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2024/04/15

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2022年MOSFET行业市场规模及产业链分析 MOSFET为功率分立器件的核心

1.MOSFET:功率半导体核心器件

分立器件全球市场规模 209 亿元,MOSFET 占比最大

功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中电压和频 率、直流交流转换等。近年来,随着国民经济的快速发展,功率半导体的应用领域已从工 业控制和消费电子拓展至新能源、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多市场,市场规模 呈现稳健增长态势。功率半导体分为功率 IC 及功率分立器件,功率分立器件又主要包括功 率二极管、晶闸管、晶体管等产品。据 Omdia 统计,2020 年全球功率分立器件市场规模 约为 209 亿美元,而 MOSFET、IGBT 作为功率分立器件的核心,分别达到 85/63 亿美元, 占比 40.67%/30.14%,MOSFET 是功率分立器件中比重最大的产品。

低端产品已实现部分国产替代,高端分立器件国产化空间广阔。对国内市场而言,功率二 极管、功率三极管、晶闸管、中低压 MOSFET 等分立器件产品部分已实现国产化,而功率 MOSFET 特别是高压超级结 MOSFET、IGBT 等高端分立器件产品由于其技术及工艺的复 杂度,还较大程度上依赖进口,国产化率低,未来进口替代空间巨大。

2.MOSFET 发展历程:历经多代技术更迭,高压超级结性能突出

MOSFET 全称金属氧化物半导体场效应管,是一种可以广泛使用在模拟与数字电路的场效 应晶体管。MOSFET 器件具有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好等特点,应用范围涵 盖通信、消费电子、汽车电子、工业控制、电源管理等中低压高频领域。

MOSFET 演进方向:更高的开关频率、更高的功率密度以及更低的功耗。功率器件主要经 历了工艺进步、器件结构改进与使用宽禁带材料三大方面的演进:1)线宽制程从 10um 缩 减至 0.15-0.35um;2)器件结构经历了平面、沟槽、超级结的变化;3)采用第三代半导 体材料如 SiC、GaN。未来,我们认为 MOSFET 器件的发展将呈现两大趋势:1)沟槽 MOSFET 将替代部分平面 MOSFET;屏蔽栅 MOSFET 将进一步替代沟槽 MOSFET;高压 领域下,超级结 MOSFET 将替代更多传统的 VDMOS;2)以 SiC、GaN 为主的第三代半 导体在高温、高压、高功率和高频的领域将取代部分硅材料。

相较于 VDMOS,超级结更适合高压应用场景。VDMOS 和超级结均可耐高压,高压 VDMOS 通常采用平面栅结构,由于击穿电压与 N-外延层厚度成正比,导致其高击穿电压下的导通 电阻和损耗随着外延层厚度增加而急剧增大。而超级结的漂移区具有多个 P 柱,可以在 N 型外延层掺杂浓度更高的同时保持较高的耐受电压,由此超级结结构兼具高耐压特性和低 电阻特性,相同的击穿电压和管芯尺寸下,其导通电阻以及 FOM 优值均远小于普通高压 VDMOS。同时,超级结 MOSFET 拥有更小的芯片面积,进而更有利于模块小型化的实现。

3.市场规模及趋势:MOSFET 规模有望维持稳定,高低压市场或将分化

 全球 MOSFET 市场规模达 85.56 亿美元,国内市场占比超四成。据 Omdia 统计,2020 年 全球 MOSFET 器件市场规模达到 85.56 亿美元,未来有望保持稳定增长趋势,预计 2025 年全球市场规模或将增长至 88.24 亿美元,2020-2025 年 CAGR 为 0.62%。同时,中国为 全球最大的 MOSFET 消费国,据 Omdia 数据显示,2020 年国内 MOSFET 器件市场规模 约为 37.35 亿美元,占全球市场规模的 43.65%,预计 2025 年国内市场规模或将达到 36.94 亿美元,整体规模保持稳定。

高压 MOSFET 市场有望持续增长,中低压市场规模或将缩减。据 Omdia 统计,2020 年度 全球/中国高压超级结 MOSFET 产品的市场规模为 9.4/4.2 亿美元,并将于 2024 年达到 10/4.4 亿美元,2021-2024 CAGR 分别为 1.56%/1.7%;同时,2020 年全球/中国中低压 MOSFET产品销售额为52.4/24.1亿美元,2024年预计缩减至49.2/21.2亿美元,2020-2024 CAGR分别为-1.56%/-3.15%。高低压MOSFET将于未来逐渐分化,主要系中低压MOSFET 技术相对成熟,市场准入门槛较低。伴随着终端市场的快速发展,下游需求的激增将不断 推动新的市场参与者涌入中低压 MOSFET 领域,愈发激烈的市场竞争或将带来产品价格及 盈利空间的缩减。

4.产业链结构及竞争格局:IDM、Fabless 并存,MOSFET 仍由欧美日主导

IDM 与 Fabless 模式并存。目前,半导体企业采用的经营模式主要可以分为 IDM 模式和 Fabless 模式。IDM 模式具有技术的内部整合优势,有利于积累工艺经验,但资金投入较大, 且容易在半导体下行周期中受制于原有产能,陷入被动局面。随着全球半导体产业分工的 逐步细化,Fabless 模式已成为芯片设计企业的主流经营模式之一,行业整体呈现 IDM 与 Fabless 共存的局面。

全球 MOSFET 市场仍由欧、美、日等海外巨头垄断,但份额呈现下降趋势,国产化趋势明 显。横向对比 Omdia 2019 及 2020 年数据,我们发现 CR1 维持在 24%左右,英飞凌为全 球 MOSFET 器件龙头供应商;CR5 分别为 59.8%/58.4%,头部厂商的竞争格局基本稳定, 且整体市场份额相对分散;CR10 接近 80%,值得注意的是,在华润微的市场份额由 19 年 的 3%提升至 20 年的 3.9%的同时,士兰微替代美格纳,进入全球市场规模前十。这反映我 国 MOSFET 的国产化进程已取得初步进展。未来,随着下游需求的提升和行业重视度的提 升,国产化替代速度有望进一步加快。

高压超级结细分市场国产化率较低,东微为国内龙头。高压超级结细分市场的主要份额被 海外厂商占据,包括英飞凌、德州仪器、安森美、意法半导体等国际功率半导体厂商,中 国厂商仍处于追赶阶段。据东微招股书,2019 年新洁能占有全球高压超级结市场规模的 1.7%,2020 年东微半导/龙腾半导体分别占有 3.8%/0.7%,国产替代空间广阔。(报告来源:未来智库)

5.超级结 MOSFET 驱动力:直流充电桩/5G/新能源车带来发展新机遇

1)充电桩:高压超级结 MOSFET 顺应国内直流充电桩“快充”发展潮流

日益提升的快充需求下直流充电桩渗透率提升至四成,功率不断提升。充电桩可分为公共 直流/公共交流/私人桩,高充电功率的直流桩充电速度最快,而私人桩、公共交流桩充电功 率低、充电时间长。随着下游新能源汽车市场的爆发,国内对配套设施充电桩的需求也日 益增加。据 Wind 数据显示,2021 年国内公共充电桩保有量 114.70 万个,2016-2021 年 CAGR 高达 52.02%。其中 17 年至 19 年,直流充电桩的占比从 28.7%上升至 41.6%,占 比提升较快,21 年直流充电桩占比保持约四成左右。

直流充电方式相较家用标准交流电充 电方式速度大幅提高,一个 150kW 的直流充电器可以在大约 15 分钟内为电动汽车增加 200 公里续航,随着新能源汽车渗透率进一步提高,直流电充电方案需求将同步提升,2020 年 国内新增直流桩功率达到 131KW,未来直流桩新增装机功率有望进一步提升。此外,Yole 预计 2020-2025 年,全球 100kW 及以上的大功率直流充电桩数量将以高达 36.85%的 CAGR 增长,大功率直流快充呈现高速增长态势。

超级结 MOSFET 成快充主流选择,2025 年全球直流桩 SJ MOS 市场规模有望超 20 亿元。 直流充电桩则通过自带的 AC/DC 充电模块将输入的交流电转为直流电,不通过 OBC 直接 完成变压整流。超级结 MOSFET 因其更低的导通损耗、开关损耗、高可靠性、高功率密度, 已成为主流的大功率充电桩功率器件应用产品。

根据充电桩功率模块电路结构,随着平均 单桩功率提升,我们预测 2025 年直流桩单桩 SJ MOS 用量 168 颗,结合 IEA 预测 2025 年全球直流桩新增保有量达 84.6 万个,在 SJ MOS 单颗售价 15.8 元,市场渗透率达 90% 的假设下,我们预计 2025 年全球直流桩 SJ MOS 市场规模为 20.3 亿元,对应 21-25 年 CAGR 为 34.9%,其中 22-24 年的 CAGR 为 42.8%;2025 年国内市场规模为 12.7 亿元, 对应 21-25 年 CAGR 为 60.4%,其中 22-24 年的 CAGR 为 56.7%。

2)5G:基站数量激增叠加功率半导体单机价值量上升,5G 打开超结 MOSFET 增量空间

5G 基站射频端功率半导体价值量约为 4G 的 4 倍。根据新 PCB 产业研究所调查,4G 基站 的分布密度更低,5G 总体数量需求是 4G 的 2-3 倍,据前瞻产业研究院预测,2025 年我 国 5G 基站数量总量将达到 472.5 万个。根据英飞凌的统计,传统 MIMO 天线需要的功率 半导体价值大约为 25 美元,而过渡为 Massvie MIMO 天线阵列后,所需的 MOSFET 等功 率半导体价值增加至 100 美元,为原来的 4 倍。此外,雾计算、云计算也助力拉高功率半 导体需求量。

5G 通讯电源打开超结增量空间,2025 年全球 5G 通信基站 SJ MOS 市场规模近两亿。5G 通讯电源需满足更大的输出功率和更高效率,而对于开关电源来说,输出功率的决定因素 在于降低功率变换产生的损耗。与传统 MOSFET 相比,采用电荷平衡理论的超结 MOSFET 能够显著降低高电压下单位面积的导通电阻,进而降低导通损耗;同时,超级结 MOSFET 拥 有极低的 FOM 值,从而拥有极低的开关能量损耗和驱动能量损耗。由此,超级结 MOSFET 未来有望在基站数量和单机价值量的“量价双击”下实现高速增长。根据基站电源拓扑结 构,我们预计单基站使用 18 颗单价 15.8 元的 SJ MOS,结合 2025E 新增 5G 基站数 51 万个及 96%的超结渗透率,我们预计 2025 年全球 5G 通信基站超结 MOS 市场规模有望达 到 1.99 亿元,其中中国市场规模为 1.40 亿元。

3)新能源汽车:OBC、DC/DC 驱动超结 MOSFET 市场成长

我国新能源汽车销量增速有望持续高企,单车功率半导体用量是传统燃油车的 5 倍。据中 国汽车工业协会统计,2021 年国内新能源汽车销量实现爆发性增长,全年销售共计 352 万 辆,同比增长 157.48%。在“碳中和”、“碳达峰”目标下,我国新能源汽车市场高景气度 有望持续。新能源汽车中的功率半导体含量大大增加,主要增量来源于逆变器中的 IGBT 模 块、DC/DC中的高压MOSFET、辅助电器中的IGBT分立器件、OBC中的超级结MOSFET。 据英飞凌数据显示,一辆电动车的 MOSFET 分立器件用量接近 200 个,部分高端新能源汽 车车型对 MOSFET 的需求可达 400 个/辆以上。纯电动车功率半导体价值量为 350 美元, 是传统燃油车单车价值量 71 美元的五倍。

新能源车中 OBC、DC/DC 均可采用超级结 MOSFET,2025 年全球 EV SJ MOS 的市场规 模有望成长至 34.65 亿元。OBC 是由 PFC 和隔离 DC-DC 组成的 AC-DC 转换器,通过将 来自地面交流充电桩的交流电进行交直流转换和高低压变换,给车载电池充电。此外, DC/DC 主要作用是取代传统汽车中的 12V 发电机,将动力电池的高压电转换为低压电,随 后被低压蓄电池收集,该过程同样需要超结 MOSFET 的参与。

根据 Marketline 的预测,2025 年全球新能源汽车销量 2121.7万辆,其中OBC、DC/DC分别搭载 12颗/4颗超结MOSFET, 结合 17.6 元/颗的单价及渗透率,我们预计 2025 年全球 EV SJ MOS 的市场规模有望达到 34.7 亿元,21-25 年 CAGR 为 30.8%,其中 22-24 年 CAGR 为 37.8%;国内市场规模 25 年有望达到 17.7 亿元,占全球市场需求超过 50%,21-25 年 CAGR 为 28.2%,其中 22-24 年 CAGR 为 35.1%。


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