功率半導體，又稱電力電子器件或功率電子器件，是電子產業鏈中最核心的一類器件之一。能夠實現電能轉換和電路控制，在電路中主要起著功率轉換、功率放大、功率開關、線路保護、逆變（直流轉交流）和整流（交流轉直流）等作用。

國產晶圓劃片機---博捷芯

功率半導體包括功率半導體分立器件（含模塊）以及功率 IC 等。其中，功率半導體分立器件，按照器件結構劃分，可分為二極管、晶閘管和晶體管等。

據中商產業研究院數據，功率半導體分立器件中，以 MOSFET 和 IGBT 為代表的晶體管占比最大，約 28.8%。

從目前市場需求來看，硅基 MOSFET、硅基 IGBT 以及碳化硅為目前功率半導體分立器件的主力產品。本文也將重點圍繞硅基 MOSFET、IGBT 和碳化硅等功率分立器件（含模塊）展開分析和研究。

?MOSFET，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、制造工藝簡單和輻射強等優點，通常被用于放大電路或開關電路。MOSFET 按照不同的工藝可分為平面型Planar MOSFET、溝槽型 Trench MOSFET、屏蔽柵 SGT MOSFET 和超級結SJMOSFET。按照導電溝道可分為 N 溝道和 P 溝道，即 N-MOSFET 和 PMOSFET。按照柵極電壓幅值可分為耗盡型和增強型。

隨著 MOSFET 技術和工藝不斷成熟，成本將不斷下調。中高端產品也將逐漸向中低端產品下沉。比如 Trench MOSFET 將從中端下沉至中低端，替代部分平面MOSFET 的低端市場。SGT MOSFET 將部分替代 Trench MOSFET 的低壓應用市場，從中高端下沉至中端。

SGT MOSFET、SJ MOSFET 和碳化硅 MOSFET 或是 MOSFET 未來三大主力產品。自上世紀70年代 MOSFET 誕生以來，從平面 MOSFET 發展到 Trench MOSFET，再到 SGT MOSFET 和 SJ MOSFET，再到當下火熱的第三代寬禁帶MOSFET（碳化硅、氮化鎵），功率 MOSFET 的技術迭代方向主要圍繞制程、設計（結構上變化）、工藝優化以及材料變更，以實現器件的高性能——高頻率、高功率和低損耗等。

? IGBT 俗稱電力電子裝置的“CPU”，是能源變換與傳輸的核心器件，由 BJT 和 MOSFET 組合而成，是一種全控型、電壓驅動的功率半導體器件。IGBT 沒有放大電壓的功能，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。IGBT 同時具有 BJT和 MOSFET 的優點，即高輸入阻抗、低導通壓降、驅動功率小而飽和壓降低等，IGBT 與 BJT 或 MOS 管相比，其優勢是它提供了一個比標準雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高的工作電壓和更低的MOS 管輸入損耗。因此廣泛應用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路和牽引傳動等場景。

IGBT 相比 MOSFET，可在更高電壓下持續工作，同時需要兼顧高功率密度、低損耗、高可靠性、散熱好、低成本等因素。一顆高性能、高可靠性與低成本的IGBT芯片，不僅僅需要在設計端不斷優化器件結構，對晶圓制造和封裝也提高了更高的要求。

中國功率半導體發展現狀

產品由低端逐步走向中高端，國產替代空間廣闊。我國功率半導體產業仍處于起步階段，總體呈現產業鏈完整、廠家多、發展迅速等特點。截止 2022 年 4 月，中國功率半導體相關企業已超 320 家。主要分布在廣東（130 家）和江蘇（56 家）等東南沿海地區。

國產功率半導體已在眾多領域應用，特別是低端產品，如二極管、三極管、晶閘管、低壓 MOSFET（非車規）等，已初現“規模化效應、國產化率相對較高”等特點。在中高端領域，如 SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特別是車規產品，由于起步晚、工藝相對復雜以及缺乏車規驗證機會等問題，國內廠家依然在追隨海外廠家技術發展路線。但近年來，市場逐漸從依賴進口向國內自給自足轉變，國產替代潛力大。

芯片進口金額持續處于高位，功率半導體市場空間足夠大。據中國海關總署數據，2021年，中國進口集成電路 6354.8 億個，同比增長 16.92%。全年進口金額累計為4325.54 億美元，同比增漲 23.59%。中國為功率半導體消費大國，2021 年中國功率半導體市場規模約為183億美元，同比增長 6.4%，預計 2022 年將進一步增長至 191億美元。

國家和地方政策支持，加速國產替代進程。受益于國家和地方政府的鼓勵政策，國內電動汽車與充電樁、光伏與儲能等領域需求增長，功率半導體競爭格局有望被重塑——國內功率半導體的國產化進程有望加速。

圖表 8：截止 2022 年 3 月，國家層面有關功率半導體領域的部分重點政策規劃

功率半導體前景廣闊，

汽車、充電樁和光伏多輪驅動

功率半導體應用前景廣闊，幾乎涵蓋了所有電子產業鏈。以 MOSFET、IGBT以及SiC MOSFET 為代表的功率器件需求旺盛。根據性能不同，廣泛應用于汽車、充電樁、光伏發電、風力發電、消費電子、軌道交通、工業電機、儲能、航空航天和軍工等眾多領域。

Yole 數據預測，至 2025 年，全球功率半導體分立器件和模塊的市場規模將分別達到 76 億美元和 113 億美元。據中國產業信息網數據，2023 年中國大陸地區IGBT 市場規模預計達到 290.8 億元，同比增長 11.6%。據中國半導體器件行業現狀深度分析與未來投資預測報告數據，2023 年中國大陸地區 MOSFET 市場規模將達到 396.2 億元（56.6 億美元，人民幣兌美元匯率按照 7 計算），同比增長 4.8%。

圖表 10：中國市場 IGBT 和 MOSFET 市場規模預測（億元，2020-2023E）

以 MOSFET 為例，據 Yole 預測，到 2026 年，全球 MOSFET（包括分立器件和模塊）市場總規模預計將達到 94.8 億美元，復合增長率達 3.8%（2020 年至 2026

年）。

MOSFET 汽車應用（電動汽車和汽車充電樁占比居首位，高達33%，其中電動汽車和充電樁分別占比 25%和 8%。從耐壓范圍看，到 2026 年，低壓 MOSFET（0-40V）占總需求的 39%，中壓（41V-400V）占 26%，高壓（大于等于 600V）廣泛應用在 220V 系統中，占總需求的 35%。同時，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET市場滲透率在逐步提高。

2020 年以來，電動汽車、汽車充電樁和光伏逆變器可謂拉動功率半導體增長的三駕馬車。

? 電動汽車：電動汽車進一步滲透終端消費市場，帶動功率器件和模塊需求快速增長。特別是 MOSFET 和 IGBT（包括單管及模組）的增長較為顯著。據貝殼投研數據，2021年中國車規級IGBT 市場規模為 47.8 億元，預計到 2025 年，其將達到 151.6 億元。據芯謀研究數據，2021 年和 2025 年中國車規 MOSFET 的市場規模分別為 73.5 億元（10.5 億美元，匯率按7計算）和 122.5 億元（預測數據，17.5 億美元，匯率按7計算）。

圖表 12：中國車規級 IGBT 市場規模及增速

圖表 13：中國車規級 MOSFET 市場規模及增速

? 充電樁：受益于新能源汽車快速增長，與之配套的充電樁市場亦呈現快速發展態勢。據億渡數據預測，至 2026 年，中國充電設施市場規模將達 2870.2億元，2022 年到 2026 年復合增長率高達 37.83%。從直流充電樁相關零部件分解可以看出，充電機是充電樁的最核心部件，成本占充電樁的 50%以上，而功率半導體是充電機的最核心組成部分，成本占充電機的一半以上。

? 光伏：據中國光伏行業協會數據，至 2025 年，中國新增光伏裝機保守預測為90GW，同比增長10%。據未來智庫數據預測，2025 年中國光伏逆變器市場規模達 196 億元。

逆變器是光伏系統的心臟，中高壓 MOSFET、IGBT 及碳化硅等功率器件是光伏逆變器的核心，其決定著光伏逆變器的性能高低，進而直接影響光伏系統的穩定性、發電效率以及使用壽命。據中商產業研究院數據，光伏逆變器主要由機械件、電感和半導體器件構成，分別占比 27.6%、14.2%、11.8%。

表 16：中國新增光伏裝機預測（GW）

圖表 17：光伏逆變器成本分解

綜上，在電動汽車、充電樁以及光伏逆變器等多輪驅動下，功率器件有望穩健增長，為千億賽道奠定堅實路基。

2. 汽車電動化大勢所趨，功率半導體深度受益

汽車的百年史里，數次技術變革都極大的推動了汽車消費和汽車工業的發展，如發動機控制、自動變速、底盤、主被動安全、通信及多媒體影音等技術。雖然這些技術給汽車的駕駛感受和舒適性都帶來了提升，但汽車能源供給方式、駕駛方式以及驅動方式都沒有發生變化。

如今，傳統燃油車動力和傳動系統將被電動車的大、小三電系統取代。自動駕駛、線控底盤、網聯化和軟件化，車、路和云端協同等賦予了汽車新的定義和生命力。汽車已不再單單是一個載客的交通工具，而是被定義為一個智能科技終端、可以在其中工作和休閑的第三移動空間。

2.1 電動汽車加速滲透，IGBT、MOSFET 最先受益

電動汽車作為新能源汽車的最重要載體和代表，是承載先進汽車科技的代名詞，也逐漸成為消費者選擇的主流。而中國已成為引領全球電動汽車技術發展的最大的新能源汽車產銷市場。2016 年中國電動汽車市場滲透率僅有 1%。而在疫情等外界因素影響之下，2022 年前三季度中國電動汽車市場滲透率已經達到 24%，實現了飛躍式增長。

2022 年 1-9 月份，全球新能源汽車銷量再創新高，達 726 萬輛，同比增長 67.56%。其中歐洲銷售 166 萬輛，同比增長 6.68%；美國銷量快速提升，達 72 萬輛，同比增長59.67%；中國新能源汽車銷量繼續領跑全球，銷量達到 400 多萬輛，同比增長 110%。全球新能源汽車累計銷量突破 2500 萬輛。

2022 年 1-12 月份，中國新能源汽車銷量共計 688.7 萬輛，同比 2021 年增加 1 倍。可見，即使上半年疫情影響帶來的供應鏈中斷、動力電池上游原材料漲價以及多數汽車芯片依然緊缺的形勢下，新能源汽車銷售市場熱情不減。如比亞迪增長最為顯著，全年累計銷售 186.85 萬輛，同比增長 152.5%，其中純電車型銷量突破 91.1 萬輛。

車載功率半導體穩健發展，離不開高壓平臺應用的助推。整車動力電池電壓平臺有望將逐漸從現有的 400V 升級到 800V系統，以滿足消費者對電動汽車的長續航、快速充電等期待，而這將對功率半導體的性能參數提出了更高的要求，中高壓功率器件如 SJMOSFET、IGBT和碳化硅 MOSFET將會在車端大量應用，其單車價值量有望繼續提升。

據半導體行業縱橫數據，混動和純電動汽車上功率半導體價值量分別占單車半導體總價值的 40%和 55%。據英飛凌統計數據，純電動汽車半導體價值量預估在 1000 美元左右，而功率半導體達 550-600 美元左右。而車載功率半導體中最具代表的即 IGBT 和MOSFET。

車規功率半導體需求強勁，電動化與高壓化是兩大重要推動力。隨著汽車電動化、高壓化逐步滲透，功率半導體在電動汽車上單車價值量有望進一步提高。

? 在傳統燃油車上，單車功率半導體價值量在 71 美元左右。且主要以中、低壓MOSFET 應用為主，比如在車門、車窗、座椅調節、后視鏡、儀表、影音、HUD、自動啟停、雨刷、天窗、轉向 ECU、制動 ECU、安全氣囊、空調電動水泵、座艙儀表燈、前后視大燈驅動等涉及電機等應用場景大量使用。MOSFET 單車用量超100 顆。比如單個轉向 ECU 中使用數量達 8 顆。平均單價 2-10 元人民幣不等。

? 電動汽車包括純電動，插電混動，混動（中混和強混）等。在此類汽車上，電機驅動、照明、熱管理、電動汽車主驅逆變器、DC/DC、升壓器和 OBC（車載充電器）等產品將依據各自的工作功率大小，選擇不同的功率半導體器件。高、中、低壓硅基 MOSFET、IGBT 和 SiC MOSFET 均有廣泛使用。

不同類型的功率半導體分立器件和模塊，在汽車上都能找到應用的落腳點。車載功率半導體種類多，在做選型時，成本和效率是最關鍵的兩大要素。首先需要考慮需要多大功率，再去匹配多大的電壓和電流，再結合系統效率和成本最終設計出一套最優方案。功率半導體分立器件和模塊根據在車上不同的系統應用，則選用不同規格的器件。

由此可見，功率半導體在電動汽車上應用場景非常廣泛。不同種類，不同規格的產品都能匹配到不同的系統應用。電動汽車銷量穩健增長，最先獲益的有望是當前具代表性的功率半導體——硅基 MOSFET、IGBT 以及碳化硅。

2.2 加快產品開發驗證，重塑車規競爭格局

海外廠家依然是供貨主體，本土企業份額有望持續擴大。由于車規芯片對可靠性、安全性、試驗等要求相對苛刻，且汽車行業供應鏈相對封閉，車規功率半導體國產化率一直以來比較低。歐、美、日等地的廠家憑借多年的技術積累和先進的制造能力等占據著市場主導地位。

據 Omdia 數據，英飛凌和安森美穩居全球功率半導體銷售額第一和第二的位置，而其后排名相對動態。日本在全球功率半導體前十的榜單中占據五席，實力非常強勁。安世半導體是國內為數不多的被列入全球第一梯隊的功率半導體廠家，2021 年排名第八，相比 2019 年上升一名。

圖表 25：全球前十大功率半導體廠商排名（億元，人民幣與美元匯率按 7 計算）

? 英飛凌——全球功率半導體龍頭。英飛凌引領全球功率半導體市場，其功率半導體出貨量占全球總市場近 40%，已經連續多年居首位。國內多數車廠都采用英飛凌方案，特別是用于主驅逆變器里的 IGBT 單管和模塊。同時也有不少做模塊封裝的廠家從英飛凌采購晶圓。

英飛凌在車載 IGBT 產品上取得的不菲成績離不開其多年持續的研發投入、技術創新、戰略投資和并購、與供應鏈上下游深度合作以及超前的戰略眼光和對市場未來發展趨勢的精準預判。

? 安森美——穩坐功率半導體第二把交椅。功率半導體一直占據安森美總營收的半壁江山。汽車為安森美最大營收來源，2022 年第四季度汽車收入達 9.89億美元，占總營收的 47.01%，同比增長 54%，創下新記錄。

圖表 27：安森美財務數據

美歐日等國功率半導體企業具備技術、產能、體系、人才和管理等眾多優勢，市場地位依然穩固。而中國作為全球最大功率半導體消費市場，近年來發展勢頭良好。截止 2022 年 4 月份，相關企業超 300 家，產業鏈布局完整，其中不乏一些技術實力深厚的 IDM、Foundry 和 Fabless 企業。

以安世半導體、比亞迪半導體、斯達半導、中車時代電氣和士蘭微等為代表的功率半導體企業，在技術沉淀、車規認證、制造工藝、試驗測試、技術支持、體系搭建、上車批量驗證、問題解決以及產能提升和人才培養方面都積累了寶貴經驗。

圖表 29：中國功率半導體代表企業銷售額（億元）

在車規功率半導體中，MOSFET 和 IGBT 最具代表性。

? 車規 MOSFET：車規 MOSFET 不論在燃油車上還是電動車上，應用非常廣泛，且 MOSFET 產品主要被海外企業壟斷。

自 2020 年以來，海外頭部供應商都相繼面臨產能緊張、漲價和斷供等問題。此時，對于一直在等候卻缺乏合適契機進入車載領域的本土廠商來說，正是切入汽車供應鏈的絕佳時機。經過兩年的蓄勢，國內部分相關企業在上車批量供貨的同時，同步在加快新的車規 MOSFET 的研發和驗證。

低壓 MOS——主要以 40V，60V、100V Planar 平面型、Trench 溝槽型和 SGT屏蔽柵 MOSFET 為主。因為單車用量大、應用場景多且復雜，自 2021 年以來，市場缺貨嚴重。

中壓 SGT MOSFET：車規級 SGT MOSFET 工作電壓范圍通常在 30V-250V 之間的 MOSFET 產品，其中中壓（100V-250V）一般并聯多個 MOSFET 單管用于 A00 級小型電動汽車或中混車輛（動力電池電壓在 200V 上下）的主驅逆變器、OBC、DC/DC、空調壓縮機等零部件當中起到逆變、整流等作用。

高壓 SJ MOSFET，車規級 SJ MOSFET 工作電壓通常在 650V-900V，主要用于當前廣泛搭載的 400V 動力電池平臺汽車的主驅逆變器、OBC、DCDC 和 PTC等產品上。

? 車規 IGBT：IGBT 通常分為單管、模塊和 IPM 模塊。全球車載 IGBT 和 MOSFET一樣，主要被美歐日等國家的廠家壟斷。如英飛凌、安森美、富士電機、三菱電機和賽米控等。其中，英飛凌占據車規 IGBT 主要市場份額，英飛凌最早在 2007年推出車規級 IGBT 模塊——HybridPACK 系列。在國內市場，比亞迪、斯達半導和時代電氣穩居前十。

IGBT 已發展至第七代，英飛凌作為 IGBT 龍頭，其技術早在 2018 年已經迭代至第七代。第五、六、七代均是在第四代技術基礎上針對大功率、高開關頻率等需求進行的設計優化。不同代差對應不同的器件設計，也對應著不同的器件性能和應用場景。目前國內多數廠家已經發展到了等同英飛凌的第四代和第五代技術，而第四、五代 IGBT 也正好是目前車規 IGBT 應用的主流技術。

功率半導體器件或模塊是電機控制器的心臟。電機控制器、電機和減速器一起組成電動汽車的電力驅動總成。其中，電機控制器是功率半導體器件和模塊的重要應用領域，其主要用途是將動力電池輸出的直流電轉換成驅動電機所需要的三相交流電。

電機控制器由功率半導體器件或模塊、電容、驅動電路板和控制電路板等零部件組成。其中功率半導體器件或模塊占總成本的 37%左右，是電機控制器最為核心的零部件之一。

圖表 32：電驅動總成示意圖和電機控制器成本分解

由于電機控制器是功能安全件，通常消費級或工規級的功率半導體器件和模塊不滿足上車條件。因此長期以來，電機控制器中的功率半導體器件和模塊一直依賴進口。

近年來，電機控制器格局發生變化，本土電機控制器廠家市場份額快速增長，這讓國產功率半導體擁有更多驗證和上車機會，國產功率半導體市場份額將有望進一步擴大。2022 年 Q1，斯達半導、比亞迪半導體和時代電氣市占率分別穩居國內市場第二、第三和第五，分別占比 16.4%、14.5%和 9%。

本土電機控制器廠商引領市場，對車載功率半導體競爭格局有著積極影響。2022年，排名前 20 的電控廠家中，本土廠家占據 12 席。包括 5 家整車廠自制企業、9 家本土第三方非自制企業（包括聯合電子）以及 6 家海外廠家（包括日本的電裝、電產、三菱、日立等四家、法國法雷奧和美國博格華納）。包括整車企業在內（除特斯拉外），總共有 14 家本土企業入圍前 20，占比 7 成。

圖表 34：2022 年 xEV 電控供應商供貨量分布（萬套）

國產電控引領市場，有望助力國產功率半導體上車。目前國內電控產品競爭相對充分，且由本土廠家引領。而國內企業在電控市場上份額的提升，則有望助力國產功率半導體上車。原因如下：

1）供應鏈安全考慮：當功率半導體缺貨時，為保證供應鏈安全，車廠通常采取一品多點采購戰略，即一個電控產品，多家功率半導體供應商按照與車廠約定好的份額供貨。對車廠而言，國產功率半導體通常是此時的選項之一；

2）電控廠家成本控制需要：國產功率半導體成本相比進口器件具備一定優勢。特別是 A00 級和 A0 級這類電動車，其對整車成本控制要求相對較高，國產功率半導體應用較為廣泛。國內電控廠家在面臨海外競爭者壓力的時候，成本是其核心優勢之一。功率半導體作為電控中占比最高的核心器件，國內電控廠家在獲取整車廠項目的時候，通常也會偏愛選用同樣具有成本優勢的國產功率半導體。

3）多數國內車廠和電控廠家加強和國內功率半導體廠家合作，通過投資或戰略合作或成立合資公司的方式，形成優勢互補，共同開發功率半導體產品。這將對國產功率半導體上車應用起著很強推動作用。

圖表 35：2022 年中國純電動汽車電機控制器與功率模塊供應鏈關系

缺芯緩解過后，功率半導體的“技術和成本”或成核心主線。隨著缺芯緩解，海外頭部廠家產能恢復，國內廠家或面臨一定程度上的市場競爭。如何突破重圍，長期來看，技術提升和持續成本優化，以及加快車規產品研發和驗證速度，將有助于重塑市場格局，這將成為國內廠家可持續發展的兩條核心主線。

2.3 車規器件壁壘重重，國產龍頭曙光破曉

在電動汽車銷量快速增長和缺芯的大背景下，國內功率半導體廠家趁勢在上車驗證和批量供貨上取得不菲成績。但由于國內車載功率半導體發展起步較晚、器件開發經驗不足、上車驗證機會不多和可靠性要求高等原因，在“以下諸多方面”與全球第一梯隊的車規功率半導體企業尚存差距，這也正是車規功率半導體壁壘所在。諸多壁壘呈現復雜性、多樣性、綜合性以及普遍性等特點。

設計和制造工藝。車規功率半導體的設計和制造工藝相對成熟，結構相對簡單，對工藝制程要求不高（通常大于 90nm）。車規功率半導體與其他芯片比較，結構和制造工藝有一定差別，且逐漸融合更多的特色工藝（微溝槽、深溝槽和屏蔽柵等）。車規功率半導體在芯片面積、線寬、通態飽和壓降、關斷時間、功率損耗和封裝等方面在持續做設計和工藝優化，以達到大電流、高電壓、低損耗、高開關頻率、魯棒性、散熱快等性能目標。

圖表 36：功率半導體器件技術發展趨勢

目前全球車規級功率半導體器件設計、制造工藝和封裝測試等主要由英飛凌等海外廠商引領。

? 器件設計：功率半導體自誕生以來，從半導體基材的迭代、微溝槽結構的優化、先進封裝、大尺寸晶圓的應用等多個方面進行技術創新。據 Yole數據，功率半導體器件每隔二十年將進行一次產品迭代。相比其他半導體，迭代周期相對慢，這將給國內功率半導體廠家留有充足的發展時間。

目前國內廠商面臨的挑戰主要包括：1）低功耗與高可靠性以及高功率密度三者的平衡；2）滿足高性能和小型化以及低成本三者的平衡；3）產品平臺化和客戶定制要求之間的沖突和平衡；4）車規產品設計、制造等管理體系和流程不健全；

? 晶圓制造工藝：這方面的挑戰有：1）半導體設備長期依賴進口，采購周期長且成本高，設備調試時間長，缺乏經驗；2）生產過程管控以達到晶圓一致性和可靠性的目的；3）適用于車規的材料選型，以達到散熱、高結溫要求；4）小尺寸、先進封裝與成本之間的沖突等。

? 封裝測試：這方面的挑戰有：1）封裝環節，鍵合引線、模具、框架等材料的選擇；2）功率半導體模組的散熱問題和可靠性兩者的平衡；2）缺乏車規試驗條件或測試經驗，具體試驗參數如何設定沒有經驗。

SJ MOSFET、IGBT、碳化硅 MOSFET 作為中高端功率半導體器件，國內廠家在器件設計、晶圓制造工藝和封測環節都面臨不同程度上的挑戰和壁壘。對于追趕者的國產功率半導體廠家而言，技術作為發展的第一要素，技術持續迭代和技術方案的創新或是超越國際巨頭、主導市場地位的最重要條件之一。

質量管理體系。車規功率半導體相比消費和工業產品，對可靠性、質量一致性、環境（耐久、高低溫）、供貨周期以及驗證試驗等要求更高。需要嚴格遵守車規芯片開發流程、質量管理體系、驗證要求等進行以確保車輛行駛安全。

車載功率半導體與其他車規芯片一樣，從芯片定義、設計、原材料采購、供應商管理、生產制造過程、小批量和批量供貨以及售后等，都需要嚴格按照 AECQ-100 試驗要求和 IATF16949 生產制造過程中的要求執行。對于主驅逆變器中的功率半導體單管或模塊，甚至要求按照 ISO 26262 對系統和流程體系進行功能安全認證。

比如，在車規 IGBT 模塊的安全性方面，IGBT 模塊通常由多個 IGBT 單管、SBD以及散熱板等結構組成。IGBT 單管由成百上千個 IGBT 元胞構成。IGBT 模塊實際上車后，若其中一個元胞出現質量問題，則將直接危及整車安全。

國內從事車載功率半導體開發和生產制造的廠商，具有數量多、分布地域廣、產品種類多、技術能力水平參差不齊等特點。除了少數幾家頭部廠家外，車載領域起步相對晚，從事車規產品開發累計時間不長。對車規產品質量管理體系認知仍有待提高，需要未來更長時間上車實踐以提升。

上車機會。傳統燃油車時代，汽車銷量和核心零部件技術均由頭部車廠和供應商把握，海外整車廠和頭部 Tier1 話語權大，故汽車供應鏈相對封閉，新玩家進入大廠供應鏈體系相對困難。

國內車規功率半導體廠家起步晚、技術經驗少、對車規產品認知缺乏。由于缺乏批量上車驗證機會。即使部分有很強研發實力的企業，同樣缺乏批量供貨、驗證產品長期可靠性的機會，從而技術能力一直處在進步緩慢的窘境。且高投入和長期低回報導致部分廠家信心不足甚至放棄車載產品的開發。在此背景下，即形成了對國內功率半導體玩家極為不友好的惡性循環。

新能源汽車的快速上量以及疫情以來的汽車缺芯，特別是特斯拉以及國內的造車新勢力們，打破了汽車供應鏈封閉的外墻，愿意嘗試多條腿走路，這給予了國內包括車載功率半導體廠家在內的汽車零部件供應商們充足的上車機會，也增強了國產替代的確定性，國產車規功率半導體有望迎來份額進一步提升的機會。

圖表 41：汽車供應鏈上、下游格局在逐漸演變

成本。在汽車客戶面臨器件選型時，成本將是一項重要考量的點，同樣滿足客戶需求的產品，分別來自海外廠家和國內廠家，在不缺芯和沒有國產替代要求下，通常客戶可能考慮定點給價優者。

車規功率半導體和其他***類似，因為起步晚、經驗缺乏、產業鏈相對不成熟等特點，研發成本（人工、IP、軟件和工具鏈等）攤銷相對較高、核心原材料依賴進口（框架、模具、引線鍵合相關工藝等）、工藝相對不成熟、良率相對不高、規模化效應相對不突出、車規器件試驗經驗相對缺乏以及固定資產尚處在攤銷初期等，而上述或是造成器件成本相對較高的主要因素。

半導體從業人才。截止 2020 年，國內半導體從業人員人數約 54.1 萬，同比增長 5.7%。預計到 2023 年，人才需求將達 76.7 萬人，人才缺口將近 23 萬人。依前文所述，功率半導體已超 300 多家。需求旺盛背后也隱藏著行業對專業人才的求賢若渴。人才競爭也同樣是半導體企業間實力競爭的重要組成部分。成熟、經驗豐富的人才隊伍是行業發展基石。

3. 供應鏈安全迫在眉睫，國產廠商乘勢而上

2023 年 3 月 3 日，美國商務部將 28 家中國實體加入“EL（Entity List，實體清單）”。自 2018 年中興和華為相繼被制裁以來，美國對中國企業和科研機構等實施多次貿易限制和打壓，目標直指多家半導體相關企業。

3.1 地緣政治+芯片短缺，產業尋求破局之道

2020 年以來，在多重因素影響下，汽車芯片面臨大缺貨。芯片供求不平衡導致芯片期貨交期延后，價格漲價，現貨價格更是一路高走。至今，汽車缺芯雖然已有所緩解，但依然還存在部分芯片供應緊張狀況。

長安汽車領導層就曾公開表示，因缺芯等因素影響，2022 年前三季度，已經減產 60.6 萬輛。據 AFS 預測數據，2022 年因缺芯致汽車減產預計達 450 萬輛，而2021 年這一數據是 1050 萬輛。

半導體產業鏈全球化受阻。長期以來，半導體行業高度依賴全球化產業鏈的協同，彼此分工明確，從設計、制造、封裝、設備、材料、軟件等全球通力合作，得以成就全球半導體產業碩果。但是，近年來國際局勢已經徹底改變了半導體制造商面臨的處境，全球化和自由貿易變得舉步維艱。

國產替代，功率半導體先行。在缺芯之下，功率半導體因為需求大、技術門檻相對較低、國內產業鏈基礎好，且在消費和工業等有多數產品量產和應用，將有望成為最先被國產化的領域之一。

***產量逐年增加，國產替代內部驅動力增強。據國家統計局數據，2021年中國集成電路累計產量達 3594 億塊，同比增長 37.48%。從 2011 年至今的國內集成電路產量數據可以看出，面對日益增長的市場需求，國內集成電路行業發展穩健，產量逐年提高。

圖表 46：2011-2021 年中國集成電路產量（億顆）

3.2 IDM 及 Fabless 齊發力，國產替代穩步前行

汽車受智能化、電動化、網聯化和軟件化等產業趨勢驅動。芯片作為智能硬件和軟件的基石和載體，其重要性不言而喻。功率半導體在汽車電子中價值量高，且產業鏈相對完整，具備國產替代的現實意義和可操作性。

3.2.1 車企投資不斷，IDM 和 Fabless 齊頭并進

當下，車規功率半導體已然成為車企重點布局和投資熱門領域之一。車載芯片種類多、型號多、持續“缺芯”和車廠重要控制器自研，使得車廠開始建立控制器硬件設計和供應鏈部門。車廠將直接參與芯片選型，直接建立與芯片廠家溝通渠道，打破原有供應鏈的合作模式。車廠和 Tier1 都在開始往半導體設計和制造領域下沉，通過投資或與芯片企業成立合資的形式進入半導體行業。他們主要聚焦重要、價值高的車規級芯片并進行布局，與芯片企業共同合作開發，化被動為主動，以應對將來可能會面臨的汽車芯片供應鏈安全問題。而其中功率半導體，特別是 IGBT 和 SiC，成為車企投資熱門之一。

圖表 47：部分車企布局芯片產業

IDM 和 Fabless 各顯其能。在功率半導體設計制造環節，目前主要有 IDM 模式和垂直分工模式，兩方競爭力孰強孰弱尚未分明，都在發揮各自優勢。IDM 在缺芯時，可以靈活協調產能以滿足不同客戶需求。在產品迭代上，IDM 也頗具優勢。而代工模式下，設計公司和 Foundry 可以共同合作開發先進工藝以提升產品競爭力。

IDM 模式一般重資產，工廠投入相對較大，對產能規劃要求相對精準可控，對各類專業人才需求大，在產能協同、成本控制、需求響應速度等多方面或具有較強優勢。國內功率半導體 IDM 有時代電氣、華潤微、士蘭微、華微以及揚杰科技等。

國內部分 Fabless 選擇與頭部 Foundry 深度合作，在產品設計、工藝融合優化、產品規劃、產能調配等方面能達到良好效果。且該模式下，兩方既有各自分工合作，又能做到優勢互補。設計公司可以專注于產品設計與推廣、可以更精準把握市場需求和供應節奏，而 Foundry 可以專注于工藝控制和優化。國內成功案例如新潔能與華虹宏力的合作、捷捷微電與中芯紹興的合作。

目前，全球功率半導體市場上，頭部的功率半導體多數是“IDM 模式”或“IDM加委外代工混合模式”。后者即部分 IDM 將部分低端制程、即將EOP（End Of Production）的產品委外專業代工廠加工，比如國內部分晶圓代工企業就接到不少此類海外客戶的訂單。

據 ittbank 數據統計：中國大陸地區 Top60 的功率半導體（不含功率 IC）企業里，其中 IDM 有 43 家，Foundry 有 5 家，以及 12 家 Fabless。

3.2.2 單車價值名列前茅，“國產替代”率先突圍

據英飛凌統計，在傳統燃油車上，MCU 是其中價值量最高的半導體器件，占比約 30%，功率半導體（包括功率半導體器件和功率半導體芯片）占比 20%。而對于電動汽車來說，MCU 和功率的價值占比有所變化。細分來看，混動車型和純電動車型，功率半導體用量和價值存在差異。混動又分輕中混、強混和插混，純電動也要看動力電池電壓平臺，200V 和 800V 對選用的功率半導體分立器件和模塊差異較大，成本也存在差異。

從英飛凌數據看出，中混電動汽車（MHEV）單車功率半導體價值 150-200 美元，自動充電混動汽車（FHEV）單車功率半導體價值在400-470美元，純電動汽車（BEV）單車功率半導體價值在 550-600 美元。可見在各類電動汽車上，功率半導體價值量高居榜首。

在我國大力發展新能源汽車的當下，車規級功率半導體具備政策支持、產業鏈完整等優勢，或將率先突圍，實現國產化率穩步提升。

4. 碳化硅器件厚積薄發，產業布局多點開花

4.1 新材料、新機遇、新趨勢

作為第三代半導體材料的代表，相較于硅，碳化硅具有禁帶寬度更大（是硅的3倍）、熱導率更高（是硅的 4-5 倍）、擊穿電壓更大（是硅的 8- 10 倍)等優勢。

圖表 52：碳化硅性能優勢

碳化硅功率器件主要包括碳化硅二極管（主要是肖特基勢壘二極管 SBD 等）、碳化硅晶體管（主要是碳化硅 BJT、MOSFET 等）以及碳化硅功率模塊等。碳化硅功率器件具有耐高壓、大電流、耐高溫、高頻、高功率和低損耗等眾多優點，廣泛應用于電動汽車及充電樁、光伏、電網、軌道交通和儲能等領域。

據 Yole 數據，碳化硅功率器件 2021 年全球市場規模 10.9 億美金。預計到 2027年將達到 62.97 億美金，2021-2027 CAGR 達 34%。發展勢頭強勁，未來市場空間可觀。

圖表 54：碳化硅功率半導體器件市場規模預測 2021-2027E

全球各國對碳化硅投資熱度不減，目前碳化硅器件市場龍頭依然以海外企業為主，國內90%需求依賴進口。我國碳化硅產業鏈布局相對完整，部分頭部企業技術實力不可小覷，在半絕緣襯底、外延片、射頻器件和碳化硅器件均已量產并批量供貨。

碳化硅性能優于 IGBT，兩者在多個領域或存在應用重疊。從成本變化和晶圓尺寸發展趨勢分析：

碳化硅與 IGBT 成本比較。目前碳化硅功率器件由于技術和工藝尚不成熟、襯底良率低以及尚未規模化應用等因素，導致當前碳化硅成本居高不下。同等規格、滿足同個終端應用需求的碳化硅 MOSFET 的價格是 IGBT 的 2.5-3 倍。而硅基 IGBT 技術成熟，規模化效應已經顯現，成本下探空間有限。隨著上述對碳化硅成本不利因素日漸改善，其價格有望逐年下調。對于長續航電動汽車，當前碳化硅功率器件的應用帶來的其他周邊零部件的降本，或將進一步縮小、或打平與選用IGBT帶來的價格差。

圖表 56：碳化硅功率半導體器件成本變化趨勢

碳化硅晶圓制造。目前已量產碳化硅襯底多是基于 2 英寸、4 英寸和 6 英寸晶圓制造，其中 6 英寸逐漸將成為主流。據 NE 時代數據，安森美 8 英寸襯底于 2021 年已經投產。未來，隨著 8 英寸晶圓的襯底逐步量產，單片晶圓產量提升，相比 4 英寸和 6 英寸晶圓，理論上碳化硅器件價格或將會有所下調。

當前碳化硅 MOSFET 主要應用于一些中高端場景，這些應用往往追求更高的性能表現。如售價 30 萬以上的中高端智能電動汽車，其對續航、瞬間加速以及充電時間有著更高要求，通常其主逆變器中會采用碳化硅方案。短時間內，IGBT 或依然是市場主流。長期來看，碳化硅 MOSFET 和 IGBT 市場需求或達到一個相對平衡，兩者將共存以供不同應用場景所使用。

4.2 襯底和外延占據價值高地

碳化硅產業鏈相對復雜，主要包括襯底、外延、器件設計、晶圓制造以及封裝測試和終端應用等。

截至 2021 年，國內碳化硅產線已經投入超 20 條，產業鏈上、下游都有相關企業參與。其中襯底代表企業有天岳先進、天科合達等；外延片代表企業有東莞天域半導體、瀚天天成等；布局碳化硅器件的企業以 IDM 為主，也有少數幾家 Foundry，還有多數設計公司。

襯底和外延占據碳化硅器件的價值高地，存在較高技術壁壘。據未來智庫數據，襯底和外延占碳化硅器件總成本近 70%（其中襯底占 46%，外延占 23%）。兩者同為碳化硅器件最核心、也是最具瓶頸的兩道制造工藝環節。襯底和外延的技術提升快慢和良率高低都將對碳化硅器件的應用和推廣產生直接影響。

? 襯底是碳化硅器件的第一內核。據 Yole 數據，預計到 2027 年，全球應用于電動汽車和充電樁的碳化硅襯底數量將達到 140 萬片，占市場總量的78.23%。

碳化硅襯底分類——碳化硅襯底按照電阻率大小，碳化硅可以分為導電型和半絕緣型。導電型襯底常用于制作碳化硅功率器件，應用于電動汽車、光伏、儲能等領域。而半絕緣型碳化硅襯底則被常用于制作氮化鎵微波射頻器件和功率放大器等（GaN-on-SiC），應用于 5G 通信等。

目前導電型襯底市場依然由歐、美、日企業主導，美國 Wolfspeed 占全球份額超 60%以上，其他如美國高意集團（II-VI）、德國 SiCrystalAG（被日本Rohm收購）、美國 DowCorning 和日本新日鐵住金等緊隨其后，市占率位居前列。國內做導電型襯底起步較晚，整體發展處于初期階段，該領域國內主要企業有天科合達、天岳先進等。

國產廠家在半絕緣型襯底產品開發相對起步較早，有一定經驗積累。2020年，天岳先進的半絕緣型碳化硅襯底在全球市占率已高達 30%，位居全球第三，僅次于海外龍頭企業 II-VI 和 Wolfspeed，形成三足鼎立的局面。

襯底制作方法——襯底的形成通常使用物理氣相傳輸法，在高溫下（＞2000℃），碳化硅粉體分解成硅原子等氣相物質，在高低溫形成的溫度梯度下，氣相物質慢慢在低溫區的碳化硅籽晶表面生長形成碳化硅晶體。再通過定向、整形、切片、研磨、拋光、檢測和清洗等工藝過程，最后制成碳化硅襯底。

制作優良的碳化硅襯底，存在較高的技術壁壘。碳化硅襯底生長難度大，對工藝控制和襯底的厚度、翹曲度和彎曲度都有較高要求。其制備過程中，主要存在以下難點和壁壘：1）碳化硅粉體純度控制要求高，碳和硅的比例控制要精準；2）溫度要求高，高溫與低溫需控制精準；3）長晶時，生長速率等需要嚴格控制；4）襯底生長為物理時間，且很難加速，時間成本高，產能因此受限；5）碳化硅硬度強，切片時損耗高，產出低；6）涉及設備種類多、要求高，如長晶爐，切片機、研磨機、拋光機和清洗設備等，總投入大。以上眾多壁壘導致目前碳化硅良率較低，單片價格較高。

? 外延工藝是碳化硅器件的第二內核。由于碳化硅襯底表面或多或少因為生長過程或加工過程中引入微顆粒，直接基于其表面進行晶圓制造，或將導致最終器件良率低、性能差等后果。故通常引入外延工藝，即在襯底表面通過化學氣相沉積（CVD）生長出一層 4H-SiC 單晶薄膜以提高器件良率和性能，這一層單晶材料即稱為“外延”。在制作過程中，工藝控制不良會直接造成各類缺陷產生而影響良率和產出。

據 Yole 數據，預計到 2027 年，碳化硅外延片全球市場規模將達 8.51 億美元，2021 年到 2027 年，CAGR 為 28%。全球外延片市場主要被美國Wolfspeed 和日本昭和電工是碳化硅外延片兩家龍頭企業壟斷。其他廠家有II-VI、Cree、Norstel、Rohm 和英飛凌等。國內從事碳化硅外延片企業主要有瀚天天成、東莞天域、中電 55 所和三安光電等。

4.3 碳化硅加速上車，緩解里程焦慮

據 Yole 數據，電動汽車和汽車充電樁為碳化硅第一大應用市場。預計到 2027年，碳化硅器件在電動汽車和汽車充電樁上應用，全球市場規模將分別達 49.86 億美金和 1.35 億美金，兩者之和占市場總規模的 81.32%。

碳化硅 SBD 和碳化硅 MOSFET 可應用于電動汽車主驅逆變器、OBC、DC/DC以及充電樁等產品中。自 2019 年 Tesla 首次將碳化硅器件（供應商：STM）應用于其 Model 3 車型上，碳化硅便正式開啟了上車之路。自 2021 年以來，國內自主品牌車企紛紛在其新車型上應用碳化硅器件，如蔚來汽車 ET5 和 ET7（主驅，自研模塊，晶圓從安森美采購），吉利 SMART 精靈(主驅，供應商：芯聚能)、小鵬 G9（主驅，供應商：英飛凌）、比亞迪海豹（主驅，自研自產模塊，部分晶圓外購）等。

碳化硅將提升電動汽車續航能力和縮短電動汽車充電時間。相較于燃油車，電動汽車消費者對當前有限的續航里程和相對漫長的充電時間常常感到焦慮。雖然車企在動力電池、BMS、電機、電控和 OBC 等產品技術上做了很多優化和提升，但相比燃油車，續航里程受限和充電時間長是電動汽車推廣的兩大痛點。

? 續航里程。相比硅基 IGBT，碳化硅 MOSFET 有著眾多優點：1）碳化硅在關斷時無拖尾電流，可以降低損耗；2）碳化硅的高開關頻率特性，不僅可降低損耗，由于對散熱效率要求相對低，還可減輕和驅動零部件和散熱零部件重量和體積，周邊器件的成本隨之降低；3）在車輛勻速和輕載情況下，因為低損耗，可提升 5%-10%的續航里程。另外，采用 800V 高壓平臺的電動汽車，同等功率下，系統電流可以比 400V 電壓平臺更小，故高壓線束直徑可以做的更細，線束重量和體積可以更小，電動汽車變的更輕，續航能力也會得到相應提升。

圖表 64：碳化硅在電動汽車上各產品應用市場規模預測 2021-2027（百萬美元）

充電時間。汽車充電樁一般分為交流慢充和直流快充。

交流慢充指的是電動汽車通過公共或個人充電樁，需要借用車載充電器（OBC）交直流轉換給汽車充電。交流慢充的優點是成本低，電池損耗慢；缺點是充電時間長，充電時間長短取決于 OBC 的額定功率（常規在 3kW9kW）。目前OBC 主要采用硅基 IGBT 或 SJ MOSFET 方案，電池充滿電時間一般需要 4-8 小時。相比之下，碳化硅 MOSFET 可以耐受更高電壓，使得 OBC 擁有更高的額定功率。例如采用意法半導體的碳化硅技術，可以將 OBC 的額定功率提升至 22kW 甚至更高，充電時間可以大大縮短。

直流快充是指充電樁自身內部實現交直流轉換模塊，無需借用 OBC，將電網或儲能設備中的交流電轉換成直流電，直接給汽車充電。直流快充功率取決于充電樁自身輸出功率和 BMS（電池管理系統），如電池電壓升級至 800V，直流快充功率通常將超過 120 kW，碳化硅器件的高功率特性即可有其用武之地，進而提高充電效率和縮短充電時間。

另外，800V 動力電池平臺相比 400V 動力電池平臺，在相同的系統電流和高壓線束直徑下，電池的充電時間或將縮短一半。

圖表 65：碳化硅對電動汽車充電時間的影響