功率半导体行业历史及发展驱动力是什么？

历经整合洗牌，行业格局渐清晰。

回顾功率半导体行业历史，市场需求驱动力来源于用电场景的变化，从消费电子外延至高铁、变频白电、工控及新能源。我们以英飞凌、安森美、意法半导体三大功率器件厂商营收增速及各公司年报为参考对行业增长动因进行剖析：2013年前，功率器件需求来源集中在消费电子、传统汽车、照明等领域，2013年-2015年随亚洲光伏设施扩建，高铁快速发展为中高压功率器件如IGBT 带来了应用场景及需求；而后 2016 年后由于对工业用电效率提升及家电功耗降低的要求，“变频化”成为了此阶段功率半导体的新增动能，IPM 等模块产品大量开始应用。自2020年开始，新能源发电与新能源汽车从试点、推广向需求驱动阶段转变，用电场景大幅增加，功率半导体进入景气长周期。

市场集中度不高，第一大厂商市占率不到 20%。从CR5 的集中度及各厂商市占率看，2014 年前功率半导体市场集中度较低，各家市占率接近，在经历2010-2013年的下行周期后，2014-2016 年行业进入并购整合期，行业集中度大幅提升：2015年英飞凌完成美国国际整流器公司(IR)的并购，收购韩国企业LS Power Semitech的所有股权、收购专注于驾驶辅助系统的 PCB 制造商Schweizer ElectronicandTTTech 的股权，NXP freescale 合并，安森美半导体(On Semiconductor)宣布并购仙童半导体(Fairchild)，行业重整后龙头效应凸显，CR5 稳定格局已成。进入 2019 年各家开始新一轮并购，CR5 格局至今保持稳定：Diodes 宣布收购德州仪器晶圆制造厂 GFAB，英飞凌收购赛普拉斯提升汽车半导体市占率，罗姆宣布收购松下半导体的二极管和三极管业务以扩充汽车、工业市场份额，安森美半导体宣布以 4.3 亿美元收购格芯位于美国纽约州的300mm 晶圆厂获取格芯先进的CMOS、MOSFET 和 IGBT 制造能力，瑞萨以 67 亿美元收购IDT。

2021-2025 年全球功率器件市场将由 259 亿美元增至357 亿美元，年复合增速约为 8.4%。其中，宽禁带半导体如碳化硅、氮化镓市场增速最快均超40%，结合Omdia、Yole 数据，我们测算 25 年全球碳化硅器件市场将达43 亿美元（占12%）；IGBT为最主要器件，受益于汽车、新能源等新增应用，市场规模将从21 年9.7亿美元快速增至 136 亿美元（占 38%），年复合增速约为12.8%；MOSFET 消费类应用等存量市场下降而汽车、新能源等新增应用增长，市场基本保持稳定，25 年市场规模约为 104 亿美元（占 29%）。

2025 年汽车和工控将成为功率器件最主要市场，占比达41%和30%。结合Omdia、Yole 数据，我们测算 2025 年全球汽车（含新能源汽车）功率器件市场将增至142亿美元(占 41%)，21-25 年复合增速最快为 18%，工控市场将增至107 亿美元(占30%)，21-25 年复合增速为 13%，新能源发电市场将增至20 亿美元(占6%)，21-25年复合增速达 13%；此外，电网市场将增至 8 亿美元(占2%)，21-25 年复合增速达 19%.

新能源汽车中电能取代燃油成为汽车驱动的能量来源，每次电流电压的变换均需用到功率器件。“三电系统”即电池、电机及电控系统取代汽油发动机、油箱或变速器；同时，配套新增 DC-DC 模块、电机控制系统、电池管理系统及高压电路等系统以完成电能在汽车中的分配与管理。以纯电动汽车为例，在驱动端，电流依次经外部充电设备、车载充电机 OBC（输入为交流电流时使用）、电池、逆变器、电机电控、减速箱及车轮，同时通过电池管理系统进行能量管理；在车身及辅助系统端，电流从电池处流出，经过 DC-DC 转换器、低压电池、辅助系统。

汽车电动化加速，功率器件单车价值量最多将增至700 美金以上。根据英飞凌汽车事业部数据，汽车电动化和智能化芯片市场未来五年将分别以22%和21%的复合增速快速增长，21 年纯电动汽车功率器件单车价值量约450 美元，其中主逆变器占 70%，车载充电器（OBC）、BMS 及 DC-DC 电源等系统占30%。随着自动驾驶、汽车功率提升、碳化硅及氮化镓加速渗透，25 年纯电动汽车功率器件单车价值量将约 700 美元。

工业电机及其控制系统的用电量将增至全球耗电量的一半，其中通用变频器占60%。根据英飞凌数据，预计到 2040 年工业电机系统中电机耗电量将占60%。全球工业驱动市场高压电机变频器（>1kV）占 9%；中低电压驱动（<1kV）占91%，其中约三分之二为通用型占 60%，包括风机、泵类和空气压缩机及升降、起重电机和船舶驱动等领域；约三分之一为伺服驱动，包括协作机器人、物流机器人等。以协作机器人为例，其单机半导体价值量达 350 欧元，其中功率器件约200欧元。

新能源发电带来电网架构变革，光伏、风电、储能及新型电网均为功率器件应用增量。随着光伏、风电及储能等新型直流装备将接入配电网，配电网的整体架构随之发生变化。直流设备接入交流电网再以直流或交流的形式分配于储能设备中，每次电能变换均需用到功率器件。根据英飞凌数据，光伏、风电与储能的逆变器等配电装置单位 MW 的功率器件价值量分别在 2000-3500、2000-5000、2500-3500欧元左右。此外，由于配电网遭受的扰动类型会明显增加，电网中将有越来越多的如中高压大容量 AC-DC 换流器、DC-DC 直流变压器以及直流断路器等装置，对应地 IGBT 等中高压功率器件用量将大幅增加。

家电变频化带来半导体单机价值量提升，白电 IPM 模块国产化空间大。根据英飞凌数据，随着家用空调、商用空调、冰箱、洗衣机和热泵的变频化，变速电机的应用使得半导体单机价值量由 0.7 欧元提升至 9.5 欧元。其中，IPM 模块、IGBT等功率半导体大量应用于变频白电中以实现电流频率的变化。根据产业在线统计，尽管中国已成为全球最大的白色家电生产基地，其中空调占全球80%的产能，冰箱和洗衣机亦超 50%，然而家电 IPM 模块国产比例仍小于15%，国产化空间较大。

碳化硅为增速最快的功率器件 21-25 年 CAGR 42%，预计25 年全球碳化硅器件市场将超 43 亿美元。与 Si 相比，SiC 击穿场强是 Si 的10 倍，这意味着同样电压等级 SiC MOSFET 外延层厚度只需要 Si 的十分之一，对应漂移区阻抗大大降低；且 SiC 禁带宽度是 Si 的 3 倍，导电能力更强。同时，SiC 热导率及熔点非常高，是 Si 的 2-3 倍；SiC 电子饱和速度是 Si 的 2-3 倍，能够实现10 倍的工作频率；因此与 IGBT 相比，SiC 器件开关损耗最多可减少 74%。

结合 Yole 数据，我们预计 SiC 器件市场将从 2021 年10.9 亿美元增至2025年43亿美元以上，复合增速达 42%。其中，新能源汽车将从2021 年6.7 亿增至2025年 34 亿美元，复合增速 51%，占整个市场 80%。除汽车外，光伏、风电及储能等新能源市场将从 2021 年 1.54 亿美元增加至 2025 年5.14 亿美元，此外，充电设施、轨道交通和电机驱动等领域也将快速增加。