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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 .