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功率半导体器件市场分析
发布:深圳邦道 日期:2017-12-21 人气:1067

汽车电子的不断渗透以及消费电子的升级换代,极大激发了功率半导体器件的市场需求。从2016年下半年开始,功率半导体器件行情回暖,需求持续旺盛,但是受限于产能,原厂交货周期开始延长。特别是在一些高端功率器件如IGBT,我国仍有较大发展空间,也值得我们去探究背后的增长逻辑。下文围绕功率半导体展开详细分析和论述:

功率半导体器件的作用

通常所用的电力有交流和直流两种,比如从公用电网上得到的电力是50Hz的交流电,从蓄电池或干电池得到的是直流电。而从这些电源得到的电源往往不能直接满足使用要求,需要进行电力变换。电力变换通常分为四类:交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流。交流变直流称为整流,直流变交流称为逆变。直流变直流是指电压(或电流)改变。交流变交流的内容比较多,可以改变频率、相数或电压。

比如电动汽车中的蓄电池输出的是直流电,而电动车使用的电动机主要是交流感应电机和永磁电机。以交流异步电机为例,它由外面的固定的定子和内部的转子组成。当在定子上通上交流电,电流的变化就能产生旋转的合成磁场。旋转的合成磁场就使内部的转子闭合线圈产生感应电动势,并跟着磁场转动。交流异步电动机的常用调速方法是改变接通在定子上的交流电的频率来改变转子的转速。因此对于电动汽车来说,需要将蓄电池输出的直流电逆变成为交流电,并且能控制交流电的频率。

逆变电路的基本结构是通过四个开关来改变负载上的电流方向。当S1和S4闭合,S2和S3断开,负载上的电流从左往右。当S1和S4断开,S2和S3闭合,负载上的电流从右往左。通过这种方法就可以将直流电逆变成为交流电,而且通过控制开关的频率可以控制交流电的频率。类似的电力变换还有很多,如风力发电和太阳能发电产生的电力是不稳定的粗电,需要精炼之后才能上传到电网上使用;照明用的LED灯需要镇流器先将交流电转为直流电;快充蓄电池也需要将交流电先转为直流电;电动汽车中不同的电子设备(如显示屏、车灯、雨刷器等)使用的电压不同,需要将蓄电池输出的电压进行升压或降压。电子电力技术已经渗透进了人们生活的方方面面。

功率半导体器件可以用来控制电路通断,实现电力变换。一般将额定电流超过1A的半导体器件归类为功率半导体器件,这类器件的阻断电压分布在几伏到上万伏。常见的功率半导体器件有金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管芯片(IGBT)及模块、快恢复二极管(FRD)、垂直双扩散金属-氧化物场效应晶体管(VDMOS)、可控硅(SCR)、5英寸以上大功率晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等。

功率半导体器件可以分为不可控、半控型和全控型三种。半控型只能通过控制信号过可以控制其导通而不能控制其关断,典型的有晶闸管。全控型则可以通过控制信号来控制其导通和关断,典型的有MOSFET和IGBT。目前在中小功率范围内,全控型器件已经娶到了过去传统的半控型器件晶闸管,但是因为晶闸管的击穿电压更高,因此在大功率应用领域还有较大份额。从本质上讲,功率半导体器件与集成电路(IC)芯片非常类似,它们都由PN结、双极型晶体管、MOS结构构成,因此两者的理论基础相同,大多数工艺也相同。不过功率半导体器件用于电力变换和控制,而集成电路芯片用于信息处理,前者需要工作在几伏到上万伏的环境中,而后者只工作在几伏的环境中,用高低电平来表示1和0。

功率半导体器件市场分析

我国的功率半导体器件的起步虽然较晚,但是市场规模增长迅速。从2011年的1386亿元增长到2016年的2088亿元,年均复合增速达8.53%。已经成为全球最大的功率半导体市场之一。但是我国的功率半导体生产厂商与国际巨头相比还有较大差距。2015年全球主要的功率半导体厂商均为英飞凌、德仪、STM、恩智浦等国外企业。国内功率半导体器件需要大量进口,如IGBT有90%依赖进口。

2014年,我国成立了国家集成电路产业投资基金(简称“大基金”)用于推动我国的半导体产业发展。基金初期规模1200亿元,截止2017年6月规模已达到1387亿元,撬动的地方集成电路产业投资基金(包括筹建中)达5145亿元。大基金设立以来,实施项目覆盖了集成电路设计、制造、封装测试、装备、材料、生态建设等各环节,实现了在产业链上的完整布局。由于从本质上讲,功率半导体器件与集成电路(IC)芯片非常类似,它们都由PN结、双极型晶体管、MOS结构构成,因此两者的理论基础相同,大多数工艺也相同。因此大基金的设立也有利于功率半导体器件的发展。2016年,大基金以6亿元入股士兰微,投资8英寸芯片生产线,用于生产IGBT。
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下游需求旺盛,功率半导体器件交货期延长

从2016年下半年开始,功率半导体器件行情回暖,需求持续旺盛,但是受限于产能,原厂交货周期开始延长。MOSFET、整流管和晶闸管的交货周期一般是8周左右,但现在部分MOSFET、整流管和晶闸管交期已被拉长到24至30周。供不应求加剧,供应商开始上调价格。2017年9月1日,长电科技发出通知,将公司所有的MOSFET价格上调20%。9月19日,长电科技再次上调价格。在长电大涨MOSFET价格后,其它供货商立刻全面跟进涨价,包括大中、尼克松、富鼎等台系MOSFET供货商纷纷涨价。

功率半导体器件需求旺盛的一个重要原因是下游新能源汽车的高速增长。我国作为全球最大的新能源汽车市场,2017年前十月新能源汽车产量达51.7万辆,同比增长45.63%,预计全年70万辆销售目标有望完成。而汽车电子是功率半导体器件最主要的应用领域之一,2016年占比达42%。

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功率半导体器件之MOSFET

MOSFET和IGBT是目前最常用的两种功率半导体器件。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),简称金氧半场效晶体管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。通过在栅极(G)上施加电压,使得源极(S)和漏极(D)之间导通,当撤去电压或施加负电压,则使得源极(S)和漏极(D)之间断开。n基极层是为了防止在关断的情况下元件被高压击穿。因此需要承受的电压越高,n基极层就越厚,电阻也就越大。

为了改善MOSFET的电压耐受性,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在MOSFET的基础上增加一层P+层,与n基极层形成了一个pn二极管。在关断情况下,形成的pn结承受了绝大部分电压,而结构中的MOSFET不需要承受高压,因此提高了元件的耐压性能。因此IGBT一般用在高压功率产品上,电压范围一般600V-6500V;MOSFET应用电压相对较低,从十几伏到1000V。但是IGBT的延迟时间要大于MOSFET,因此IGBT应用在切换频率低于25kHz的场景,而MOSFET可以应用于切换频率大于100kHz的场景。

全球功率MOSFET的主要厂商有英飞凌、安森美半导体、瑞萨等国际巨头。其中英飞凌在功率MOSFET的市场份额达到26.4%,是第二位的安森美半导体的两倍,是功率MOSFET行业的龙头。国内的功率MOSFET市场份额也主要被英飞凌、安森美半导体、瑞萨等国际巨头占据,只有士兰微和华微电子分别占据了1.9%和1.1%的市场份额,进口替代的空间巨大。
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功率半导体之IGBT

IGBT概述

IGBT(InsulatedGate 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,有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。

从结构来看,IGBT相当于比MOSFET多一层P+注入区,通过背面P层的空穴注入能够降低器件的导通电阻;从产品来看,IGBT一般用在高压功率产品上,电压范围一般600V-6500V;MOSFET应用电压相对较低,从十几伏到1000V。

IGBT是一个非通即断的开关,与MOSFET驱动原理类似,没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。当集电极与发射极之间的电压小于零时,IGBT呈反向阻断状态;当集电极与发射极之间的电压大于零时,栅射极加一定电压(大于开启电压)时IGBT导通,否则IGBT呈正向阻断状态,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。IGBT的开关特性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,有整流逆变和变频的作用,可以应用于逆变器、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT最常见的应用形式是模块,而不是单管。IGBT模块是IGBT芯片封装后的产品,将多个芯片以绝缘方式组装在金属基板上,再用空心塑壳封装,与空气的隔绝材料是高压硅脂或者硅脂,以及其他可能的软性绝缘材料。相比于单管而言,模块的优势在于能够实现更高等级电压、减少外部电路的复杂性,但相应的成本要比分立器件高很多,特斯拉基于成本考虑采购IGBT单管并联而非模块,例如Model X使用了132个IGBT单管。

IGBT的应用领域极为广泛。按电压分布来看,消费电子领域的运用的IGBT产品通常为600V以下,新能源汽车所需IGBT一般在1200V左右,轨道交通所使用的IGBT电压较高在3300V-6500V之间。600-1300 V的中端电压范围占据了全球超过60%的IGBT市场,在这一领域大部分IGBT厂商在都同时拥有分立器件和模组产品和配套解决方案。

在中低电压领域,IGBT广泛运用于新能源汽车和家电中。IGBT是新能源汽车电机驱动系统的核心元件,是电机控制器的核心元件,其他比如车载空调控制系统和充电桩中也需要用到IGBT。在高端家用电器领域,IGBT被集成于IPM中,作为变频器的关键部件,在变频、节能上发挥重要作用。

在1700V以上的高电压领域,IGBT运用于轨道交通、清洁发电、智能电网等领域:

①高铁运行中,需要短时间内将时速从零提升到300公里或者短时间内做到减速实现平稳停靠,在这个过程中,需要通过IGBT来确保传动设备、牵引变流器以及其他电动设备所需的电流、电压精准可靠。

②在风力、光伏发电中,整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。IGBT可以将直流电转化为用户可以直接使用的交流电;同时,IGBT能将来源复杂、大小不均的“粗电”,转化为均匀、平稳、安全的“精电”。以往的光伏发电系统采用MOSFET,然而MOSFET渐渐不能满足高电压的电能转换,IGBT已逐渐取代MOSFET。

③在柔性直流输电领域,IGBT是构成换流阀阀塔的核心部件,为解决可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电等问题提供了绝佳解决方案。

发展史——国内起步晚,仅在轨交实现完全国产化

从20世纪80年代至今,IGBT芯片经历了6代升级,从平面穿通型(PT)、到沟槽型电场—截止型(FS-Trench),芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化,断态电压也从600V提高到6500V以上。第7代IGBT由三菱电机在2012年推出,IGBT更新一代的SiC技术也已经在日本普及,三菱、Fuji、Rohm等都有能力制造出SiC元件。

1) 第一代:产品采用“辐照”手段,由于体内晶体结构本身原因造成“负温度系数”,各IGBT原胞通态压降不一致,不利于并联运行,第一代IGBT电流只有25A,且容量小,有擎住现象,速度低。

2) 第二代:采用“电场中止技术”,增加一个“缓冲层”,在相同的击穿电压下实现了更薄的晶片厚度。此技术在耐压较高的IGBT上运用效果明显。

3)第三代:最大的改进是采用Trench结构,把沟道从表面变到垂直面,所以基区的PIN效应增强,栅极附近载流子浓度增大,从而提高了电导调制效应减小了导通电阻;同时由于沟道不在表面,栅极密度增加不受限制,工作时增强了电流导通能力。

4)第四代:不再采用外延技术,而是采用离子注入的技术来生成P+集电极(透明集电极技术),可以精准的控制结深而控制发射效率尽可能低,增快载流子抽取速度来降低关断损耗,可以保持基区原有的载流子寿命而不会影响稳态功耗,同时具有正温度系数特点。

5)第五代:FS-IGBT,是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中止技术”的组合。

6)第六代:FS-Trench-IGBT,是在第五代基础上改进了沟槽栅结构,并以新的面貌出现。

7)第七代:由三菱电机在2012年推出。

我国大功率IGBT在轨交领域的率先实现了自主研发生产和进口替代。首先我们通过海外并购实现了IGBT技术差距的大幅缩短,2008年株洲中车时代电气并购英国丹尼克斯公司,从而引进了6英寸IGBT的生产技术。我们在6英寸的基础上进行研发升级,在2014年6月成功在国内建造出第一条8英寸IGBT芯片生产基地,并实现了平面栅到沟槽栅的技术升级,这是国内首条、世界上第二条8英寸IGBT专业芯片生产线;同年11月,我国自主设计生产的8英寸IGBT芯片的模块在云南昆明地铁成功运行。由此,我国打破了国外高端IGBT技术垄断,形成IGBT“芯片—模块—系统应用”完整产业链。

新能源汽车领域相对薄弱,进口替代进行时。2014年3月上海先进与比亚迪开始紧密的合作,在1200V平台上开发了2个产品,通过了全套汽车级可靠性标准测试并开始装车试用;2015年8月,上海先进通过了比亚迪专家组的审核,正式进入比亚迪新能源汽车用IGBT的供应链。2015年10月,上海先进与比亚迪举行“建设战略产业联盟合作协议”签约仪式,进一步推动新能源车用芯片国产化进程。2015年12月,中车株洲时代与北汽新能源签署协议,全面启动汽车级IGBT和电机驱动系统等业务的合作。

IGBT市场规模测算

根据中国产业信息网数据,截至2016年,我国IGBT市场规模105.4亿元,约占全球的50%,2008-2016年复合增长率达到13.34%;但我国IGBT起步晚,国产化率仅为11%,其余90%的IGBT仍依赖进口。

(1)新能源汽车:未来增长主要来自于新能源汽车产业链

IGBT主要运用于电机控制系统、车载空调系统和充电桩。①IGBT是电机控制器的核心零部件,其将动力电池的直流电逆变成交流电提供给电机,进而驱动车辆行驶。②车载空调系统中,IGBT实现小功率的DC/AC逆变,从而驱动空调压缩机运行。③IGBT主要运用于直流快充电桩,直流电桩通过三相电网输入交流电,经过三相桥式整流电路整流变成直流电,滤波后提供给高频DC-DC功率变换器,进而输出需要的直流,为电动汽车动力电池充电。对于混合动力汽车,IGBT还可运用于发电机,发动机运转时,发电机通过IGBT整流,可向蓄电池充电。

新能源汽车IGBT市场规模测算:

新能源汽车所用的IGBT约占电动汽车成本的5%。截至2016年年底,我国新能源汽车产量达到51.7万辆;2016年11月国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知》:到2020年,新能源汽车实现当年产销200万辆以上,累计产销超过500万辆。根据我们的测算,2017-2020年我国新能源汽车年均增速约为40%,2017-2020年新增新能源汽车产量将超过500万辆,按照平均每辆车10万生产成本,IGBT占比5%计算,2017-2020年,新能源汽车所带动的IGBT市场规模将超250亿元。

根据Yole的研究数据,新能源汽车用IGBT在2016年达到8亿美元,占全球IGBT市场的23.81%,预计未来新能源汽车用IGBT的占比将持续增加,至2022年达到36.95%,在价值上超过20亿美元。

充电桩IGBT市场规模测算:

IGBT主要运用于直流充电桩。2015年11月,发改委、能源局、工信部、住建部四部委联合印发《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年)》通知,明确到2020年,新增集中式充换电站超过1.2万座,分散式充电桩超过480万个,以满足全国500万辆电动汽车充电需求。

目前我国充电桩市场存量约为20万座,十三五期间仍有近500万充电桩的建设需求,假设其中直流充电桩100万座,单位成本10万,IGBT占总成本比例为20%,则2017-2020年,充电桩所带动的IGBT市场规模将达到200亿元。

综上,整个新能源汽车领域(汽车+充电桩)的快速布局和发展,将有力拉动IGBT市场需求,十三五剩余期间(2017-2020),IGBT在新能源汽车产业的市场规模将超过450亿元。

(2)轨道交通

IGBT在轨交领域已经实现了技术突破和全面的国产化。2015年10月22日,隶属中国中车的永济新时速电机电器表示,国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片通过高铁系统上车试验,实现产品化应用。2016年底,中车株洲电力机车研究所研发的8英寸IGBT高铁控制系统成功中标印度机车市场,这是我国高铁装备核心器件首次获得海外批量订单。

动车组最核心的部件之一是“牵引变流器”,它负责将超高电流转化为列车的动力。以CRH3为例,每辆列车装有4台牵引变流器,每台搭载了32个IGBT模块,共128个,这些IGBT模块为整个列车提供了约10兆瓦的功率。

轨交IGBT市场规模测算:

(1)我们先计算高铁IGBT市场规模:如下表所示,每辆动车组列车所需IGBT模块数量80-150不等,我们取平均值,每列动车所需IGBT模块数量为115个。

根据国家铁路局的数据,截至2016年我国共有2586组动车;目前我国高铁营运里程为2.2万公里,根据《中长期铁路网规划》:到2020年,铁路网规模将达到15万公里,其中高速铁路3万公里,覆盖80%以上的大城市,即到2020年,高铁里程将新增0.8万公里。对于城际铁路,国家规划在“十三五”期间,城际铁路新开工建设5000公里左右。因此十三五期间,新增里程合计将达到1.3万公里。

按照当前的高铁密度,即每公里0.12辆(2586/22000)的密度,十三五期间还需要1528辆动车组列车,按照每列动车需要115个IGBT模块、每个模块1万元来计算,十三五期间,高速铁路/城际铁路所带动的IGBT市场规模将达到17.6亿元。

(2)计算地铁所需IGBT市场规模:目前我国正在运行的地铁里程已经达到了3300多公里,在十三五期间,地铁运营里程有望达到6000公里。截至2015年,我国地铁数量18098辆,按照当前的地铁密度、每辆地铁需要25个IGBT模块、每个模块1万元计算,十三五期间,地铁所带动的IGBT市场规模将达到37亿元。

综上,十三五期间IGBT在轨道交通领域的新增市场规模将超过50亿元。

(3)智能电网

IGBT在智能电网的发电端、输电端、变电端和用电端均有广泛应用。

以输电端为例:“柔性直流输电技术”是20世纪90年代发展起来的一种新型直流输电技术,它将半控型电力电子器件升级为全控型电力电子器件(IGBT),具有响应速度快、可控性好、可向无源网络供电、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点,在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市配电网增容改造等领域具有独特的优势。柔性直流输电技术可整合来自多个站点的清洁能源,通过大容量、长距离的电力传输通道,到达多个城市的负荷中心,为新能源或者分布式能源的并网提供有效的解决方案。

柔性直流输电中,“模块化多电平换流器”(MMC)是关键设备。参照厦门±320kV/1000MW柔性直流输电科技示范工程,柔性输电需要两台MMC,每台由6个桥臂组成,每个桥臂由3座IGBT换流阀阀塔串联而成,每座阀塔为双列式布置,如图10,;阀塔共3层,包含12个阀模块,每个阀模块包含6个子模块。因此每台MMC包含1296个IGBT模块,两台MMC组成整个换流系统,共需2592个IGBT模块。IGBT模块采用1500A/3300V,单价约为8000元,即单项柔性输电工程需要的IGBT模块价值约为2000万(2592×0.8万)。

截止2016年,我国光伏和风电装机容量分别为7742万千瓦和16873万千瓦,2020年,光伏和风电目标装机容量分别为10500万千瓦和21000万千瓦,因此十三五期间光伏、风力发电仍需新增装机容量6885万千瓦。假设这6885万千瓦电能中一半使用柔性输电技术,单个输电规模100万千瓦,则约需34座柔性输电站;根据上文的计算,每个输电站需要价值2000万元的IGBT,则十三五期间,新能源发电所带来的输电端新增IGBT市场需求约为6.8亿。

(4)白色家电:家电变频化带来巨大进口替代空间

IGBT另一重要的应用领域为变频家电,IGBT与快速恢复二极管等功率半导体器件、控制IC、过电压过电流等故障检测电路集成为“IPM”智能功率模块。IPM具有体积小、可靠性高的特性,IGBT开关速度高,驱动电流小,能够很好地满足高功率电器变频需求,且内部的过压、过流、过热等故障监测电路,可实时监控IPM的运行状态,为白色家电提供安全、高效的变频控制方案。

目前国内变频家电所用的IPM百分之95%以上依赖进口,国产化率极低;目前仅士兰微研发并生产出稳定的IPM功率模块,实现量产并运用于主流家电厂家,预计今年产量达到150万颗,虽然这对整个白色变频家电市场而言还是微乎其微,但迈开了国内家电IPM市场进口替代的第一步。

家电变频化是未来的发展趋势,近些年变频空调、洗衣机和冰箱占比逐年提升,根据产业在线的数据,截至2017年6月变频空调、洗衣机和冰箱的占比分别达到38.14%、26.71%、13.76%。假设最乐观的情况,如果所有白色家电都变频化,每台家电IPM单价以3美元计算,则每年3亿多的白色家电产量对应的IPM市场规模将超过9亿美元。

国内外企业梳理

IGBT方面全球IGBT 市场中最主要的供应厂商包括英飞凌(Infineon)、三菱(Mitsubishi)、富士电机(Fuji Electric)、东芝(Toshiba)、ABB、仙童(Fairchild)等(仙童在2016年被安森美——ONSemiconductor收购)。在600V以下的消费级IGBT领域,英飞凌和安森美处于领导地位,在1200V-1700V的中压领域,英飞凌、三菱占据主导地位,而后者(三菱)同时主宰了2500 V以上的高电压IGBT领域。

根据英飞凌年报,2016年英飞凌以26.6%的市占率稳坐全球IGBT市场头把交椅,其次为三菱电机和富士电机,分别17.0%和12.2%的市场份额;全球CR5接近70%,集中度较高。

国内IGBT产业起步较晚,我们统计出产业链中主要的25家企业,其中IDM模式企业有7家,封装模块企业6家,芯片设计9家,芯片制造5家。

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功率半导体下游代表应用——电机控制器

电机控制器是新能源汽车三大核心部件之一,而IGBT是电机控制器的核心零部件,占电控成本约30%。我国已基本掌握了膜电容、电流传感器等电控关键零部件的生产技术,并实现国产化,但在IGBT领域差距较大,基本依赖进口(以英飞凌为主)。

从技术路线来看,目前我国规模化生产的电机控制器的比功率为5-8 kW/L,仅为国际先进水平的50%(国际先进水平为12-16 kW/L),我国的电机控制器、车载充电机和DC/DC等车载电力电子大多仍采用独立封装的形式,比功率和系统集成度低、重量大。在功率密度技术指标上,2020年的目标是达到15 kW/L,在使用SiC材料的条件下目标为30kW/L。而IGBT的技术路线规划至2020年国产化率达到20%,逆变器性能和可靠性达到国际先进水平。

受益新能源产业发展,十三五500亿市场

一般来讲,一辆新能源汽车需要一台电机控制器,所以电机控制器与新能源汽车产业发展密切相关。2012年6月,国务院发布了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》,提出了到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆;2016年10月和11月,《“十三五”控制温室气体排放工作方案》和《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》再次强调了2020年200万产量、超过500万累计产销的目标。

基于2020年200万产量的政策预期,我们对我国电机控制器市场规模进行了预测。我们将市场分为三类:乘用车、客车、专用车。其中,乘用车增速最快,客车由于渗透率较高增速相对较慢,专用车预计在2017年迎来爆发;从产品价格来看,乘用车<专用车<客车,随着技术进步和市场竞争加剧,我们假定电控产品单价会逐年递减。最终我们得到2017-2020年电机控制器市场规模分别为85.81、108.19、134.92、166.15亿元,合计495亿元的市场空间。

目前自配为主,第三方配套是方向

目前国内电机控制器市场大致可分为三类:①整车厂商自产的电控,典型的即为比亚迪、北汽新能源和上汽,比亚迪是从电池电机电控到整车全产业链涉足的典范,上汽则是通过下属华域电动来生产电机控制器。②驱动电机系统总成供应商,典型的为上海电驱动和上海大郡,上海电驱动为大洋电机子公司,二者在电机和电控领域实现优势互补,上海大郡为正海磁材子公司,其与卧龙电气合资成立公司生产电机。③第三方电控产品供应商,包括汇川技术、蓝海华腾、英威腾、英搏尔等。

目前我国仍以车企自配电控为主,2016年车企自配电机及控制器占总装机量的一半以上。在乘用车领域,整车企业由于具备较强的综合实力,通常会以自主研发生产电控为主,适当采购第三方电控产品;而在客车领域,整车企业通常在电控领域研发经验不足,大多选择外购电控产品,个别实力较强的的客车企业会选择自主研发生产或者自配与外购相结合的方式,如宇通。

自配OR外购?自配电机电控通常需要很大的资金投入,比如比亚迪的全产业链生产模式,全产业链模式虽然降低了生产成本,但也有可能导致内部在缺乏市场竞争的情况下效率低下的问题,现在我们也看到比亚迪正逐步放开供应链,与第三方零部件厂商进行合作,我们认为第三方供应模式更加符合专业化分工的产业发展趋势,也更加能够促进市场的高效发展。通过与整机厂商密切的合作研发,第三方供应商针对整车厂商的需求灵活配套,具备了出色的电机匹配能力。

商用车先行,乘用车领域逐步渗透

国内从事新能源汽车电机、电控的厂商约40家,其中能批量供货有15家左右,我们对市场较为知名的电控厂商的客户进行了梳理,详见下表。上市公司中包括比亚迪、上海电驱动(被大洋电机收购)、上海大郡(被正海磁材收购)、大地和(新三板上市公司)、方正电机、汇川技术、蓝海华腾、英搏尔、英威腾、麦格米特。

大多动力总成供应商和第三方供应商从客车领域切入,主要是由于客车载客量大、里程相对固定、运行时间可控,ToB的新能源客车在国家政策的鼓励下率先发力;且客车电控认证周期较短,单品价值量远高于乘用车,产品毛利率较高。今年新能源汽车政策的调整导致商用车市场萎靡,而随着人们对新能源汽车的接受度不断提升,乘用车市场高速发展,2017年前十月,乘用车占整体新能源汽车的销量占比接近8成。乘用车电控市场逐渐被打开,传统的电控厂商也开始了转型之路,典型的比如:汇川技术、蓝海华腾,在乘用车领域不断投入研发,未来有望逐步渗透进乘用车市场。

从技术壁垒来看,乘用车壁垒要高于商用车。因为乘用车电机控制器对电机的驱动控制精度,操控性能,安全性和稳定性等方面要求更高,同时由于空间和整车重量的要求,乘用车对电机电控的轻量化、一体化设计要求也更高。

补贴退坡,毛利率承压

新能源汽车补贴逐年下降、享受补贴的车辆标准逐年提高是大势所趋,目前的补贴退坡预期是2017-2018年补贴标准在2016年基础上下降20%,2019-2020年补贴标准在2016年基础上下降40%,新能源汽车高速发展的同时,政府将逐步取消大力度的财政扶持。

根据2016年底财政部、科技部、工业和信息化部、发展改革委联合发布的《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,2017年乘用车补贴在2016年的基础上退坡20%,而10m以下客车退坡幅度较大,6<L≤8m达到70%,8<L≤10m达到50%。

补贴退坡的同时,补贴的发放时间也做出了调整。根据之前的补贴政策,每年2月底前,生产企业申报本年度新能源汽车预计销售情况,四部委组织审核后按照一定比例预拨补助资金。年度终了后,次年2月底前,生产企业提交上年度的清算报告及产品销售、运行情况,四部委组织审核并对补助资金进行清算。现行的补贴政策取消了事前拨付,改为事后清算:每年初生产期提交上年度的资金清算报告及产品销售、运行情况,层层部门审核并重点抽查,最终财政部根据核查报告按程序拨付补贴资金。

在补贴退坡和补贴清算方式调整的双重影响下,车企的资金压力倍增,造成车企逐渐开始向上游零部件供应商转移成本压力。动力电池、BMS、电机控制器等关键部件都出现了不同程度的价格下滑,以锂电池巨头CATL为例,根据其招股说明书,2017年上半年CATL动力电池系统售价1.52元/Wh,相比2016年下降26.21%。

电机控制器生产厂商的毛利率在2017年出现不同程度的下滑。汇川降幅较大,2017H1毛利率相比2016年度下降16.61pct,两大动力总成厂商上海电驱动和上海大郡的毛利率下降幅度在7%-11%。根据我们的草根调研,今年以来,汇川电控产品的单价下降幅度预计在10%-20%,蓝海华腾预计在20%,英搏尔预计在10%-15%。

我们认为,受到下游整车厂商压缩成本的影响,电控行业的整体降价还会持续,盈利空间的持续压缩会带来行业的洗牌,最终真正具备技术和产品优势的企业会活下来,这将有利于行业的长远发展。

电控用IGBT——十三五约90亿市场

在新能源汽车领域,IGBT主要运用于电机控制器、车载空调系统和充电桩,IGBT约占电机控制器成本的30%。我们延用表2的预测数据来测算IGBT在电机控制器领域的市场规模:假设2017-2020年电机控制器平均毛利率为40%,IGBT占电控平均成本的30%,以此我们测算出2017-2020年IGBT在电控领域的市场规模分别达到15.51、19.46、24.28、29.90亿元,合计约89.16亿的市场空间。集成化是发展趋势

电机控制器的集成化本质上是电力电子集成,典型的是将电机驱动、DC/DC和高压配电集成(三合一),另外油泵、气泵、充电机等零部件也可集成,从而实现四合一甚至五合一的电机控制模块。集成化使得车载电力电子系统的功率密度倍增,减少了封装合体、线束、电路数量,一方面降低了制造成本,另一方面实现了轻量化的布局。

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国内功率半导体进口替代进行时

捷捷微电:具备晶闸管自主设计和制造能力,进口替代空间大

捷捷微电的主要产品是晶闸管、半导体防护器件。从产品构造划分,可以分为功率半导体芯片和封装器件。封装器件是芯片经过后道工序封装后制成,因此芯片是决定功率半导体分立器件性能的核心。晶闸管主要用于电力变换与控制,通过微小的信号功率对大功率的电力进行控制,具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、控制灵敏、寿命长等优点。晶闸管除了用于整流,还可以作为无触点开关实现电力的逆变和变频等变换。半导体防护器件主要有半导体放电管(TSS)、瞬态抑制二极管(TVS)、静电防护元件(ESD)、高压触发二极管(SIDAC)等,可用于汽车电子、手机、户外安防、电脑主机等各类需要防浪涌冲击、防静电的领域,用于保护电子电路。

现阶段,相比全控型的功率半导体分立器件如MOSFET和IGBT,晶闸管是我国半导体分立器件中技术比较成熟的细分产品。此外在普通晶闸管的基础上,已经派生出了单向晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管、高频晶闸管等新型晶闸管,在性能上弥补了普通晶闸管的不足。在功率半导体分立器件市场,晶闸管的价格明显低于MOSFET和IGBT。而且在所有功率半导体分立器件中,晶闸管耐压容量最高(可达12KV以上)、电流容量最大(可达6000A以上),因此在高压直流输电、静止无功补偿、大功率直流电源等领域占有十分重要的地位。

国内大多数半导体分立器件制造商不具备芯片设计和制造的能力,仅从事半导体分立器件的封装。而捷捷微电已经形成以芯片研发和制造为核心,芯片封装为配套的完整生态链,已经研发并生产200多种型号和规格的标准产品。国内外知名客户如西班牙法格电子公司、浙江德力西电器股份有限公司、无锡罗姆半导体科技有限公司等都在逐步增加对公司产品的采购数量。近几年,公司收入保持较快增长,营业收入从2011年的1.7亿元增长到2016年的3.32亿元,复合增速为14.25%。2017年前三季度营业收入同比增长32%,归母净利润同比增长27%。公司收入的增长主要来源于产品销量的增加。

扬杰科技:积极布局SiC宽禁带功率半导体器件

公司产品比较齐全,涵盖了整流桥、二极管、MOSFET模块等产品,采用IDM(设计+制造+封测)经营模式。集成电路领域的两个重要基础是工艺能力和设计能力。因为数字逻辑芯片的生命周期短,迭代较快,采用一般采用fabless模式,适应行业的快速发展。但是分立器件的壁垒是制造工艺,而工艺的迭代速度要比电路设计的迭代速度慢,因此分立器件有较长的生命周期,采用IDM模式能提高自己的技术壁垒。公司的光伏二极管、贴片式整流桥及车用大功率二极管芯片能产品的市场占有率居于行业领先地位。

公司沿着建设硅基4寸、6寸、8寸晶圆工厂,以及分别对应的中高端二极管、MOSFET、IGBT封装工厂的道路不断提升工艺水平。同时进行碳化硅基同类晶圆和封装产线的建设,把握行业趋势,积极布局宽禁带半导体。目前公司在4寸晶圆板块持续扩大GPP工艺芯片和汽车电子芯片产能。6寸晶圆板块加大研发,实现Trench工艺芯片、中高端MOSFET芯片大规模量产。8寸晶圆板块还处于规划中。外延并购方面,收购MCC(美国)、美微科(台湾)和美微科(深圳)。公司营收保持快速发展,营业收入从2011年的4.50亿元增长到2016年的11.90亿元,复合增速达21.49%。士兰微:国家大基金入股,8寸线如期试产

公司主要产品包括集成电路、半导体分立器件、LED产品等三大类,采用IDM模式。公司芯片产能达20万片/月,根据ICinsight在2016年12月发布的数据,士兰微的产品在全球中等尺寸(芯片尺寸小于等于150mm)的芯片生产企业中位居第五位。2016年公司的8英寸芯片生产线项目获得了国家集成电路产业投资基金6亿元投资,2017年上半年已经进入试生产阶段,下半年将完成高压集成电路、超结MOSFET、IGBT等工艺平台的导入和量产爬坡。公司营业收入稳步增长,从2011年的15.46亿元增长到2016年的23.75亿元,复合增速为8.97%。但是归母净利润波动比较大,主要是因为销售净利率比较低,仅有5%左右,因此受成本和研发费用波动的影响比较大。

华微电子:第六代IGBT产品研发成功

公司采用IDM模式,拥有4英寸、5英寸与6英寸等多条功率半导体分立器件及IC芯片生产线。公司芯片加工能力超过400万片/年,封装资源为60亿只/年。公司产品有IGBT、VDMOS、FRED、SBD、BJT、IPM等,主要应用于汽车电子、电力电子、光伏逆变、工业控制与LED照明等领域。目前公司第六代IGBT产品已经研发成功,并且在新能源汽车、充电桩、变频家电等领域取得了良好的应用反馈。2012年开始公司毛利率和净利率大幅下降,毛利率仅有20%左右,下降了近10个百分点,净利率仅有3%左右。但是2017年开始毛利率和净利率出现了回升。而营业收入和归母净利润也在振荡上升。预计随着第六代IGBT的出货,公司的业绩将有望改善。

英搏尔:电机控制器推荐标的

公司主营业务是以电机控制器为主,车载充电机、DC-DC 转换器、电子油门踏板等为辅的电动车辆关键零部件的研发、生产与销售。产品广泛运用于新能源汽车、中低速电动车、场地电动车等领域,其中纯电动乘用车以及中低速电动车系公司主要销售领域。

中低速电机控制器客户主要包括御捷、时风、雷丁、道爵等;纯电动乘用车方面,目前已和北汽新能源、江淮、海马、吉利、众泰等整车厂商达成批量供货协议,长沙众泰新能源汽车70%以上电机控制器由公司供应,北汽新能源爆款车型EC180电机控制器由公司100%提供,同时公司是江淮IEV4、6系列时光版的主流供应商,同时公司也已和陕西通家、青年汽车、北汽新能源、江淮以及海马等纯电动乘用车整车厂达成了批量供货协议。

今年得益于纯电动乘用车电机控制器业务的放量,电机控制器毛利率略有提升,中报毛利率37.54%相比年初提升4.32pct;前三季度公司实现销售收入3.35亿元,同比增长27.71%,实现归母净利润5343万元,同比增长54.53%。

公司专注于小微型车电机控制器市场,我们认为,未来小微型车仍有望保持较快增长,增长驱动力主要来自于三个方面:

①新能源汽车主流厂商开始布局小微型车,部分中低速厂商也寻求升级,小微型电动车市场供给充足。过去比亚迪推出的插电混动车和纯电动车,涵盖了A级-C级轿车,以及SUV,售价都在15万元以上,今年8月,比亚迪宣布从18年开始将主推10万元以下的小微纯电动车,进军低端市场。另一方面,部分中低速电动车在国家“升级一批、规范一批、淘汰一批”的政策引导下逐渐转向新能源汽车领域,典型的比如河北御捷,其在今年拿到新能源汽车牌照,在9月公布的第十二批新能源汽车目录中,御捷的“E行”、“E骋”等4款车型入选。

②广大三四线城市对小微型车的市场需求旺盛。近几年A0及以下小微型电动车在纯电动乘用车中的占比稳定在70%左右,2017年前十月,A00累计销量达到19.74万辆,同比增长175%,显示出强劲的增长态势。同时我们注意到,山东作为全国最大的低速电动车生产省份,从今年下半年开始低速车市场逐渐回暖,今年前八月山东低速电动车累计产量同比仍增长15%,证明广大三四线及农村地区对低速电动车的旺盛需求,在消费升级趋势下,这部分人群也将成为小微型车的潜在消费群体。

③小微型成降低油耗积分的高性价比选择。对平均燃料消耗量积分而言,它是企业平均燃料消耗量的达标值和实际值之间的差额,而在计算实际值时,新能源汽车纳入计算范围(体现在分母),并可以乘以一定的放大系数,从而降低油耗积分实际值。新能源车系数在2018-2019年为3,2020年为2,而普通的非节能车系数仅为1,且新能源汽车系数不区分车型,对厂家而言,小微型车是降低油耗积分实际值的最便捷途径,因为相对而言,小微型车比较容易上量且销售推广成本较小,具有价格优势。

公司是为数不多的具备乘用车电机控制器量产能力的企业之一。目前市场主流的第三方电控供应商,如汇川技术、蓝海华腾、英威腾等,均只能生产客车、物流车电机控制器,乘用车电机控制器还处于研发阶段,要达到量产水平还需要两三年的时间,相比而言,英搏尔先发优势明显。

针对A级车以上的市场,公司也早有产品储备,且客户拓展正在进行中。下图列式了两款电机控制器产品,第一个四合一的动力总成产品可应用于A00、A0、A、小型SUV车型;第二个高速电机控制器产品可应用于A、B,甚至C、SUV、MPV等大车型。