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【研报】汽车与零配件行业：汽车半导体专题Ⅱ功率器件SiC时代-20200315[66页].pdf

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【研报】汽车与零配件行业：汽车半导体专题Ⅱ功率器件SiC时代-20200315[66页].pdf

1、请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 Table_MainInfo 行业研究/汽车与零配件证券研究报告行业专题报告行业专题报告 2020 年 03 月 15 日 Table_InvestInfo 投资评级优于优于大市大市维持维持市场表现市场表现 Table_QuoteInfo -12.77% -6.70% -0.62% 5.46% 11.53% 17.61% 2019/32019/62019/92019/12 汽车与零配件海通综指资料来源：海通证券研究所相关研究相关研究 Table_ReportInfo 2020年1月全球新能源汽车市场总结：整体市场下滑，欧洲表现突出 2

2、020.03.11 全球新能源及无人驾驶行业跟踪周报：通用发布全新电池技术，Waymo 更新传感器套件2020.03.09 2020年1月汽车数据解读及投资展望：春节假期提前，部分需求延后 2020.03.05 Table_AuthorInfo 分析师:王猛 Tel:(021)23154017 Email: 证书:S0850517090004 分析师:杜威 Tel:(0755)82900463 Email: 证书:S0850517070002 联系人:曹雅倩 Tel:(021)23154145 Email: 汽车半导体汽车半导体专题专题功率器件功率器件：SiC 时代时代 Table_Su

3、mmary 投资要点：投资要点：汽车汽车功率功率半导体半导体单车单车价值价值接近接近 5 倍倍提升提升空间空间，极具极具投资投资价价值值。汽油车功率半导体单车价值约 500 元，纯电动汽车将增至 2800 元，下游需求由混动和新能源汽车同步拉动，我们估计未来全球市场空间约 3000 亿元。同时，功率半导体技术壁垒高、竞争格局好，已培育出英飞凌、ST 等巨头，我们认为是十分理想的投资方向。 IGBT 作为作为核心核心增量，增量，国内国内模组模组产品产品已已取得取得突破突破。IGBT 是新能源汽车新增的功率半导体器件，对于纯电动汽车的应用，我们估计其模组单车价值在 1500 元上下，

4、占到总体增量的 60%。与芯片相比，模组产品更容易取得突破，国内企业在新能源乘用车、商用车领域均已量产，我们估计 2019 年的市场份额约 2530%，并且具备持续提升空间。 SiC 性能优越性能优越，势不可挡势不可挡。与 Si 相比，SiC 在耐高压、耐高温、高频等方面具有明显的竞争优势，不仅提升电动车的动力性，更能延长续航 5-10%，目前已在特斯拉 Model 3 上量产，随着器件价格快速下降，SiC 将逐步在逆变器、车载充电机、 DC/DC 领域得到广泛应用，我们估计单车价值有望长期保持在 IGBT 的 2 倍以上。同时，国内电动商用车市场，如大中客、中重卡将为 SiC 供应

5、商提供市场机遇。车车规规芯片芯片尚有尚有差距差距，打牢基础，打牢基础，逐步逐步进阶进阶。我们认为，车规要求半导体芯片的可靠性达到 0 PPM，分立器件、集成电路、功率模块等产品要通过诸如 AEC-Q、 AQG324 等一系列标准，通常需要供应商在工业、消费等领域有足够大的出货量作为质量背书，目前本土的功率半导体企业基本在工业、消费领域站稳脚跟，陆续加大投入向车规产品升级，总体水平与海外尚有差距，但我们对未来取得突破持乐观态度。投资建议投资建议。我们认为汽车功率半导体行业存在两类投资机会：1）全球市场的 SiC 趋势，建议关注 Cree （全球衬底市场份额超过 60%）、

6、 ST （特斯拉 SiC MOS 供应商），国内企业中有山东天岳、天科合达、泰科天润；2）国内市场的进口替代，Si IGBT 模块、IGBT 及 MOS 芯片，目前本土企业 IGBT 模块已开始进入车规体系，IGBT 及 MOS 芯片逐步开始车规认证，预计 3-5 年内取得量产突破，建议关注斯达半导、士兰微、闻泰科技、华虹半导体，国内相关公司还有宁波达新等。风险提示风险提示。汽车行业景气度波动；新能源汽车渗透速度不及预期；功率半导体国产替代速度不及预期；碳化硅替代速度不及预期。行业研究汽车与零配件行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 2 目目录录 1. 汽车功率器件：

7、电动化核心增量 . 10 1.1 功率半导体：高壁垒、强盈利、大市值 . 11 1.2 电动化拉动需求倍增 . 12 2. 低压 MOS：市场高度成熟，面临电动化冲击 . 14 2.1 低压 MOS：汽油车应用的主要功率器件 . 14 2.2 技术迭代：尺寸小、功耗低、散热佳 . 20 2.3 市场：外资重心转向高压，国内车规有望突破 . 26 3. 电动车功率器件：高压、高频、高价值. 28 3.1 IGBT、高压 MOS：电动车应用的主要功率器件 . 28 3.2 IGBT 模块：电机逆变器核心部件 . 30 3.3 IGBT 分立器件：中等功率电机驱动开关 . 40 3.4 超级结 MO

8、S：最适宜充配电系统 . 41 3.5 IGBT 市场：外资基本垄断，斯达崭露头角 . 42 4. SiC：性能优越，势不可挡 . 45 4.1 性能优越，电动车应用加速落地 . 45 4.2 芯片及模组技术具备升级空间 . 48 4.3 市场：龙头扩产，拉低器件价格 . 51 5. 国内汽车功率半导体的机遇 . 55 6. 投资建议 . 56 6.1 斯达半导（603290.SH）：紧抓 IGBT 模块机遇，同步夯实芯片能力 . 56 6.2 闻泰科技（600745.SH）：低压 MOS 龙头 . 57 6.3 士兰微（600460.SH）：坚持 IDM，持续扩张产能 . 58 6.4

9、宁波达新：致力 IGBT 芯片国产化 . 59 6.5 华虹半导体（01347.HK）：国内功率代工龙头 . 59 6.6 Cree（CREE.O）：全球 SiC 衬底绝对龙头 . 60 6.7 意法半导体（STM.N）：SiC 器件配套特斯拉，势头强劲 . 61 6.8 山东天岳： SiC 衬底能力获华为肯定 . 62 6.9 天科合达：依托中科院，SiC 衬底扩产 . 62 6.10 泰科天润：SiC 器件已批量出货，6 英寸工厂即将量产 . 62 7. 风险提示 . 62 行业研究汽车与零配件行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 3 图目录图目录图 1 功率开关器件的作

10、用、关键参数、类型 . 10 图 2 汽车上需要功率转换的场合 . 10 图 3 2017-2018 年全球功率半导体市场规模（亿美元） . 11 图 4 2018 年全球功率半导体厂商市场份额 . 11 图 5 英飞凌 FY19 营业收入构成（功率占比超过 50%） . 11 图 6 安森美 FY19 营业收入构成（功率占比 50%）. 11 图 7 STM FY19 营业收入构成（汽车+功率占比接近 40%） . 12 图 8 各巨头功率半导体毛利率水平 . 12 图 9 功率半导体的三大作用 . 12 图 10 不同类型汽车半导体价值量（美元） . 13 图 11 48V MHEV 与燃

11、油车相比增加半导体价值构成（美元） . 13 图 12 PHEV 与燃油车相比增加半导体价值构成（美元） . 13 图 13 BEV 半导体价值构成（美元）. 13 图 14 2018 年汽车功率半导体市场竞争格局 . 13 图 15 电动助力转向系统（EPS）工作原理 . 14 图 16 目前汽车上主要直流电机应用汇总 . 15 图 17 HVAC 控制模块（1 鼓风机+36 个风门电机） . 15 图 18 座椅控制模块（座椅前后/高度/加热、靠背/头枕角度电机） . 15 图 19 自适应大灯模块（水平+垂直偏转步进电机） . 16 图 20 iBooster 模块 . 16 图 21

12、电子节气门模块（步进电机） . 16 图 22 电控机油泵及控制模块 . 16 图 23 直流无刷电机 BLDC 典型驱动电路 . 17 图 24 BLDC 电机 PWM 控制 . 17 图 25 直流有刷电机 BDC 典型驱动电路（单向） . 17 图 26 直流有刷电机 BDC 典型驱动电路（双向） . 17 图 27 步进电机典型驱动电路（单极） . 17 图 28 步进电机典型驱动电路（双极） . 17 图 29 汽车继电器应用场景 . 18 图 30 直流有刷电机控制方法一：2 个继电器形成 H 桥 . 18 行业研究汽车与零配件行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 4 图

13、31 直流有刷电机控制方法二：4 个 MOS 形成 H 桥 . 18 图 32 继电器及 MOS 管寿命对比 . 19 图 33 相同继电器及固态解决方案尺寸对比 . 19 图 34 常规 BLDC 控制电路（Reverse Battery Protection） . 19 图 35 以 LED 驱动电路为例：可以用 DC/DC、Buck-Boost 等电路实现升降压 . 20 图 36 N MOS 及 P MOS 构成 . 21 图 37 N MOS 结构及工作原理 . 21 图 38 Infineon：MOSFET 晶圆前端及后端封测的不断迭代过程 . 21 图 39 MOSFET 三种架

14、构对比：平面 Planar、沟道 Trench、超级结 Super Junction . 22 图 40 传统平面式 MOSFET 漏源导通内阻构成. 22 图 41 不同额定电压平面式 MOSFET 内阻构成 . 22 图 42 超级结 MOSFET 结构 . 23 图 43 平面 MOS 和超级结 MOS 的 RDS(on)-V(BR)DSS关系对比 . 23 图 44 Split gate Trench 低压 MOS 结构 . 23 图 45 NXP：NextPowerS3 采用 SuperJunction Trench 结构 . 23 图 46 以 Infineon 为例：MOS

15、FET die 面积及单位面积 RDS不断缩小 . 23 图 47 以 Nexperia 为例：不同封装方式下 MOSFET 尺寸对比 . 24 图 48 以 Infineon 为例：不同封装方式下 MOSFET 导通内阻及工作电流对比 . 24 图 49 各厂商 Power SO8 封装存在差异 . 25 图 50 Nexperia：D2PAK 封装 . 25 图 51 Infineon：D2PAK 封装 . 25 图 52 Nexperia：LFPAK56 封装 . 25 图 53 Infineon：TO-Leadless 封装 . 25 图 54 以 Nexperia LFPAK（40V

16、）封装为例：封装尺寸与导通内阻、电流及功率的关系 . 26 图 55 2018 年全球功率 MOSFET 市场份额 . 26 图 56 小信号 MOS 及汽车功率 MOS 主流厂商排名 . 26 图 57 安森美收购 Fairchild 完善高压 MOS、IGBT 及 SiC 产品线 . 27 图 58 NXP 出售低压 MOS 分立器件后专注功率控制 IC 业务 . 28 图 59 电动车对核心功率器件的需求 . 29 图 60 Si MOS、IGBT 及 SiC MOS 导通电阻 vs 耐压比较 . 29 图 61 逆变器、车载 OBC 及 DCDC 最匹配功率器件 . 29 行业研究汽

17、车与零配件行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 5 图 62 电机及电机控制器构成（沃尔沃 XC90 T8） . 30 图 63 电动车电机控制器的控制电路（IGBT 模块） . 30 图 64 电机控制器成本构成 . 31 图 65 HybridPACK 1 DC6 模块内部拆解图（705V/ 400A） . 31 图 66 HybridPACK 2 800A 模块内部拆解图（650V/ 800A） . 31 图 67 HybridPACK Drive 模块内部拆解图（750V /820A） . 31 图 68 IGBT 模组制造过程 . 31 图 69 MOSFET 及 IGBT

18、基本结构及载流子方向对比 . 32 图 70 英飞凌 IGBT 芯片的迭代历史 . 32 图 71 IGBT 芯片向着降低能耗、提高功率密度的方向迭代 . 33 图 72 EDT2 结合 IGBT3 垂直及 TrenchStop5 微沟槽栅结构 . 33 图 73 PT 型 IGBT 生产工艺 . 33 图 74 NPT 型 IGBT 生产工艺 . 33 图 75 Field-Stop 型 IGBT 生产工艺 . 33 图 76 HITACHI 全新 IGBT side gate 结构 . 34 图 77 富士电机第 7 代 RC-IGBT 芯片 . 34 图 78 富士电机 IGBT 与电流

19、传感器、温度传感器集成 . 34 图 79 英飞凌 HP DSC S2 半桥结构 IGBT 集成温度及电流测量 . 34 图 80 IGBT 模块结构图 . 34 图 81 目前较为主流的芯片连接方式对比 . 35 图 82 2010 普锐斯混动功率模块芯片采用铝带连接 . 35 图 83 Danfoss 汽车功率模块采用铜绑线连接 . 35 图 84 三菱电机 J1 系列汽车功率模块采用 Cu DLB 封装 . 36 图 85 第二代 Volt：德尔福 Viper 采用对称的 DBC 板连接芯片 . 36 图 86 Semikron 的 SKiN 封装技术：采用柔性电路板代替传统引线连接芯片

20、 . 36 图 87 单面间接、单面直接及双面直接水冷结构对比 . 37 图 88 英飞凌 HPDrive 模块底部单面针翅水冷结构 . 37 图 89 三菱电机 J1 系列内部结构 . 37 图 90 富士电机第一代及第三代直接水冷结构对比 . 37 图 91 奥迪 e-tron 逆变器爆炸图 . 37 图 92 日立双面水冷 IGBT 模块 . 37 图 93 英飞凌 HybridPACK DSC 模块采用双面水冷结构 . 38 图 94 德尔福 Viper 模块采用双面水冷结构 . 38 行业研究汽车与零配件行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 6 图 95 Si/SiC 与不同

21、 DBC 板或基板材料的参数对比 . 38 图 96 Semikron 汽车功率模块 SKiM：无铜基板设计 . 38 图 97 SnSb 与 SnAg 焊锡温度试验后的裂痕扩展比较 . 39 图 98 含 Pb 焊接、Cu 烧结及 Ag 烧结技术对比 . 39 图 99 含 Pb 焊接、Cu/Ag 烧结技术功率循环测试结果对比 . 39 图 100 日立汽车功率模块使用 Cu 烧结技术 . 39 图 101 SemikronSKiN 封装：芯片上下层均采用 Ag 烧结 . 40 图 102 SKiN 芯片低温烧结至 DBC 板 . 40 图 103 Tesla Model S 后臵电机逆变器（320kW） . 40 图 104 逆变器由 614 个 TO-247 IGBT 分立器件构成 . 40 图 105 高压 PTC 加热器驱动电路 . 41 图 106 电动车压缩机/油泵/冷却液泵驱动电路. 41 图 107 单相 3.3/6.6kW 车载 OBC 典型拓扑 . 41 图 108 三相 11/22kW 车载 OBC 典型拓扑 . 41 图 109 单向 DC/DC 典型拓扑 .

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