（報告出品方/作者：天風證券，潘暕、程如瑩）

1.新能源汽車開啟半導體行業新一輪成長趨勢

汽車三化（電動化、網聯化、智能化）趨勢將帶動汽車半導體需求大幅增長。根據國務院 辦公廳 2020 年發布《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035 年）》，新能源汽車已成為 全球汽車產業轉型發展的主要方向和促進世界經濟持續增長的重要引擎，過去 10 年中國 新能源汽車已經從 0 到 1 突破，有望迎來 1 到 N 的加速發展段，而電動化、網聯化、智 能化也成為汽車產業的發展趨勢，其中半導體在三化發展中起到至關重要的作用，是汽車 三化發展的核心支撐，隨著三化的發展有望帶動汽車半導體需求大幅度增長。

1.1. 汽車半導體量價齊升，市場空間正快速擴大

BEV 純電動車有望成為未來新能源汽車發展的主要方向。新能源汽車根據發動機主要可 以分為 HEV（混合電動汽車）、PHEV（插電式混合電動汽車）、BEV（純電動汽車）。其 中，HEV 是最常見的混合動力類型，它的動力驅動方式可以通過使用燃料的發動機和帶 有電池的電動機。PHEV 電池容量比較大，由較長的純電續航里程，且有充電接口，一般 需要專用的供電樁進行供電，在電能充足的時候，采用電動機驅動車輛，而電能不足時， 發動機發電給動力電池。BEV 則不需要燃油機，只需要依靠電池提供能量，所以會配置較 大容量的電池。BEV 的優勢在于零排放。受益于國家的雙碳計劃，BEV 有望成為未來新 能源汽車發展的主要方向。
 

中國新能源汽車銷量增速高于全球，2020 年中國新能源汽車銷量達到 136.7 萬輛。根據 EV-volumes 公布的數據，2014 年全球新能源汽車銷量為 32.1 萬輛，2020 年達到 324 萬輛，2014-2020 年復合增長率為 47%；根據中國汽車工業協會公布的數據，2014 年 中國新能源汽車銷量為 7.5 萬輛，2020 年達到 136.7 萬輛，2014-2020 年復合增長率 為 62%；整體來看全球與中國新能源汽車銷量皆快速增長，且中國的增速高于全球。

雙碳計劃促進新能源汽車發展，新能源汽車的碳減排潛力相較傳統燃油車更具優勢。國內 要實現雙碳目標，可能性路徑包括中國工業和公路交通等領域加速電氣化、加速部署可再 生電源等零碳電源等。受益于雙碳目標，新能源汽車替代傳統燃油車已是大勢所趨。在車 輛使用階段，新能源汽車的碳減排潛力有明顯優勢。純電動汽車與油車相比，單車運行階 段減排比例介于 2~43%。若電動汽車的電耗降低，新能源電力使用比例提高，新能源汽 車減排量比例還會進一步提升。
 

2021 年上半年全球新能源汽車銷量同比接近翻倍，全球各國家銷量皆大幅度提升。根據 EV-volumes 預測，2021 年全球新能源汽車銷量預計達到 640 萬，相較于 2020 年同比 增長 98%。全球輕型汽車市場已從 2020 年上半年的 -28% 的低迷中部分恢復，同比增 長 28%。2021 年上半年部分地區新能源汽車由于基數較低因此呈倍數增長，歐洲同比增長 157%，中國同比增長 197%，美國同比增長 166%，其余市場同比增長達到 95%；除 日本外，所有主要市場在今年上半年的電動汽車銷量和份額均創下新紀錄。

中國新能源汽車滲透率預計在 2025 年達到 20%，預計中國新能源汽車銷量超過 600萬輛。 國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃(2021－2035 年)》提出，新能源汽車新車銷 售量達到汽車新車銷售總量的 20%左右；此外中汽協預測 2025 年中國汽車銷量或到 3000 萬輛，根據保守線性推算，我們預計 2025 年中國新能源汽車銷量達到 600 萬輛，年復合 增速達到 34.4%。根據中汽協預測未來五年中國新能源汽車銷量年均增速 40%以上的預測， 2025 年新能源汽車銷量預計達到 735 萬輛。

2020 年新能源汽車半導體價值量 834 美金。根據英飛凌、IHS、Automotive Group 等 多家機構測算，2020 年 FHEV、PHEV、BEV 單車半導體的成本到了 834 美元，相較 于傳統燃油車的汽車半導體價值 417 美元，單車半導體價值量翻倍成長；相較于 48V輕混合車，單車半導體價值量增加 45.8%。預計 2025 年，48V 輕混車、FHEV/PHEV/BEV銷量分別將達到 1880 萬輛、2100 萬輛，基于 2020 年單車半導體 BOM 靜態測算，2025 年車用半導體市場規模將達到 282.7 億美元。

新能源汽車半導體價值量持續增加，保守估計 2025 年中國市場規模達到 70 億美元。隨 著汽車電動化、智能化、網聯化發展，半導體在單車上的整體價值也越來越高，根據 Gartner 預測的數據，2024 年單輛汽車中的半導體價值有望超過 1000 美元，根據前四年的年復合 增長率預測，預計 2025 年達到 1046 美元，中國 2025 年新能源汽車預計達到 600-700 萬量，經測算中國新能源汽車半導體市場規模在 2025 年有望達到 62.8 億-73.2 億美元。

汽車半導體國產化率僅 10%，前八大歐美日企業占整體市場的 63%。根據 ICVTank 數 據，2019 年汽車半導體前八大企業為歐美日公司，包含恩智浦、英飛凌、瑞薩半導體、 意法半導體、德州儀器等，占整體市場規模的 63%。從自主汽車芯片產業規模來看，歐美 日占據整體市場的 93%，歐洲、美國和日本公司分別占 37%、30%和 25%市場份額；中 國公司僅為 3%，根據中國汽車芯片產業創新戰略聯盟數據顯示，國內汽車行業中車用芯 片自研率僅占 10%，國內汽車芯片市場基本被國外企業壟斷，并且具備 90%的替代空間
 

1.2. 電動化+數字互聯帶動功率模擬芯片、控制芯片、傳感器需求提升

半導體是汽車發展趨勢（電驅化、數字互聯）的核心。汽車在電動化、智能化、網聯化的 發展過程中，半導體是發展的核心支撐。1）電驅化（電動化），電動與混動汽車的發展要 求動力傳動系統向電氣化邁進，其中由電池、電機、電控組成的三電系統主要以功率半導 體為主，包含 IGBT、MOSFET 等。2）數字互聯（智能化、網聯化），智能化發展帶動 具備 AI 計算能力的主控芯片市場規�？焖俪砷L；此外智能與網聯相輔相成，核心都是加 強人車交互，除了加強計算能力的主控芯片外，傳感器、存儲也是核心的汽車半導體，包 含自動化駕駛的實現使傳感器需求提升、數據量的增加帶動存儲的數量和容量的需求提升。

汽車半導體絕對值在增長，從分類中功率半導體價值量增加幅度最大。新能源汽車相比傳 統燃油車，新能源車中的功率半導體價值量提升幅度較大。按照傳統燃油車半導體價值量 417 美元計算，功率半導體單車價值量達到 87.6 美元，按照 FHEV、PHEV、BEV 單車 半導體價值量 834 美元計算，功率半導體單車價值量達到 458.7 美元，價值量增加四倍 多。
 

1.3. 新能源汽車的電力系統中，功率 IGBT 價值占比達 52%

新能源汽車核心-三電系統（電池、電機、電控）。1）電池是新能源汽車的能量來源，替 換傳統燃油汽車的油箱；動力電池系統主要由電芯、電池管理系統等組成。2）電機負責 將電能轉換為機械能，包含定子、轉子等；3）電控如同汽車的大腦，用來控制電機的啟 動、暫停、轉速、扭矩等各項“動作”。三電系統需要大量的半導體產品包括功率半導體、 模擬芯片、控制芯片等；隨著電動汽車的發展與普及，汽車半導體迎來快速發展期。

電力系統主要分為四大類：DC/DC 轉換器、電池管理系統(BMS)、逆變器、車載充電器。 1）電池管理系統作為電池安全運用的有力保障，使得電池時刻處于安全和可控制的充放 電使用過程中，大大提高了電池在實際使用過程中的循環使用壽命；2）車載充電器是內 置在車輛里，用于停車時從交流電網為高壓電池再充電的系統；3）逆變器的作用在于將 汽車 12V 或 24V（貨車用）直流電轉換為和市電相同的 220V 交流電；4）DC/DC 轉換 器的作用在于把常電處理成其它電路設備用的小電壓，或把原先的電源加以優化，使得供 電系統更加穩定，同時，DC/DC 轉換器也有保護的作用。
 

逆變器是汽車的關鍵部件，主要用到的半導體芯片為 IGBT。逆變器類似于燃油車的發動 機管理系統 EMS，決定著駕駛行為。無論電機是同步、異步還是無刷直流電機，逆變器 始終以類似的方式運行，其設計應最大限度地減少開關損耗并最大限度地提高熱效率。 IGBT 是電動汽車逆變器的核心電子器件，重要性類似電腦里的 CPU。

DC-DC 轉換器供電給汽車低壓電子系統。DC/DC 變換器是新能源汽車必須配置的功能， 類似燃油汽車中配置的低電壓發電機總成，其功能是給車載 12V 或 24V 低壓電池充電， 并為整車提供全部的低壓供電。在新能源汽車中會配置一個 DC/DC 變換器作為能量傳遞 部件，從車載動力電池取電，提高能源的利用率，給車載 12V 或 24V 低壓電池充電，并 為整車提供全部的低壓電子系統供電。

BMS 電池管理系統是電動汽車中電池組的大腦。BMS 可根據起動能力對充電狀態、健康 狀態和功能狀態進行快速、可靠的監測，以提供必要的信息。因此，BMS 能夠最大限度 地降低因為電池意外失效而導致的汽車故障次數，從而盡可能地提升電池使用壽命和電池 效率，并實現二氧化碳減排功能。
 

OBC 車載充電器主要功能是為電池充電。OBC 的核心功能是整流電源輸入，并將其轉換 為適合電池的充電電壓——可能是 400V 或越來越多的 800V。一個典型的 OBC 由多個 級聯級組成，包括功率因數校正（PFC）、DC/DC 轉換器、次級整流、輔助電源、控制及 驅動電路。OBC 具有多種功率等級，功率等級越高，充電時間就越短。最流行的 OBC 功率等級是 3.3kW、6.6kW、11kW 和 22kW。

新能源汽車動力系統中，逆變器 IGBT 價值量占比 52%。在電動傳統系統中，主逆變器負 責控制電動機，是汽車中的一個關鍵元器件，決定了駕駛行為和車輛的能源效率。并且， 主逆變器還用于捕獲再生制動釋放的能量并將此能量回饋給電池，所以，車輛的最大行程 與主逆變器的效率直接相關。

2.IGBT為新能源應用剛需芯片，國產替代&行業紅利雙擊

2.1. IGBT 設計和工藝難度大、產品生命周期長、高壓應用門檻高

2.1.1. IGBT 結構不斷升級，協同第三代半導體技術創新

IGBT 是一個電路開關，透過開關控制改變電壓。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管，Insulated Gate Bipolar Transistor）是一個三端器件，也是重要的分立器件分支，屬于分立器件中 的全控型器件，可以同時控制開通與關斷，具有自關斷的特征，即是一個非通即斷的開關。 IGBT 擁有柵極 G（Gate）、集電極 C（Collector）和發射極 E（Emitter），其開通和關 斷由柵極和發射極間的電壓 UGE 決定；在 IGBT 的柵極和發射極之間加上驅動正電壓， PNP 晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通。

IGBT 結合了 MOSFET 與 BJT 的優勢。IGBT 結合了 MOSFET 與 BJT 的優點，既有 MOSFET 的開關速度快，輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小的優點， 又有 BJT 導通電壓低、通態電流大、損耗小的優點，此外為了提升 IGBT 耐壓，減小拖 尾電流，結構相對復雜。IGBT 被各類下游市場廣泛使用，是電力電子領域較為理想的開 關器件。

GBT 工藝與設計難度高，產品生命周期長。IGBT 芯片結構分為正面（Emitter side）和 背面（Collectoer side）。從 80 年代初到現在，IGBT 正面技術從平面柵（Planar）迭代 至溝槽柵(Trench)，并演變為微溝槽（Micro Pattern Trench）；背面技術從穿通型（PT, Punch Through）迭代至非穿通型（NPT, Non Punch Through），再演變為場截止型（FS, Field Stop）。技術的迭代對改善 IGBT 的開關性能和提升通態降壓等性能上具有較大幫助， 但是實現這些技術對于工藝有著相當高的要求，尤其是薄片工藝（8 英寸以上的硅片當減薄至100~200um 后極易破碎）以及背面工藝（因正面金屬熔點的限制，所以背面退火激活的難度大），這也是導致 IGBT 迭代速度較慢。

此外，IGBT 產品具有生命周期長的特點， 以英飛凌 IGBT產品為例，該產品已迭代至第七代，但其發布于 2000年代初的第三代 IGBT 芯片技術在 3300V、4500V、6500V 等高壓應用領域依舊占據主導地位，其發布 于 2007 年的第四代 IGBT則依舊為目前使用最廣泛的 IGBT 芯片技術，其 IGBT4 產品的收入增長趨勢甚至持續到了第 15 年。（報告來源：未來智庫）

高密度、高可靠性、更好的集成散熱功能是 IGBT 未來發展趨勢。英飛凌作為全球 IGBT 龍頭企業，產品技術已成為本土廠商的對標。截至 2021 年，英飛凌產品已迭代至第七代。 其中，第五代與第六代均屬于第四代的優化版（第五代屬于大功率版第四代，第六代屬于 高頻版第四代）。IGBT 器件需要承受高電壓和大電流，對于穩定性、可靠性要求較高。未 來，IGBT 會朝著更小尺寸、更大晶圓、更薄厚度發展，并通過成本、功率密度、結溫、 可靠性等方面的提升來實現整個芯片結束的進步。此外，IGBT 模塊的未來趨勢也將朝著 更高的熱導率材料、更厚的覆銅層、更好的集成散熱功能和更高的可靠性發展。

第三代半導體物理特性相較于 Si 在工作頻率、抗高溫和抗高壓具備較強的優勢。半導體 材料領域至今經歷了多個發展階段，相較而言，第三代半導體在工作頻率、抗高溫和抗高 壓等方面更具優勢。第一代半導體材料主要包括硅（Si）和鍺（Ge），于 20 世紀 40 年代 開始登上舞臺，目前主要應用于大規模集成電路中。但硅材料的禁帶寬度窄、電子遷移率 低，且屬于間接帶隙結構，在光電子器件和高頻高功率器件的應用上存在較大瓶頸，因此 其性能已難以滿足高功率和高頻器件的需求。

新材料推進新產品發展，高壓高頻領域適用 SiC。碳化硅在絕緣破壞電場界強度為硅的 10 倍，因此 SiC 可以以低電阻、薄膜厚的漂移層實現高耐壓，意味著相同的耐壓產品 SiC 的面積會比 Si 還要小，比如 900V SiC-MOSFET 的面積是 Si-MOSFET 的 1/35。因 此，硅基的 SJ-MOSFET 只有 900V 左右的產品，SiC 可以做到 1700V 以上且低導通 電阻。Si 為了改善高耐壓化所帶來的導通電阻增大主要采用 IGBT 結構，但由于其存在開關損耗大產生發熱、高頻驅動受到限制等問題，所以需借由改變材料提升產品性能。SiC 在 MOSFET 的結構就可實現高耐壓，因此可同時實現高耐壓、低導通電阻、高速，即使 在 1200 V 或更高的擊穿電壓下也可以制造高速 MOSFET 結構。

SiC MOSFET 具備一定優勢，但成本較高。就器件類型而言，SiC MOSFET 與 Si MOSFET 相似。但是，SiC 是一種寬帶隙（WBG）材料，其特性允許這些器件在與 IGBT 相同的高功率水平下運行，同時仍然能夠以高頻率進行開關。這些特性可轉化為系統優勢， 包括更高的功率密度、更高的效率和更低的熱耗散。然而，受制于制造成本和產品良率影 響，SiC 產品價格較高。由于 Si 越是高耐壓的組件、每單位面積的導通電阻變高(以耐壓 的約 2～2.5 倍增加)，因此 600V 以上的電壓則主要使用 IGBT。

但是 IGBT 是藉由注入 少數載子之正孔于漂移層內，比 MOSFET 可降低導通電阻，另一方面由于少數載子的累積，斷開時產生尾電流、造成開關的損耗。SiC 由于漂移層的電阻比 Si 組件低，不須使用 傳導度調變，可用高速組件構造之MOSFET以兼顧高耐壓與低電阻，可實現開關損耗的 大幅削減與冷卻器的小型化。SiC 在制造和應用方面又面臨很高的技術要求，因此 SiC Mosfet 價格較 Si IGBT 高。

根據功率器件的特性，不同功率器件的應用領域各有不同。雖然 IGBT 結合了 MOSFET 與 BJT 的優勢，但三者根據各自的器件性能優勢，都有適合的應用領域。BJT 更強調工 作功率，MOSFET 更強調工作頻率，IGBT 則是工作功率與頻率兼具。BJT 因其成本優 勢，常被用于低功率低頻率應用市場，MOSFET 適用于中功率高頻率應用市場，IGBT 適用于高功率中頻率應用市場。高功率密度的 IGBT 在性能、可靠性等方面將繼續發展， 因此在較長一段時間內仍會是汽車電動化的主流器件。SiC 組件具有高壓、高頻和高效率 的優勢，在縮小體積的同時提高了效率，相關產品則主要用于高壓高頻領域。