（三）IDM 模式最终胜出，产业链各个环节的竞争力综合体现

IGBT 下游的需求主要集中在汽车、工业控制和家电等领域，不同于 MOSFET 多以分立器件形式应用为主， IGBT 则以更常见的形式如 IGBT 模块和 IPM 模块广泛应用于汽车和家电终端产品，尤其是汽车工业在欧洲、 日本和美国更为发达，所以 IGBT 芯片市场主要被德国英飞凌，日本罗姆、三菱以及美系大厂安森美和 ST 意法 半导体等厂商控制。由于 IGBT 芯片从晶圆生产到芯片封测以及模块封装一般都是采用 IDM 模式，所以 IGBT 模块供应商也主要由芯片厂商提供。IGBT 模块是电动汽车逆变器的核心元器件，所以博世、电装、德尔福等 Tier1 汽车零部件集成厂商会采购 IGBT 模块生产电驱系统供给下游的汽车主机厂，此外也有部分国内的主机厂 如长城汽车、长安汽车、奇瑞和蔚来自主生产逆变器。

国内电动车销量占据全球电动车市场的半壁江山，但是由于疫情影响，欧美 IGBT 大厂海外工厂产能利用 率较低，英飞凌车载 IGBT 平均交期在一年以上，国内汽车主机厂由于缺芯影响严重制约汽车销售。国内自主 品牌厂商作为电动车的主力军，率先导入国产 IGBT 芯片产品，这给了国产 IGBT 芯片崛起的历史性机遇。

比亚迪作为国内电动车的龙头企业，旗下比亚迪半导体在 2008 年收购宁波中玮的 IDM 晶圆厂开始进入 IGBT 芯片产业链，2012 年导入比亚迪电动车，2015 年自研 IGBT 开始上量，2020 年宁波产线具备 40 万 套电动车 IGBT 模块的配套能力，2021 年收购济南富能 8 寸产线，新增年产能可配套新能源汽车需求约 90 万辆，合计配套 130 万量。

中车时代电气是国内轨交、电网高压 IGBT 芯片龙头厂商，2012 年收购英国的丹尼克斯开始进入 IGBT 芯 片的生产与研发。2017 年开始从 6500V、7500V 高压领域扩展至 650V、750V 和 1200V 的车规级 IGBT 模 块市场，2018 年开始导入大巴车、物流车和 A00 级车，2019-2021 年芯片设计改版后已经成为国内首家突 破 A 级车 IGBT 芯片的厂商，同时与汇川等 Tier1 厂商也保持紧密合作。公司此前有一条月产能为 1 万片 的 8 英寸产线，2021 年底二期月产能为 2 万片的 8 寸线投产，预计可以配套约 200 万辆新能源车 IGBT 模 块，凭借 IDM 厂商的产能优势有望在 2022 年获得车载 IGBT 芯片较大的市场份额。

斯达半导 2008 年开始进入 IGBT 芯片市场，最开始也从英飞凌购买芯片，2015 年出现了切入 IGBT 芯片生 产的机会，2015 年英飞凌收购 IR（International Rectifier）将其芯片研发团队解散，该团队成为了斯达半导 体芯片研发团队，2016 年开始推广自己的芯片，目前公司产品已经在大巴车、物流车和 A00 级电动车上有 所应用，2020 年公司生产的车载 IGBT 模块配套约 20 万辆新能源车，预计 2021 年配套车辆将增加至 50 万套。

士兰微在家电领域的 IPM 模块出货量优势明显，2020 年 IPM 模块出货量约 1800 万颗，2021 年上半年出货 量大增 150%，已经占全球 10%的出货量，公司从家电切入车载 IGBT 领域，目前已经有 A00 级别客户如 零跑和菱电开始采用士兰微的车载 IGBT 模块。由于公司 IDM 的模式，产品迭代非常快，迭代一版产品历 时只有 3 个月，而 Fabless 厂商则需要 6 个月以上。目前士兰微的 A 级车 750V 模块性能处于行业领先，输 出功率可以达到 160kw-180Kw，公司 12 寸的晶圆厂已经投产，预计年底可实现月产能 3.5 万片的产能目标。

（四）IGBT 供给紧平衡，2022 年产业进入爆发期

我们认为 2022 年国内 IGBT 产业进入爆发期，国产 IGBT 厂商在车载 IGBT 领域的替代进程会加速。一方 面国内新能源汽车 2022 年销量预期都比较乐观，市场预期平均增速在 50%以上，但是国外 IGBT 芯片厂商如英 飞凌和安森美等大厂的交期平均都在一年以上，同时海外如欧洲和美国的电动车市场也开始进入高速增长期， 这些国际大厂会优先保障本土供应。在供需偏紧的情况下，国产 IGBT 厂商对于国内电动车主机厂而言成为了 最重要的芯片供应保障，而且时代电气、士兰微和华虹半导体等厂商的 IGBT 产能已经在 2021 年底相继投产， 有望成为 IGBT 芯片国产化最受益的厂商。对于国内的 IGBT 厂商而言，最受益的厂商还是以 IDM 模式为主的 厂商，如比亚迪半导体，时代电气和士兰微。

我们认为市场对于 IGBT 芯片供给大幅开出以后导致 IGBT 芯片市场竞争加剧的担忧大可不必，我们梳理 了国内明年新增的 IGBT 产能，如果拉平 2022 年全年的 IGBT 供应增量，预计为 5.04 万片/月，如果考虑良率 等问题，预计实际产能不足 4 万片/月，对于明年 200 万辆电动车的 IGBT 芯片消耗量就达到 2-3 万片/月，如果 再考虑光伏和风电等领域用到的 IGBT 芯片，预计产能供应相对偏紧张。

三、碳化硅新世界：衬底成为产业链最重要的环节

（一）碳化硅器件优良性能带来全新替代需求

1、SiC 与 IGBT 性能对比

相同规格的碳化硅基 MOSFET 和硅基 MOSFET 相比，导通电阻降低为 1/200，尺寸减小为 1/10；相同规格的 使用碳化硅基 MOSFET 的逆变器和使用硅基 IGBT 相比，总能量损失小于 1/4。由于碳化硅器件具备的上述优 越性能，可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求，从而成为半 导体材料领域最具前景的材料之一。具体对比如下：

① 能量损耗低。SiC 模块的开关损耗和导通损耗显著低于同等 IGBT 模块，且随着开关频率的提高，与 IGBT 模块的损耗差越大，SiC 模块在降低损耗的同时可以实现高速开关，有助于降低电池用量，提高续航里程，解 决新能源汽车痛点。

② 更小的封装尺寸。SiC 器件具备更小的能量损耗，能够提供较高的电流密度。在相同功率等级下，碳化硅 功率模块的体积显著小于硅基模块，有助于提升系统的功率密度。

③ 实现高频开关。SiC 材料的电子饱和漂移速率是 Si 的 2 倍，有助于提升器件的工作频率；高临界击穿 电场的特性使其能够将 MOSFET 带入高压领域，克服 IGBT 在开关过程中的拖尾电流问题，降低开关损耗和 整车能耗，减少无源器件如电容、电感等的使用，从而减少系统体积和重量。

④ 耐高温、散热能力强。SiC 的禁带宽度、热导率约是 Si 的 3 倍，可承受温度更高，高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放，冷却部件可小型化，有利于系统的小型化和轻量化。（报告来源：未来智库）

2、碳化硅器件得需求测算：电车和工业

SiC 器件使用第三代半导体材料碳化硅作为衬底，与同规格硅基器件相比，SiC 器件效率及耐温性更高，可 显著降低能耗，提高功率密度，减小体积，是下一代新能源汽车电机驱动控制系统的理想器件，能进一步提高 新能源汽车的续航里程、百公里加速能力和最高时速。特斯拉的 Model3 的主驱动逆变器采用了 24 个 SiC MOSFET，每个模块有 2 个 SiC 裸晶(Die)共 48 颗 SiC MOSFET，总成本约为 5000 元。比亚迪汉后驱三相桥 6 桥臂采用了 30 个 SiC MOS 模块，总成本 7000 元。2021 年发布的新款车型中，蔚来 ET，小鹏的 G9，广汽埃安 的 LX 和长城的机甲龙均采用 800v 平台，从 400V 提升到 800V，一个系统用到 30-50 个 SiC 芯片，2 套驱动系 统的芯片量会增长更多。

新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载 DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器，能够显著降低电 力电子系统的体积、重量和成本，提高功率密度。Wolfspeed 预计 2026 年车载 SiC 市场规模将从 2022 年的 16 亿美元增加至 2026 年的 46 亿美元。

除了新能源汽车领域，光伏发电、轨道交通、智能电网以及射频器件都可以采用 SiC 器件替代 IGBT 作为 电子电子控制器件。使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与碳化硅 SBD 结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从 96%提升至 99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍，预计在组串式和集中式 光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器，能极大发挥 碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率。预计工业领域的 SiC 器件市场规模预计从 2022 年的 6 亿美金增加至 14 亿美金。

3、功率半导体厂商纷纷发布碳化硅产品

比亚迪：比亚迪在 2020 年发布的比亚迪汉纯电动高性能四驱版成为国内首款采用自研 SiC 模块的车型，功 率密度提升了一倍，其 SiC 芯片采购自国外厂商。比亚迪半导体碳化硅 SiC 功率模块是一款三相全桥拓扑结构 的灌封全碳化硅功率模块，主要应用于新能源汽车电机驱动控制器，是全球首家、国内唯一实现在电机驱动控 制器中大批量装车的 SiC 三相全桥模块。根据公司公告显示，2020 年 SiC 模块销售收入为 1.42 亿元，按照单价 1577 元测算，预计 2020 年销售碳化硅模块 9 万个，2021 年上半年销售收入达到 1.14 亿元，按照 1069 元单价 计算，2021 年上半年销售碳化硅模块为 10 万个，预计全年销量将超过 20 万个。

华润微：本土功率半导体龙头厂商华润微在 2020 年 7 月份发布 SiC 二极管产品，2021 年实现小批量供货。2021 年 12 月 17 日，公司又宣布推出 1200V SiC MOSFET 新品，采用 Wolf Speed 的衬底，实现了碳化硅芯片的 国产化。华润微自主研发量产的新品 SiC MOS 单管，具有栅氧可靠性好、高电流密度、高开关速度、工业级可 靠性、Ron 随温度变化小等优势，主要应用于新能源汽车 OBC、充电桩、工业电源、光伏逆变、风力发电等领 域。

时代电气：从轨交和电网高压 IGBT 切入新能源汽车功率半导体的时代电气在 2021 年底发布了国内首款基 于自主碳化硅芯片的大功率电驱产品- C- Power 220s。公司的 SiC MOSFET 芯片已经发展了 4 个代次，从第三代开始面向车规级应用，目前已经推出的 1200V/600A 的 SiC MOSFET 模块 S3 能够满足 120KW～200KW 功率 等级电驱需求，在 190KW 高输出功率条件下，逆变总损耗可以比硅基 IGBT 降低 54%，逆变效率从 97.%提升 至 98.77%。

（二）碳化硅产业链之咽喉：衬底

1、衬底行业概况：分类，产业链环节，价值量分布

SiC 衬底的原材料为高纯碳粉和高纯硅粉，在 2,000℃以上的高温条件下通过特定反应合成碳化硅粉。在特 殊温场下，采用成熟的物理气相传输法（PVT 法）生长不同尺寸的碳化硅晶锭，经过多道加工工序产出碳化硅 衬底。根据下游终端的应用不同可以分为导电型和半绝缘型两类，导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件， 与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化 硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造各类功率器件。半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射 频器件。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成氮化镓 射频器件。

在半导体应用中，SiC 主要用于电力电子器件的制造。从 SiC 器件制造流程顺序来看，SiC 器件的制造成本 中，SiC 衬底成本占比 50%，SiC 外延的成本占比 25%，这两大工序是 SiC 器件的重要组成部分。根据立昂微和沪硅产业披露的招股书，一片 8 寸的硅外延片为 250 元左右，一片 12 寸的硅外延片为 300-400 元左右，而天科合达和天岳先进披露的 6 寸导电型 SiC 衬底和 4 寸半绝缘 SiC 衬底分别为 3000 元和 8000-9000 元，全球龙头 Wolfspeed 的 6 寸导电型 SiC 衬底价格高达 6000 元以上，如果完成外延加工估计达到 8000 元左右。

SiC 器件成本高的一大原因就是 SiC 衬底制造困难，与传统的单晶硅使用提拉法制备不同，目前规模化生 长 SiC 单晶主要采用物理气相输运法（PVT）或籽晶的升华法。这也就带来了 SiC 晶体制备的两个难点：

1、生长条件苛刻，需要在高温下进行。一般而言，SiC 气相生长温度在 2300℃以上，压力 350MPa，而 硅仅需 1600℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求，生产过程几乎是黑箱操作难以观测。如果温度 和压力控制稍有失误，则会导致生长数天的产品失败。

2、生长速度慢。PVT 法生长 SiC 的速度缓慢，7 天才能生长 2cm 左右。而硅棒拉晶 2-3 天即可拉出约 2m 长的 8 英寸硅棒。

此外 SiC 器件制造必须要经过外延步骤，外延质量对器件性能影响很大。SiC 基器件与传统的硅器件不同， SiC 衬底的质量和表面特性不能满足直接制造器件的要求，因此在制造大功率和高压高频器件时，不能直接在 SiC 衬底上制作器件，而必须在单晶衬底上额外沉积一层高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件，目 前效率也比较低。另外 SiC 的气相同质外延一般要在 1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题，温度不能 太高，一般不能超过 1800℃，因而生长速率较低。

2、市场格局

全球碳化硅衬底市场主要由美国和欧洲厂商控制，根据 Yole 的统计，2018 年导电型碳化硅衬底市场中 CREE 占比为 62%，美国半导体材料大厂Ⅱ-Ⅵ市占率为 16%，国内厂商天科合达和山东天岳占比仅为 1.7%和 0.5%。半绝缘型衬底市场中 Wolf speed 市占率从 2019 年的 41%下滑至 32%，Ⅱ-Ⅵ半导体市占率从 2019 年的 27%上升 至 35%，两大龙头合计占据近 70%的市场。山东天岳以半绝缘型衬底产品为主，2020 年市占率达到 30%，根据公司招股书披露 2020 年公司半绝缘型衬底 3.47 亿元营收测算，全球半绝缘型碳化硅市场规模仅为 12 亿元人民币。2020 年 WolfSpeed 营收为 4.71 亿美元，剔除 0.59 亿美元半绝缘型衬底的营收，预计导电型碳化硅衬底营收规模约为 4.12 亿美元，假设 Wolfspeed 市占率在 2020 年接近 50%，合计导电型碳化硅衬底市场规模约为 8.24 亿美元。综合来看，2020 年全球碳化硅衬底市场约为 10 亿美元，2021 年 Wolfspeed 营收增长 12%，预计 2021 年全球碳化硅衬底销售规模增至 11.3 亿美元。

在功率半导体芯片市场，尤其是 IGBT 芯片市场的竞争已经从芯片设计延伸至中游的制造和下游的模块封 装领域，然而进入到碳化硅时代，我们认为碳化硅功率半导体的竞争已经从芯片设计、中游制造和下游封装进 一步向产业链上游的衬底和外延环节扩张。国际大厂很早就意识到了碳化硅之争的关键就在对于衬底资源的控制权，早在 2009年日本罗姆就通过收购德国 SiC 衬底和外延片供应商 SiCrystal 实现了 SiC 器件研发的实质性 突破。2018年英飞凌收购了德国碳化硅晶圆切割领域的新锐公司 Siltectra，通过收购获得了一种称为“冷分裂 （Cold Split）”的材料切割技术，借助这种专有工艺可以高质量低成本的加工晶圆和对晶圆进行减薄，尤其是对 于碳化硅这种超高硬度材料的切割优势非常明显。

2019 年 12 月，意法半导体以1.375亿美元现金从三安广电手中购得了瑞典 SiC 衬底和外延片制造商 Norstel AB，获得了 6 英寸 SiC 衬底和外延片的生产制造能力。2021 年 11 月 1日，安森美宣布耗资 4.15 亿美元对于美国碳化硅生产商 GTAT 的收购，通过外延收购衬底资产可以帮助 安森美减少对于 Wolfspeed 的原材料依赖。时至今日，功率半导体大厂基本上对于衬底资源的抢夺战已经告一 段落，国内企业只有三安光电在这场衬底资源争夺战中有所斩获，曾转移了部分 Norstel AB 的专利到国内，才得以完成国内首条从衬底、外延到器件的长沙 6 寸 IDM 产线。

四、功率半导体行业重点公司分析

闻泰科技：

闻泰科技在 2018 年通过实施重大资产重组收购了全球功率半导体分立器件全球领先厂商安世半导体，2019 年底完成了对于安世半导体股权的交割，公司业务从原来的智能手机 ODM 切入了功率半导体赛道。2020 年半 导体业务实现营收 98.9 亿，上半年海外工厂受到疫情影响较大，下半年三季度开始随着居家隔离和在线办公带 来的新需求进入恢复性增长。受益于电动车、PC 和服务器的强劲需求，进入 2021 年功率半导体需求持续增长， 但是全球疫情影响海外厂商供给严重不足，公司产品从年初以来实施了分批次涨价，第一季度涨价幅度超过 10%。截止 2021 年上半年，公司半导体产品毛利率从 2020 年的 27.2%大幅增长至 35.1%，预计公司功率半导体业务营 收在 2021 年有望实现超过 50%以上的增长达到 152 亿元，净利润达到 28 亿，成为国内厂商中功率半导体营收 规模排名第一的企业。

1、 MOS 产品结构优化，从低压向高压升级：目前公司功率半导体产品以 100V 及以下低压分立器件为主，如 小信号分立器件、功率分立器件、ESD 保护器件，以及模拟与逻辑 IC 等产品，其中 45%的收入来自汽车领 域，移动和可穿戴设备占比 22%，工业领域占比为 22%。在“双碳”政策的持续推动下，电动车和新能源 发电领域对于功率半导体的需求出现爆发式增长，尤其是中高压的产品如 SGT-MOSFET 和 SJ-MOSFET 需 求大幅增加，公司相应的也推出了 200V 以上的中高压 Mosfet 产品，预计未来公司的产品结构有望进一步 优化。

2、 并购 Newport，发力 IGBT市场和 SiC全新赛道：2021年上半年安世半导体收购英国的晶圆生产商Newport， 将公司以 MOSFET 和二极管、三极管等低压功率半导体产品线进一步扩展至中高压 IGBT 芯片。根据 Newport 官网资料显示，目前 Newport Wafer Fab 目前月产能为 3.2 万片 8 寸晶圆，IGBT 产能为 1000 片/月， 未来预计将 IGBT 产能进一步扩充至 4000 片/月。IGBT 是电动车电驱逆变器和光伏逆变器的最核心功率器 件，而且 SiC SBD 和 SiC MOSFET 凭借超低导通阻抗在电动车和光伏发电领域的应用渗透率也在逐步提升， 公司自己研发的 SiC 二极管产品已经推出，SiC MOSFET 产品预计 2023 年推出。

3、 临港产能逐步释放构筑长期成长驱动力：为了保障公司半导体业务的长期成长潜力，抓住车规半导体爆发的市场需求，公司在上海临港投资 120 亿元，建设年产能 60 万片的 12 寸晶圆厂，满产后将新增近 6 亿美 元产值。公司计划通过 10 年时间推动安世半导体产值做到超过 100 亿美元，进一步强化安世半导体的全球 竞争力，预计公司未来 30%的产能复合增速将为长期成长提供保障。（报告来源：未来智库）

时代电气：

时代电气在 2021 年 9 月初登陆科创板，主营业务按照下游行业可以分为轨道交通，新能源汽车和工业三大 板块，其中轨道交通装备产品主要为机车、动车和城轨的牵引变流系统，可以理解为“高铁的电驱系统”，通过 将电网电压转换为频率可控的三相交流电驱动电机实现牵引列车运行的功能。随着国内轨道交通投资增速放缓， 公司凭借在轨交领域积累的系统集成能力与核心功率半导体器件 IGBT 的研发能力切入需求爆发式增长的新能 源汽车和光伏、风电等工业领域。目前公司一方面能够提供新能源汽车的电驱系统和光伏逆变器以及风电变流 器等系统产品，另一方面公司从应用于轨交和电网的高压 IGBT 产品扩展至电动车逆变器所需的 650V 和 750V 的中高压 IGBT 模块，实现了从轨道交通切入新能源的新成长阶段。

1、新基建需求拉动成长，轨交业务触底回升：今年前三季度受到国铁集团铁路装备投资减少和新冠疫情影 响，公司轨道交通业务录得营收 68.34 亿元，同比下降了 17.75%，实现归母净利润 12.02 亿元，同比下降近两 成。2022 年我国进入十四五规划的第二年，国家经济稳字当头，高铁、地铁作为新基建的排头兵，尤其是粤港 澳大湾区在轨交领域投资提速，有望带动公司轨交装备业务实现企稳回升。

2、新能源成为公司第二成长曲线，功率半导体大放异彩：公司是国内首家突破 A 级车型 IGBT 模块的供应 商，目前已经进入包括理想、小鹏、广汽、东风以及一汽等在内的造车新势力和央企主机厂供应链。目前公司 有两条 8 寸 IGBT 产线，其中一期产能为 1 万片/月，主要供应轨交、电网和新能源汽车领域的 IGBT 芯片，二 期产能已经在 2021 年底投产，产能翻倍达到 2 万片/月，新建产能主要针对汽车和光伏等新能源领域，如果全 部供应新能源汽车，满产可以配套 200 万辆新能源汽车的需求。此外公司生产的 IGBT 也对内配套新能源汽车 电驱系统、光伏逆变器和风电变流器的需求，目前可电驱配套产能达到 40 万套/年。在面对海外厂商 IGBT 供应 不足而国内电动车和光伏领域需求激增的背景下，自建的 IDM 产能将助力公司成为 IGBT 芯片国产化龙头。

3、碳化硅电驱新平台发布，为长期成长蓄势：2021 年底公司发布了国内首款基于自主碳化硅大功率电驱 产品- C- Power 220s，此前公司推出了 1200V 的 SiC MOSFET 模块 S3，能够满足 120KW-200KW 功率等级电驱需求，采用 pinfin 直接水冷，提高散热效率，在高输出功率条件下，SiC 器件的损耗比 IGBT 降低 54%。目前公 司已经建有一条年产能为 1 万片的 SiC 功率器件的中试线，预计满产能够实现 2 亿元左右的产值，同时公司也 在积极规划新的碳化硅产线，预计未来公司的碳化硅模块将率先导入车规级客户，实现再次对于国外厂商的全 面替代，为公司的长期成长提供动能。

报告出品方/作者：中信建投证券/刘双锋，范彬泰