出完善的 IGBT 产品系列。其中,仙童等企业在消 费级IGBT领域处于优势地位。ABB、英飞凌和三菱电机在1700V以上的工业级IGBT领域 占据优势。在3300V以上电压等级的领域,英飞凌、ABB和三菱电机三家公司居垄断地位, 代表着国际IGBT技术的最高水平。 图 10:2017年全球IGBT市场份额 图 11:2016-2022年全球IGBT市场规模/亿美元 资料来源:赛迪智库,天风证券研究所 资料来源:搜狐科技,天风证券研究所 图 12:国际IGBT市场产业链 29% 19% 12% 9% 5% 26% Infineon 三菱 富士电机 On Semi ABB 其他 42.9 46.8 50.7 54.2 57.7 62.8 67.2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 亿美元 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 9 资料来源:Yole,天风证券研究所 国产追赶仍需时间。中国功率半导体市场占世界功率半导体市场份额的 50%以上,但在中 高端MOSFET及IGBT器件中,90%依赖于进口。 图 13:中国IGBT市场产业链 资料来源:EPSNews,天风证券研究所 2.2. IGBT应用广泛,新能源车是重要下游增长引擎 按电压分布来看,消费电子领域运用的IGBT产品主要在600V以下,如数码相机闪光灯等。 1200V 以上的 IGBT 多用于电力设备、汽车电子、高铁及动车中。动车组常用的 IGBT 模块 为3300V和6500V。智能电网使用的IGBT通常为3300V。 图 14:IGBT的应用领域及电压分布 资料来源:半导体行业观察,天风证券研究所 2.2.1. 新能源汽车 电机控制系统和充电桩是车用 IGBT 的主要增长点。电力驱动系统将电能转换为机械能, 驱动电动汽车行驶,是控制电动汽车最关键的部分。IGBT在电力驱动系统中属于逆变器模 块,将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。IGBT约占新能源汽车电机驱动 系统及车载充电系统成本的 40%,折合到整车上约占总成本的 7~10%,其性能直接决定了 整车的能源利用率。汽车半导体行业的认证周期长,标准非常严苛。一方面,汽车的大众 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 10 消费属性使得它对 IGBT 的寿命要求比较高。另一方面,汽车面临着更为复杂的工况,需 要频繁启停、爬坡涉水、经历不同路况和环境温度等,对IGBT是极为严苛的考验。 2.2.2. 轨道交通 在高铁短时间内将时速从零提升到 300 公里的过程中,需要通过 IGBT 来确保牵引变流器 及其他电动设备所需要的电流、电压精准可靠。IGBT在轨道交通领域已经实现了全面的国 产化。 2.2.3. 智能电网 IGBT 广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端。从发电端来看,风力发 电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用 IGBT 模块。从输电端来看,特高压直流输 电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT功率器件。从变电端来看,IGBT是电力电子 变压的关键器件。从用电端来看,家用LED照明等都对IGBT有大量的需求。 图 15:电能产业链 资料来源:英飞凌官网,天风证券研究所 3. 第三代化合物半导体——前景广阔,产业变革 3.1. SiC——高压器件领域的破局者 SiC是第三代半导体材料的代表。以硅而言,目前Si MOSFET 应用多在1000V以下,约在 600~900V之间,若超过1000V,其芯片尺寸会很大,切换损耗、寄生电容也会上升。SiC 器件相对于 Si器件的优势之处在于,降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC功 率器件的损耗是 Si 器件的 50%左右。SiC 主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻 化。 图 16:SiC的开关损耗 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 11 资料来源:电子工程网,天风证券研究所 英飞凌和科锐占据了全球 SiC 市场的 70%。罗姆公司在本田的 Clarity 上搭载了 SiC 功率器 件,Clarity是世界首次用Full SiC驱动的燃料电动车,由于具有高温下动作和低损耗等特点, 可以缩小用于冷却的散热片,扩大内部空间。丰田的燃料车 MIRAI 可以坐 4 个人,本田的 Clarity实现了5人座。 图 17:全球 SiC产业链 资料来源:Semiconductor Today,天风证券研究所 2017年全球SiC功率半导体市场总额达 3.99亿美元。预计到 2023年市场总额将达 16.44 亿美元,年复合增长率 26.6%。从应用来看,混合动力和纯电动汽车的增长率最高,达 81.4%。 从产品来看,SiC JFETs的增长率最高,达38.9%。其次为全SiC功率模块,增长率达 31.7%。 图 18:SiC功率半导体市场按应用划分 图 19:SiC功率半导体市场按产品划分 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 12 资料来源:英飞凌报告,天风证券研究所 资料来源:英飞凌,天风证券研究所 政策支持力度大幅提升,推动第三代半导体产业弯道超车。国家和各地方政府持续推出政 策和产业扶持基金支持第三代半导体发展。2018年7月国内首个《第三代半导体电力电子 技术路线图》正式发布,提出了中国第三代半导体电力电子技术的发展路径及产业建设。 福建省更是投入500亿,成立专门的安芯基金来建设第三代半导体产业集群。 3.2. GaN——应用场景增多,迎来发展机遇 由于 GaN 的禁带宽度较大,利用 GaN 可以获得更大带宽、更大放大器增益、尺寸更小的 半导体器件。GaN器件可以分为射频器件和电力电子器件。GaN的射频器件包括PA、MIMO 等面向基站卫星、雷达市场。电力电子器件产品包括 SBD、FET 等面向无线充电、电源开 关等市场。 图 20:GaN的应用领域及电压分布 资料来源:Electronics Weekly,天风证券研究所 英飞凌、安森美和意法半导体是全球 GaN市场的行业巨头。我们预计到2026年全球GaN 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 13 功率器件市场规模将达到 4.4 亿美元,复合年增长率 29.4%。近年来越来越多的公司加入 GaN的产业链。如初创公司EPC、GaN System、Transphorm等。它们大多选择台积电或 X-FAB为代工伙伴。行业巨头如英飞凌、安森美和意法半导体等则采用 IDM模式。 图 21:全球GaN产业链 资料来源:Semiconductor Today,天风证券研究所 图 22:全球GaN市场规模 资料来源:Maximize Market Reasearch,天风证券研究所 3.3. SiC VS GaN——各有擅长,应用驱动 3.3.1. 基本特性 SiC适合高压领域,GaN更适用于低压及高频领域。较大的禁带宽度使得器件的导通电阻 减小。较高的饱和迁移速度使得 SiC、GaN 都可以获得速度更快、体积更小的功率半导体 器件。但二者一个重要的区别就是热导率,这使得在高功率应用中,SiC 居统治地位。而 GaN因为拥有更高的电子迁移率,能够获得更高的开关速度,在高频领域,GaN具备优势。 SiC适合1200V以上的高压领域,而 GaN更适用于40-1200V的高频领域。 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 14 表 2:SiC、GaN性能比较 半导体材料 Si SiC GaN 带隙(eV) 1.12 3.26 3.42 饱和迁移速度(cm/s) 1.0*107 2.0*107 2.5*107 电子迁移率(cm2/Vs) 1350 900 1000 介电常数 11.9 9.7 9.8 资料来源:半导体行业观察,天风证券研究所 目前商业化 SiC MOSFET的最高工作电压为 1700V,工作温度为 100-160℃,电流在65A 以下。SiC MOSFET现在主要的产品有650V、900V、1200V和1700V。在2018年国际主 要厂商推出的SiC新产品中,Cree推出的新型E系列SiC MOSFET是目前业内唯一通过汽 车AEC-Q101认证,符合PPAP要求的SiC MOSFET。 图 23:SiC晶体管的性能 资料来源:Mouser,天风证券研究所 表 3:2018年SiC新产品 序号 时间 厂商 产品 参数 特点 1 2018年3月 UnitedSiC SiC Cascade FETs 650V/31-85A/27mΩ 把SiC JEFTs器件 和定制设计的经 ESD保护的Si MOSFET级联并 封装在一起,同时 提供低导通和低栅 极电荷以降低系统 损耗。 2 2018年3月 Littelfuse SiC MOSFET 1200V/18A/120m Ω 1200V/14A/160m Ω 超低导通电阻 3 2018年4月 Microsemi SiC MOSFET 1200V 高雪崩特性 4 2018年5月 UnitedSiC SiC Cascade FETs 1200V/40mΩ, 1200V/80mΩ UJ3C系列产品 0 50 100 150 200 250 300 0 500 1000 1500 2000 电流( A) 电压(V) 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 15 5 2018年6月 Cree SiC MOSFET 1200V C3MTM系列产品 6 2018年8月 Cree SiC MOSFET 900V 新型E系列SiC MOSFET是目前 业界唯一通过汽车 AEC-Q101认证, 符合PPAP要求的 MOSFET。 7 2018年9月 Littelfuse SiC MOSFET 1700V/1Ω 支持电动和混合动 力汽车、数据中心 和辅助电源等高 频、高效电源控制。 资料来源:半导体行业观察,天风证券研究所 目前商业化 GaN HEMT的最高工作电压为 650V,工作温度为 25℃,电流在120A以下。 GaN HEMT现在主要的产品有100V、600V和650V。 在2018年国际主要厂商推出的GaN 新产品中,GaN Systems的GaN E-HEMT系列产品实现了业内最高的电流等级,同时将系 统的功率密度从 20kW 提高到了 500kW。而 EPC 生产的 GaN HEMT 是其首款获得汽车 AEC-Q101认证的GaN产品。其体积远小于传统的Si MOSFET,且开关速度是Si MOSFET 的10-100倍。 图 24:GaN晶体管的性能 资料来源:Mouser,天风证券研究所 表 4:2018年GaN新产品 序号 时间 厂商 产品 参数 特点 1 2018年2月 GaN Systems GaN E-HEMT 650V/120A 业内最高电流等 级,将系统功率密 度从20KW 提高到 500KW。 2 2018年3月 GaN Systems GaN E-HEMT 100V/120A/5mΩ 业内最高电流等级 3 2018年3月 EPC GaN解决方案 150V/70mΩ /7MHz 单片集成IC,可以 消除高频工作时的 互连电感。 4 2018年3月 德州仪器 GaN驱动器 50MHz 业内最小、最快的 GaN驱动器,晶圆 封装尺寸仅 0 50 100 150 200 250 300 0 100 200 300 400 500 600 700 电流( A) 电压(V) 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 16 0.8mm*1.2mm。 5 2018年5月 EPC GaN HEMT 80V/脉冲电流 75A/16mΩ,80V/ 脉冲电流18A/73m Ω EPC首款获得汽车 AEC-Q101认证的 GaN产品。其体积 远小于传统的Si MOSFET,且开关 速度是Si MOSFET的 10-100倍。 6 2018年6月 Transphorm GaN FET 650V/35mΩ, 650V/50mΩ Gen III系列产品 7 2018年6月 英飞凌 GaN HEMT 400V,600V CoolGaN系列产品 8 2018年6月 Exagan GaN解决方案 30-65mΩ G-FETTM晶体管和 G-DRIVETM智能快 速开关解决方案 9 2018年9月 EPC GaN HEMT 100V/脉冲电流 37A 尺寸比等效硅器件 小30倍。 10 2018年11 月 英飞凌 GaN解决方案 CoolGaN 600V E-HEMT+驱动IC GaN解决方案 资料来源:半导体行业观察,天风证券研究所 目前商业化 SiC功率模块的最高工作电压为 3300V。2018年1月,三菱电机开发的全SiC 功率模块通过 SiC MOSFET 和 SIC SBD 一体化设计,实现了业内最高的功率密度 (9.3kVA/cm3)。 表 5:2018年SiC功率模块新产品 序号 时间 厂商 产品 参数 特点 1 2018年1月 三菱电机 全SiC功率模块 6500V 通过SiC SBD和 SiC MOSFET一体 化设计,实现了业 界最高的功率密度 (9.3kVA/cm3)。 2 2018年6月 罗姆 全SiC功率模块 1200V/400A,1200V/600A 面向工业设备用电 源及UPS等的逆 变器、转换器。 3 2018年10月 罗姆 全SiC功率模块 1700V/250A 采用新涂覆材料和 工艺预防了绝缘击 穿,并抑制了漏电 流的增加。 资料来源:半导体行业观察,天风证券研究所 目前商业化 GaN 功率放大器的最高工作频率为 31GHz。在 2018 年 MACOM、Cree 等企 业陆续推出GaN MMIC PA模块化功率产品,面向基站、雷达等应用市场。 表 6:2018年GaN功率模块新产品 序号 时间 厂商 产品 参数 特点 1 2018年2月 MACOM GaN MMIC PA 同时覆盖Band 42(3.4-3.6GHz)和 Band 43频带 (3.6-3.8GHz) MAGM系列Pas 将GaN-on-SIC技 术与MMIC封装相 结合,具有卓越的 功率效率,满足5G 基站制造的要求。 2 2018年3月 Custom MMIC GaN MMIC LNA 2.6-4GHz/14dB, 无铅4*4毫米QFN 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 17 5-7GHz/20dB, 8-12GHz/15dB 封装,适合要求高 性能和高输入功率 的雷达和电子战应 用。 3 2018年4月 Diamond Microwave GaN SPA X波段/200、400W/饱 和增益55dB SSPA是严苛要求 的国防和航空航天 应用中真空管放大 器的一种替代品。 4 2018年6月 稳懋 GaN PA 0.45μ m/100MHz-6GHz/50V 可用于Massive MIMO等5G应用。 5 2018年6月 Qorvo GaN FET X波段 设计用于下一代有 源电子扫描阵列雷 达。 6 2018年9月 Cree GaN MMIC PA C波段/25W、 50W/28V 用于雷达 资料来源:半导体行业观察,天风证券研究所 3.3.2. 应用场景 SiC主要应用在光伏逆变器(PV)、储能/电池充电、不间断电源(UPS)、开关电源(SMPS)、 工业驱动器及医疗等市场。SiC可以用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。 图 25:GaN功率器件主流应用 资料来源:与非网,天风证券研究所 手机快速充电占据功率 GaN 市场的最大份额。GaN 应用于充电器时可以有效缩小产品的 尺寸。目前市面上的 GaN 充电器支持 USB 快充,以 27W、30W 和 45W 功率居多。领先 的智能手机制造商Apple也考虑将GaN技术作为其无线充电解决方案,这有可能带来GaN 功率器件市场的杀手级应用。 5G应用临近,RF GaN市场快速发展。5G主要部署的频段是用于广域覆盖的sub-6-GHz 和用于机场等高密度区域的 20GHz以上频带。要想满足 5G对于更高数据传输速率和低延 迟的要求,需要GaN技术来实现更高的目标频率。高输出功率、线性度和功耗要求也推动 了基站部署的PA从LDMOS转换为GaN。另外,在5G的关键技术Massive MIMO中,基 站收发信机上使用了大量的阵列天线,这种结构需要相应的射频收发单元,因此射频器件 的使用数量将明显增加。利用GaN的小尺寸和功率密度高的特点可以实现高度集成化的产 品解决方案,如模块化射频前端器件。 图 26:5G带来的功率半导体市场需求 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 18 资料来源:英飞凌报告,天风证券研究所 4. 新能源汽车驱动下的功率半导体市场供需及增量空间测算 我们根据功率半导体的单车价值量和全球新能源汽车的销量来推导新能源汽车所带来的 功率半导体的市场需求。 IGBT是新能源汽车电机控制系统的核心器件。特斯拉Model S车型使用的三相异步电机驱 动,其中每一相都需要使用 28颗IGBT芯片,三相共需要使用84颗IGBT芯片。每颗的价 格大约在4~5美元。我们预计IGBT的单车价值量大约在 420美元左右。根据全球新能源 汽车的销量能够推导出新能源汽车所带来的IGBT市场需求。 表 7:IGBT新能源汽车市场需求测算 2016 2017 2018 2019 2020 IGBT市场需求 (百万美元) 294.5 505.8 599.0 935.6 1562.3 YOY(%) 72% 18% 56% 67% 新能源汽车销量 (百万) 0.77 1.19 1.21 1.89 2.99 IGBT单车价值量 ($) 382.5 425.0 495.0 495.0 522.5 资料来源:搜狐,天风证券研究所 SiC主要用于实现新能源汽车逆变器等驱动系统的小量轻化。2018年,特斯拉Model 3的 逆变器采用了意法半导体制造的SiC MOSFET,每个逆变器包括了48个SiC MOSFET。Model 3的车身比Model S减小了20%。每个SiC MOSFET的价格大约在50美元左右。我们判断 SiC的单车价值量大约在 2500美元左右。 表 8:SiC新能源汽车市场需求测算 2018 2019 2020 SiC市场需求 (百万美元) 3025 4725 7475 YOY(%) 56% 58% 新能源汽车销量 (百万) 1.21 1.89 2.99 SiC单车价值量 ($) 2500 2500 2500 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 19 资料来源:Yole,电子发烧友,天风证券研究所 GaN 技术在汽车中的应用才刚刚开始发展。EPC 生产的 GaN HEMT 是其首款获得汽车 AEC-Q101认证的GaN产品。GaN技术可以提升效率、缩小尺寸及降低系统成本。这些良 好的性能使得GaN的汽车应用来日可期。 我们通过测算IGBT/SiC的新能源汽车市场供需量推测其增量空间。受惠于新能源汽车需求 的显著增长,我们认为 IGBT的增量空间巨大。SiC市场可能会出现供不应求的情况。高成 本是限制各国际厂商扩大 SiC产能的重要因素。 表 9:汽车功率半导体市场供需测算及增量空间 2016 2017 2018 2019 2020 IGBT市场需求 (百万美元) 294.5 505.8 599.0 935.6 1562.3 IGBT市场供给 (亿美元) 42.9 46.8 50.7 54.2 57.67 YoY(%) 9% 8% 7% 6% IGBT增量空间 (百万美元) 3995.5 4174.2 4471.0 4484.4 4204.7 SiC市场需求 (百万美元) 3025 4725 7475 SiC市场供给 (亿美元) 3.6 4.6 5.9 YOY(%) 28% 28% SiC增量空间 (百万美元) 575 -125 -1575 资料来源:搜狐,Yole,电子发烧友,电子天风证券研究所 5. 海外&
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