功率半导体黄金赛道：技术迭代×能源革命×国产替代的三重奏

证券分析师：唐仁杰S0370524080002行业评级：增持 摘要•基于Omdia数据，功率分立器件、功率模块市场规模由2023年的357亿美元，萎缩至2024年的323亿美元，近十年年复合增长率为7.14%。广义口径下，2024年全球功率器件（含SiC）规模为530.6亿美元，2020-2024年复合增长率为3.55%。随着第三代半导体材料加速渗透，预计2024-2029年间，全球功率器件有望维持8.43%的年复合增长率至795.3亿美元。相对于车规级功率半导体，功率半导体分立器件及模块的集中度偏低且较为分散，CR5占比在50%以下。但仍以外企主导，龙头英飞凌市占率稳定在20%左右，国内替代空间相对较大。•中国作为全球最大的功率半导体消费国，贡献了约40%的功率半导体市场。根据Omdia及中商产业研究院预测，2023年国内功率半导体市场规模约为1519.36亿元，2024年预计规模增长至1752.55亿元。•新能源车打开IGBT、SiC增长空间，国内车规级半导体市占率有待提升：根据S&P Automative Semiconductor Tracker预测，2024年纯电BEV市场为1100万量，预计2030年纯电规模将增长至3200万量，年复合增长率约为20%。受益于高压-高功率化、材料迭代、SDV驱动，英飞凌预测，BEV的半导体单车BOM将从2024年的单车1300美元增长至2030年的1,650美元（高端车型或至2,500美元）。中国新能源车出货量占比持续攀升，占比超过50%。国内车规级功率半导体市占率与新能源车销量产生较大差异，全球车规级半导体市场规模由2019年的372亿美元增长至2024年683.8亿美元。但是，当前车规级用功率半导体集中度远高于功率半导体分立器件及模块。Top3分别为英飞凌、意法半导体、德州仪器，市占率分别为29.20%、20.10%、10.10%。•AI驱动兆瓦级供电需求，800V HVDC依赖于高性能功率半导体材料：全球算力设备能耗随人工智能需求爆发大幅增长。算力设备是能耗和碳排放的重要来源。2024年-2030年，AI芯片将为数据中心IT设备负载带来每年4至9GW的新需求，在数据中心新增的全部IT设备负载约占70%。主流AI训练机柜正从传统的10–15kW抬升至30kW以上，高端液冷机柜甚至冲向100kW。一套高密度AI服务器机柜仅功率半导体用料就高达1.2–1.5万美元，包括24只PSU、36块GPU板、18块48V母线转换板、>300颗保护器件等。•传统功率二极管陷入“高耐压vs低损耗”两难：在功率MOS器件设计中，击穿电压(BV)与特征通态电阻(𝑅𝑜𝑛流，必须降低半导体掺杂浓度并增厚漂移区厚度，导致导通电阻和正向压降显著升高。碳化硅（SiC）是一种典型的第三代半导体材料，具有相对于硅（Si）显著更大的带隙、更高的击穿场强和热导率等优势•国内市场碳化硅渗透率更快，增长更为可观：受益于新能源汽车、储能及其他电力领域应用高速增长，国内6英吋外延片由2019年的3.4万片增长至2023年的18.8万片，复合增长率为52.8%，增速高于同期全球6英吋销量的46.1%。弗若斯特沙利文预测，中国8英吋销量预计在2028年达到103万片，2023年至2028年复合增速644.9%，同期全球8英吋碳化硅销量预计为308.1万片，8英吋国内市场需求或占据33.4%的份额，碳化硅外延片整体需求占全球市场份额约40%。•相关公司：我们认为，AI数据中心+高功率车载动力平台有望加速碳化硅快速渗透，国内碳化硅市场份额较大且渗透率高于全球，市场空间及增长可观，建议关注：扬杰科技（300373.SZ)、三安光电（600703.SH)、新洁能（605111.SH）、天岳先进（688234.SH)、士兰微（600460.SH）、华润微（688396.SH）、斯达半导（603290.SH)•风险提示：宽禁带材料主要应用于高压、高功率场景，主要集中于新能源车、智能电网等领域，下游需求景气度存在波动；功率半导体生产前期投入成本较高，需实现一定的规模化；生产设备、材料对外依赖度仍然较高，贸易摩擦或影响产能爬坡；半导体行业周期性下行；政治、政策不确定性因素及其他宏观因素 )的关系非常密切，其基本关系式为𝑅𝑜𝑛=5.93×10−9（𝐵𝑉）2.5。高耐压下抑制漏电 目录一、全球功率半导体市场：第三代半导体材料维持高增长二、全球功率半导体（分立器件及模块）较为分散，但头部企业仍以外企为主五、储能及AI算力中心建设或成为新型功率半导体“增长曲线”六、传统功率二极管陷入“高耐压vs低损耗”两难三、功率半导体正从“单一器件”向“系统级解决方案”演进四、新能源车打开IGBT、SiC增长空间，国内车规级半导体市占率有待提升 风险提示：宽禁带材料主要应用于高压、高功率场景，主要集中于新能源车、智能电网等领域，下游需求景气度存在波动；功率半导体生产前期投入成本较高，需实现一定的规模化；生产设备、材料对外依赖度仍然较高，贸易摩擦或影响产能爬坡；半导体行业周期性下行；政治、七、超结(SJ-MOS)、IGBT推动功率MOS步入高频、耐压、低损耗时代八、IGBT ≈ BJT +功率MOS，沟槽型IGBT或成为主流趋势九、宽禁带半导体材料成为高压、大功率、高温的理想材料十、SiC衬底的制备过程十一、SiC外延技术十二：相关公司 政策不确定性因素及其他宏观因素 功率半导体研究图谱 全球功率半导体市场：第三代半导体材料维持高增长•基于Omdia数据，2023年功率分立器件、功率模块市场规模357亿美元，2024年萎缩至323亿美元，近十年年复合增长率为7.14%。•广义口径下，2024年全球功率器件（含SiC）规模为530.6亿美元：2020-2024年复合增长率为3.55%。随着第三代半导体材料加速渗透，预计2024-2029年间，全球功率器件有望维持8.43%的年复合增长率至795.3亿美元。•第三代半导体材料保持高增长：新型宽禁带材料功率半导体增速较高增速，碳化硅功率器件2020-2024年期间复合增长率为45.4%；根据Omdia，Yole预测，2024-2029年全球碳化硅功率器件市场或将保持39.9%的复合增长率至136亿美元。图：碳化硅功率器件有望维持年复合增长39.9%至2029年的136亿美元数据来源：Yole，金元证券研究所图：2024年全球功率半导体分立器件及功率模块市场份额萎缩至323亿美元数据来源：Omdia，金元证券研究所 全球功率半导体（分立器件及模块）较为分散，但头部企业仍以外企为主•2024年全球功率半导体（分立器件及模块）来看，英飞凌市占率为首位，为20.8%；第二名安森美市占率为9.2%；中国企业士兰微市占率为3.3%，较2023年上升0.7pct。比亚迪市占率持续提升，跃居至全球第七位。•相对于车规级功率半导体，功率半导体分立器件及模块的集中度偏低且较为分散，CR5占比在50%以下。但仍以外企主导，龙头英飞凌市占率稳定在20%左右，国内替代空间相对较大。图：全球功率半导体（分立器件、模块）头部企业市占率数据来源：Omdia，英飞凌，金元证券研究所图：全球功率半导体（分立器件、模块）市场集中度偏低，CR5在50%以下数据来源：Omdia，英飞凌，金元证券研究所 国内是全球最大的功率半导体消费国•中国作为全球最大的功率半导体消费国，贡献了约40%的功率半导体市场。根据Omdia及中商产业研究院预测，2023年国内功率半导体市场规模约为1519.36亿元，2024年预计规模增长至1752.55亿元。•从市场结构来看，功率集成电路，包括电源管理芯片、驱动芯片、AC/DC等占比最大；分立器件MOSFET、功率二极管及IGBT占比分别为16.4%、14.8%、12.4%。图：按类型划分市场占比数据来源：Omdia，中商产业研究，金元证券研究所图：中国功率半导体市场规模数据来源：Omdia，中商产业研究，金元证券研究所 功率半导体正从“单一器件”向“系统级解决方案”演进•功率处理包括：变频、变压、变流、功率放大、功率管理等。目前以汽车电子、计算机、通信、消费类产品为代表的4C市场占据了多数功率半导体的应用市场，高压横向功率器件结构的改进又产生了单片功率集成电路市场。•计算机、通信和汽车工业方面应用的功率半导体器件，其耐压等级在200V以下；电动控制、机器人和动力分配方面应用的功率半导体器件，其耐压等级超过200V。功率器件的应用是工作频率的函数。大功率系统（例如高压直流输电配电系统和机车驱动装置）在相对低的频率下进行兆瓦级功率控制。随着工作频率的增加，对于100W的典型微波器件，其额定功率有所降低图：基于额定功率（Y）、工作频率（X）的功率半导体应用数据来源：金元证券研究所图：功率半导体应用范围极广数据来源：Yole，金元证券研究所 功率半导体正从“单一器件”向“系统级解决方案”演进•功率半导体正从“单一器件”向“系统级解决方案”演进，成为智能终端、能源网络、工业系统的“心脏”。•通过3D Packaging、Embedded Die、SoC等封装、集成技术，将功率模块封装或集成至单一芯片，可减少互连损耗、提升功率密度。以英飞凌为例，通过Embedded Power技术将Mosfet直接嵌入PCB基板，降低电感与热阻，逐步优化其收入结构。通过整合产品组合，为汽车客户提供一体化解决方案，英飞凌ATV部门自FY2020-FY2024实现24%年复合增长率，其中功率器件仍占较大比重。•同样，Navitas提供GaNFast将多种功率分立器件组合到单个GaNIC，以提高速度、效率、可靠性和成本效益。图：英飞凌通过产品组合提供汽车一体化解决方案，公司实现24%年复合增长率数据来源：英飞凌，金元证券研究所图：Navitas基于GaN分立器件组合为GaNFastIC数据来源：Navitas，金元证券研究所 新能源车打开IGBT、SiC增长空间，国内车规级半导体市占率有待提升•根据S&P Automative SemiconductorTracker预测，2024年纯电BEV市场为1100万量，预计2030年纯电规模将增长至3200万量，年复合增长率约为20%。•受益于高压-高功率化、材料迭代、SDV（soft design vehicle)驱动，英飞凌预测，BEV的半导体单车BOM将从2024年的单车1300美元增长至2030年的1,650美元（高端车型或至2,500美元）。除了驱动系统对高功率需求外，ADAS、舒适性及安全性等同样推升单车半导体BOM。图：BEV驱动功率半导体演进驱动类别典型变化对功率器件的具体影响高压-高功率化400 V→800 V、双/三电机1200 V SiC MOSFET、IGBT功率段显著提升材料迭代Si→SiC(牵引逆变器)；Si→GaN(22 kW OBC)SiC材料需求SDV增量车身12-48 V负载激增、域/区控低压MOSFET数量需求数据来源：金元证券研究所图：预计2030年，BEV车规级半导体BOM将达到1650美元/辆数据来源：英飞凌，金元证券研究所 新能源车打开IGBT、SiC增长空间，国内车规级半导体市占率有待提升•IGBT功率模块在电机控制器中发挥了核心作用，直接控制直、交流电的转换，同时对交流电机进行变频控制，通过决定驱动系统的扭矩和最大输出功率来直接影响新能源汽车的加速能力和最高时速，堪称核心之核“芯”。•新能源汽车IGBT成本与车型定位、系统功率需求深度绑定，市场价值分布呈现显著的结构性差异。从功能模块来看，主驱电控系统IGBT价值量约1000元，承担电能转换核心功能，OBC、空调压缩机、电子助力转向等子系统IGBT价值量均低于300元，合计占比约25%-30%。从车型来看，级别越高所搭载的功率模块越多，价值量越高，A00/A0级新能源汽车IGBT价值量为600-900元，高级车型IGBT价值量为3000-3900元。从销量结构来看，中低