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为什么说以新能源车为代表的万亿市场,正在开启国产IGBT的时代交锋?

九鼎投资观察   |   九鼎投资观察
2022-03-03 11:20:34

中国是产业增长和全球产能迁移的重要因子,国产替代刻不容缓。

进入新一轮经济周期,中国的产业格局正在发生深刻变化。底层技术突破、制造业和现代服务业升级、中国品牌全球化、从数字化到数智化等“生产性创新(productive innovation)”力量不断生长。

在新的宏观背景下,PE机构应该如何正确看待当下的每个“风口”?什么样的投资逻辑能真正穿越周期?

我们将在【九鼎投资观察】不定期分享九鼎投资在各产业细分领域的研究和投资思考,始终坚持通过确定性为基础的成长性行业研究,把握企业的成长性投资机会。

过去十年,九鼎投资沿半导体产业链投资了大量细分领域的优秀企业,包括:电子半导体材料提供商雅克科技(002409.SZ),半导体设备系统集成及超高纯电子材料提供商正帆科技(688596.SH),专注MCU及锂电池管理芯片的芯片设计公司中颖电子(300327.SZ),无线充电芯片服务商易冲无线,半导体测试设备公司胜达克(Sandtek)等。 

今天,当我们从电子时代走向智能世纪,半导体作为核心部件和我国的短板产业,在未来十年仍然处于高速成长期。 

本期【九鼎投资观察】将关注被称为电力电子装置“CPU”的功率半导体器件IGBT,并尝试讨论以下问题:

1,为什么IGBT是功率半导体器件中最具发展前景的赛道?

2,什么是决定IGBT创新产品商业化速度的核心?

3,哪些场景和需求是IGBT指数级增长背后的驱动力?

4,国产IGBT企业要实现弯道超车须具备哪些能力?我们关注哪类企业的投资机会?

近年来,在全球“碳中和、碳达峰”的大趋势下,我国不断推行碳中和政策。受节能减排目标影响,能源生产方面的光伏、风电等领域市场不断扩大;从能源消费等领域来看,新能源汽车、电气化铁路、节能家电等市场也在不断走高。这些领域全都离不开一种功率半导体器件:IGBT。

从产业宏观角度看,半导体产业为电子元器件产业中最重要的组成部分,在电子、能源行业的众多细分领域均都有广泛的应用,产品类型包括集成电路、功率分立器件、其他器件等。

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其中,IGBT便是一种分立器件产品。分立器件是指,具有单一功能的电路基本元件,主要实现电能的处理与变换,是构成电力电子变化装置的核心器件之一,主要用于电力电子设备的整流、稳压、开关、混频等。 

统计数据显示,近几年来,分立器件行业规模占半导体行业规模的比重维持在22%-25%之间。 

分立器件发展过程:

l  20世纪50年代,功率二极管、功率三极管面世并应用于工业和电力系统;

l  20世纪60-70年代,晶闸管等半导体功率器件快速发展;

l  20世纪70年代末,平面型功率MOSFET发展;

l  20世纪80年代末,沟槽型功率MOSFET和IGBT面世,半导体功率器件进入电子应用时代;

l  20世纪90年代,超结MOSFET出现,打破传统“硅限”以满足大功率和高频化的应用需求;

l  2008年,英飞凌推出屏蔽栅功率MOSFET,半导体功率器件的性能进一步提升;

l  2018年,英飞凌推出IGBT 7.0,面积进一步减少,成本和功耗再次实现降低。

功率器件中最具发展前景的赛道,电力电子技术第三次革命最具代表性的产品 

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,即绝缘栅型双极型晶体管)相当于一个非通即断的开关,可以调节电路中的电压、电流、频率、相位等,保证电力设备或电子产品正常运行,并能实现高效节能效果;是国际公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品,也是当前功率器件领域进入门槛最高的细分赛道。 

分立器件的众多产品中,IGBT产品与其他相比,具有易于驱动、开关速度快、损耗低等特点。凭借卓越的性能和快速的产业化速度,IGBT不仅在工业应用中逐渐取代了MOSFET和BJT,也已扩展到SCR及GTO占优势的大功率应用领域,还渗透至消费电子领域。

目前,IGBT已广泛应用于电压超过650V的高功率场景,如家用电器、智能电网、新能源汽车、轨交等领域,属于功率器件中最具发展前景的赛道,在工业应用中提高了设备的自动化水平、控制精度等,也大幅提高了电能的应用效率,同时减小了产品体积和重量,节约了材料,未来应用空间广阔。

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产品验证和生产成本是决定IGBT创新产品商业化速度的核心

在研发阶段上,IGBT目前已迭代至第7代。代际之间的重点升级方向,均以降低损耗和提高功率密度为主。当前主流市场使用的IGBT芯片以4代为主。更大面积的更新换代不会只考虑性能,产品可靠性更是客户所看重的,因此新产品还需要至少2-3年的验证周期。

在材料的使用上,功率器件有Si、SiC和GaN三种材料选择。作为功率分立器件中半导体材料“霸主”的Si,性能逐渐发展到了极限。以SiC和GaN为主的宽禁带半导体,经过20年的技术和经验积累,正在迅速崛起。 

相对于Si,SiC和GaN有着以下优势:

l  禁带宽度是Si的3倍左右,击穿场强约为Si的10倍;

l  更高的耐压能力以及更低的导通压降;

l  更快的开关速度和更低的开关损耗;

l  更高的开关频率;

l  更高的允许工作温度;

l  SiC具有更高的热导率。

目前IGBT市场出现了以Si基器件为主导,SiC和GaN为"游击"形式存在的局面。其中,SiC被业内认为是未来的重要发展方向,有望引领性能全面提升。但受限于高成本的制约,SiC功率器件(如SiC-Mosfet)短期内还无法叫板Si-IGBT,在逐步渗透的过程中将会与其长期共存。

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全球半导体产业的第三次转移:中国是IGBT产业增长和产能迁移的重要因子 

从全球半导体发展区域分布来看,美国、日本、欧洲、亚太地区是半导体产品的主要市场。 

随着近年来半导体产业技术转移,半导体产业逐渐从美国向其他地区转移。随着未来中国等国家的半导体产业快速发展,有望成为推动半导体行业保持稳定增长的全新动力。

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我国半导体行业的市场需求不断扩大。2011年,我国半导体行业的市场需求规模约为9,238.8亿元;2018年,市场需求规模达到18,731.6亿元(折合约2800亿美元),市场需求的年均复合增长率达10.63%。

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但是,在技术和产业化积累上,尽管功率二极管、功率三极管、晶闸管等分立器件产品大部分已实现国产化,MOSFET、IGBT几类产品较大程度上依赖进口,仍存在巨大的国产替代空间。

目前,国内IGBT市场主要由英飞凌、三菱电机、富士电机等海外厂商占据。由于行业存在技术门槛较高、人才匮乏、市场开拓难度大、资金投入较大等困难,国内企业在产业化进程中一直进展缓慢。随着全球制造业向中国的转移,中国已逐渐成为全球最大的IGBT市场,国产化替代已是刻不容缓。

在市场需求的吸引下,一批具备IGBT相关经验的海外华人归国投身IGBT行业,同时国家大量资金流入IGBT行业,我国IGBT产业化水平有了一定提升,部分企业已经实现量产。在产业政策和市场需求的驱动下,IGBT国产化进程加速启动。 

以新能源汽车为主的产业发展,将为IGBT产业的指数级增长提供多元化动能 

IGBT可应用于650~6500V电压范围的各类应用场景,按照应用场景的电压等级分类,包括三个主要电压等级:低电压范围IGBT(600V以下),应用于多种3C产品;中电压范围IGBT中压(600V~1200V),应用在新能源汽车、光伏、工控等;高电压范围IGBT(1700V以上),应用于智能电网、高铁轨道交通、风力/光伏发电等。

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从下游需求看,新能源汽车(含充电桩)、变频家电、工业控制及新能源发电是IGBT主要的应用领域,占比分别达 31%、27%、20%、11%。

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其中,电动汽车未来有望成为中国IGBT最大的下游市场。作为电动汽车的“大脑”,IGBT是电动车的核心技术之一,IGBT的性能直接影响电动车功率的释放速度。

随着新能源汽车市场的快速发展和智能驾驶技术的应用,新能源汽车中以MOSFET、IGBT为代表的功率半导体器件产品的需求量有望进一步提升。

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一辆新能源汽车中有300多颗芯片,其中过半是功率芯片。据Gartner数据显示,一辆新能源汽车中功率器件的成本高达387美元,占整车半导体价值的55%,远高于传统车71美元的成本。而在汽车功率芯片中又以IGBT的占比和成本居前,给功率芯片厂商带来无限想象空间。

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在新能源汽车成本结构中,11%为电控系统,而电控系统中有44%为IGBT的成本。因此推算IGBT的市场规模占到了整个电动汽车市场规模的4.84%。

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目前,新能源汽车市场规模保持快速增长趋势,并且未来规模有望继续扩张。Insight SLICE预测,2025年全球电动汽车市场规模将达到870亿美元,2030年市场规模将达到1914亿美元。而中国电动汽车的市场规模,则相应在2025年和2030年分别达到506亿美元、968亿美元,接近千亿美元的市场规模。 

依据全球电动汽车市场规模的预测数据推测,全球电动汽车IGBT市场规模在2025年会达到42亿美元,2030年达到93亿美元,而中国电动汽车IGBT市场规模有望在2025年达到24亿美元,2030年逼近50亿美元。

当前全球和中国的IGBT市场规模分别为60亿美元、24亿美元。这意味着,到2025年,仅仅是中国电动汽车领域的IGBT市场规模,就能达到目前国内IGBT的全部市场规模,年复合增长率超过20%。 

除新能源汽车市场外,工业控制、变频家电、以及新能源发电也将为IGBT产业带来指数级的增长:

l  工业控制IGBT需求稳定,将会是国产化最快的领域。IGBT是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件。伴随变频器行业的市场规模总体呈上升态势,未来5年IGBT在变频器中的市场规模有望继续保持10%左右的增长。

l  伴随节能环保趋势,具变频功能的白色家电的市场前景广阔,为IGBT市场的增长提供稳定的市场需求。IGBT是白色家电实现变频功能的核心元器件,其高频开闭合功能能够带来较小的导通损耗和开关损耗、出色的电磁干扰性能、强大的抗短路能力、以及较小的电压尖峰和家电保护能力。

l  新能源发电行业的迅速发展,将成为IGBT行业持续增长的全新动力。IGBT是光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件。光伏逆变器是光伏系统中,将太阳能电池提供的直流电压转换成交流电压,使之适应电网电压水平并输入电网的设备,是太阳能电力系统的核心部件之一。全球光伏市场持续维持增长态势,将为IGBT产业提供强有力的增长动能。

机遇和挑战,国产替代是必须解决的一道难题 

以新能源汽车普及为IGBT产业带来的发展机遇为例,国内的汽车企业兴奋不已,不少车企认为这是我国汽车产业弯道超车的绝佳机会。然而,没有核心技术的弯道超车仍是个伪命题。 

电动汽车时代,国产电控技术与国外的差距,将比内燃机时代更大。在内燃机时代,通过测绘模仿,发动机性能能达到80%。而电气化时代,经过晶圆切割、测试、封装制造出来,好比计算机CPU的新能源汽车IGBT芯片很难进行模仿山寨,只能走自己的路。

由于外企对扩张保守,且功率器件产能扩张周期长,未来新能源市场将出现IGBT的供应缺口,这会成为新能源汽车发展的瓶颈。想要实现弯道超车,IGBT的芯片的国产化自给自足是必须解决的一道难题。

目前,IGBT行业的主要产业链包括:芯片设计、芯片制造和模块的设计、封装和测试,主要有IDM、Fabless、模块集成几个主流模式。在不同模式领域,中国本土都已有一定数量的大型企业、创业公司在进行探索和尝试。

l  IDM模式,即垂直整合制造商,是指包含电路设计、晶圆制造、封装测试以及投向消费市场全环节业务的企业模式。设计、制造等环节协同优化,有助于充分发掘技术潜力;能有条件率先实验并推行新的半导体技术,但对企业技术、资金和市场份额要求极高。

l  Fabless模式,Fabrication(制造)和less(没有)的组合,企业自身只专注于芯片设计,将芯片制造外协给代工厂商。企业无需投资建立晶圆制造生产线,减小了投资风险,提升了经营灵活性,能够快速开发出终端需要的芯片。Fabless模式在中国比较流行,基于中国成熟代工厂的数量优势,创业公司可以聚焦技术研发去实现快速追赶。

l  IGBT模块集成模式,将通过测试的晶圆,按照产品型号及功能需求加工,得到独立芯片的过程。企业不承担由市场调研不准、产品设计缺陷等因素带来的决策风险。但是,这种模式对投资规模要求较高,维持生产线正常运作的成本也较高。

伴随国家政策、资金的倾斜,中国IGBT行业的发展获得前所未有的动能。同时,出于供应链安全考虑,在不同领域的下游厂商,都更多倾向使用国内半导体厂商产品,国产IGBT份额有望提升。 

从一级市场投资角度看,在市场需求的吸引下,自2005年开始,大量海外IGBT人才纷纷归国,投入国产IGBT芯片和模块产业的发展;我国IGBT产业化水平已有了一定提升,部分企业已经实现量产。此外,国内IGBT厂商普遍具备性价比高、响应速度快等本土化服务优势。 

具体而言,对于该行业中处于早期发展阶段的项目,九鼎投资将关注注重技术研发的Fabless模式运营的半导体企业。 

对于已经有一定体量的项目,我们优先关注拥有自主可控的生产线,有产品交付能力的企业。2021年,斯达半导体正是因为没有自主可控的产品生产线,与理想、小鹏的订单失之交臂。在全球疫情席卷、地缘政治变化莫测的情形下,产品交付能力将是企业的核心竞争力。 

同时,伴随第三代半导体材料的出现,全球SiC器件还处于刚刚起步的阶段,即使海外龙头企业具有一些先发优势,但技术差距远远小于IGBT数十年积累的“迭代鸿沟”。因此,国产IGBT企业不仅要在Si-IGBT领域发力,在SiC功率器件上有技术储备和产能布局的中国企业也将具备弯道超车的机会,这类企业也是我们重点关注的。 

随着国家对第三代半导体材料的重视,当全新的国产半导体产业链完备之时,国产IGBT或可屹立于世界前列。



网站编辑: 郭靖

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