国产IGBT龙头之斯达半导体(根据募集资金情况看,公司未来的战略在新能源车)

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有 MOSFET的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。

IGBT 作为一种新型电力电子器件,是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品,是工业控制及自动化领域的核心元器件,非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。


IGBT 核心技术为 IGBT 芯片、快恢复二极管芯片的设计和生产以及 IGBT 模块的设计、制造和测试。芯片设计、生产和模块设计、制造和测试均为 IGBT 模块的核心生产工序。

IGBT 芯片:随着 IGBT 应用的升级更新,对 IGBT 芯片微型化、轻薄化的要求也逐渐提升。自从 1985 年前后美国 GE 成功试制工业样品以后, IGBT 芯片共经历了 6 代技术及工艺改进,由容量小、速度低的第一代 PT-IGBT 芯片发展到采用 Trench 结构的第三代芯片,再到FS-Trench-IGBT 第六代芯片,主要趋势是向着高功率密度、低损耗、低成本、高频率、高可靠性的方向发展。目前,英飞凌最新的第七代芯片 IGBT7 采用微沟槽+场截止的结构,比第六代沟道密度更高,并且优化了寄生电容参数,从而实现 5kv/us 下的最佳开关性能,可控性更佳。

第一代芯片到第七代,管芯面积减少了三分之二以上;芯片直径从 4 英寸发展到 12 英寸,并且 1200V 芯片的厚度减少了 45%左右,未来芯片直径有望发展到 18 英寸;管芯的功率密度增加了 8 倍。


IGBT 模块:IGBT 模块的设计包括机械结构设计、电路布局设计、热设计、电磁设计等,一款 IGBT 模块的开发需要进行机-电-热-磁等方面的优化并兼顾模块生产工艺的可实现性等方面的因素。IGBT 模块由于集成度高,需要承受的电压和电流较大,因此在产品设计和工艺实现时需要考虑绝缘、耐压、散热、抗干扰、电磁兼容性等诸多因素。目前体积更小、效率更高、可靠性更高是市场上对 IGBT 模块的需求趋势,尤其是汽车级功率模块,往往对IGBT 模块的寿命和可靠性提出更高的要求。


IGBT的市场空间

2018 年全球 IGBT 市场规模达到 58.36 亿美元,同比增长 11.06%,在过去 5 年中,复合增长率为 13.84%,预计 2022 年全球市场规模将突破 70 亿美元。

2018 年我国 IGBT 市场规模达到 161.9 亿元,同比增长 22%,过去五年的年复合增长率为 19%,高于全球 IGBT 市场规模增速。

近年来,我国 IGBT 企业产量持续上升,未来几年我国 IGBT 行业将保持快速发展。根据“智研咨询”预测,到 2024 年我国 IGBT 行业产量将达到 7820 万只,需求量将达到 1.96亿只。未来我国 IGBT 需求仍将远超产量,很大程度上依旧要依赖进口。


未来的主要增长领域

IGBT 下游应用领域广阔,市场潜力巨大

IGBT 下游应用领域广泛,广泛应用在工业、 4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域,以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。其中工业领域和电动汽车领域是占比最大的两个行业,分别占 37%和 28%。到 2022 年,预计电动汽车/混合动力汽车中 IGBT 的总收入将占整个 IGBT 市场的 40%左右


新能源汽车为 IGBT 主要增长动力,预计2022年达21亿美元

IGBT 模块在新能源汽车领域中发挥着至关重要的作用,是新能源汽车电机控制器、车载空调、充电桩等设备的核心元器件。

新能源汽车电机控制器:新能源汽车中电机驱动控制系统的主要作用在于能量的转换,即电池直流电(DC)与电机交流电(AC)之间的相互转换。从 DC 转换到 AC 的过程称为逆变,其中主要用到的功率器件就是 IGBT。由于电动汽车转换过程中一般电池电压一般在 200V以上,过流能力在 300A 以上,功率器件的击穿电压在 600-1200V 左右,所以耐高压的 IGBT模块为电动汽车主要使用的功率器件。新能源汽车电动控制所用的 IGBT 规格一般在600-1200V/20-800A 左右。

车载空调:电动汽车车载空调的工作原理与电动驱动相同,在驱动调压缩机电机进行工作之前,需要通过逆变器将高压电池的直流电转换成交流电。但相比于电机控制器,车载空调的电流较小,一般电流需求在 50A 以内,工作频率在 20KHz 左右。

车载 IGBT 市场规模估测

2019 年新能源车用 IGBT 全球市场规模约为 9.1 亿美元,国内市场规模约为 5.1 亿美元,占全球市场规模的 56%以上。

2019 年我国纯电动汽车销量约 97 万辆,插电混动销量约24 万辆,假设 2020 年我国纯电动汽车与插电混动车生产量比例与 2019 年相同,为 4:1,则纯电动汽车产量将为 112 万辆左右,插电混动产量 28 万辆左右。按 2.2.1 中的表 5 估算,

2020 年国内新增车载 IGBT 市场规模将达到 5.88 亿美元。

充电桩:电动汽车的充电桩有直流和交流两种类型。在直流充电桩中,充电桩一端与交流电网相连,交流电通过整流功率模块转换为直流电,流经电容稳压滤波器后通过 IGBT 逆变功率模块逆变为高频交流电,最后变压器耦合及整流单元将它转换为不同的直流电压等级,为不同的电动汽车充电。智能充电桩中的 IGBT 模块被用作开关元件使用。目前我国充电桩主力为 60KW 规格,电流为 80A。

2019 年新能源桩车比已从 2015 年的 1:12 提升到了 1:3.4;中国充电联盟数据显示,目前我国公共充电桩和私人充电桩总计保有量为 117.4 万台,同比增长 61.2%。交流式充电桩成本在两千到八千元左右,直流式充电桩功率越大的成本越高,为两万到十万元不等。IGBT 占充电桩成本 30%左右,预计充电桩的建设将为 IGBT 带来较大的需求空间。

2020 年国内充电桩需求将为 174 万个左右。由于交流式充电桩成本在两千到八千元左右,直流式充电桩成本为两万到十万元不等,IGBT 占充电桩成本 30%左右,假设交流充电桩与直流充电桩之比为 2:3,

则预计 2020 年充电桩 IGBT 市场规模将为 19 亿元左右。


新能源发电受益政策支持

新能源发电主要以光伏发电和风力发电为代表。

光伏发电:太阳能光伏发电的原理是在太阳光照射时,太阳能电池阵列(即 PV 组件方阵)将太阳能转换成电能,输出的直流电经由逆变器后转变成用户可以使用的交流电。由于 IGBT通态电流大、正反向组态电压高,并且可通过电压来控制导通或关断,所以 IGBT 多被用在中、高压系统中作为电路的开关器件。

风力发电:IGBT 在风力涡轮发动机中,同样用于 DC/AC 电流转换。用 IGBT 代替可控硅,可以很大程度上减少传导损耗,并且使实际功率和无功功率的控制更为方便。

根据集邦咨询数据,到 2025 年新能源发电和智能电网 IGBT 总市场空间将达到 160 亿人民币。



传统工业控制及电源行业稳步增长

IGBT 模块是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件,因此工业是 IGBT重要的下游行业,占比约为 28%。目前,随着工业控制及电源行业市场的逐步回暖,预计IGBT 模块在此领域的市场规模亦将得到逐步扩大。

变频器行业:IGBT 模块在变频器中不仅起到传统的三极管的作用,亦包含了整流部分的作用。控制器产生的正弦波信号通过光藕隔离后进入 IGBT,IGBT 再根据信号的变化将 380V(220V)整流后的直流电再次转化为交流电输出。

近年来,我国变频器行业的市场规模总体呈上升趋势。根据前瞻产业研究院整理,2016 年我国变频器行业的市场规模达到 416.77 亿元,平均 4 年复合增长率为 8.74%。2018 年我国变频器市场规模约 473.1 亿元,同比增长 4.39%。根据前瞻产业研究院整理数据,近年来,变频器市场中我国自主研发能力有所提升,特别是高压变频器在 2017 年的专利申请数稳定在 160 项以上。同时,在实体经济的拉动作用下,变频器已进入新能源领域,在冶金、煤炭、石油化工等工业领域将保持稳定增长;在城市化率提升的背景下,变频器在市政、轨道交通等公共事业领域的需求也会继续增长,从而促进市场规模扩大。未来几年,具有高效节能功能的高压变频器市场将受政策驱动持续增长,预计到 2023 年,高压变频器的市场将达到 175亿元左右。

逆变焊机行业:逆变式弧焊电源,又称弧焊逆变器,是一种新型的焊接电源。这种电源一般是将三相工频(50 赫兹)交流网路电压,先经输入整流器整流和滤波,变成直流,再通过大功率开关电子元件(IGBT)的交替开关作用,逆变成几千赫兹至几万赫兹的中频交流电压,同时经变压器降至适合于焊接的几十伏电压,后再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。根据国家统计局数据,2018 年我国电焊机产量为 853.3 万台,同比 2017 年增加了 58.46 万台。电焊机市场的持续升温亦将保证 IGBT 需求量逐步增大。


变频白色家电市场增长空间大

变频技术已经成为家电领域主流技术。相比于普通家电,变频家电具有更节能、更高效、超静音等优势。变频器技术的开发旨在高能效地驱动用于工业及家用电器的电机,其中,智能功率模块(IPM)将 IGBT、快速恢复二极管(FRD)此类功率器件,以及控制 IC 和无源元件等高密度贴装封装在一起,高能效驱动电机,配合白色家电对低能耗、小尺寸、轻重量、高可靠性的要求。据英飞凌估计,随着可变频家电的快速放量,单位家电中半导体的价值量将显著提升,从 0.7 欧元提升至 9.5 欧元,而增加的半导体主要是属于功率半导体。

IGBT 是变频器的核心元件之一,其高频开闭合功能能够带来以下优点:1、较小的导通损耗和开关损耗;2、出色的 EMI 性能,可通过改变驱动电阻的大小满足 EMI 需求的同时保持开关损耗在合理范围内;3、强大的抗短路能力;4、较小的电压尖峰(对家电起到保护作用)。



斯达半导体

截止 2020 年 2 月,公司共有 4 家控股子公司,分别是:上海道之科技有限公司,持股比例 99.5%;浙江谷蓝电子科技有限公司,持股比例 100%;嘉兴斯达电子科技有限公司,持股比例 100%;StarPower Europe AG,持股比例 70%。

公司主要产品为功率半导体元器件,包括 IGBT、MOSFET、IPM、FRD、SiC 等。公司成功研发出了全系列 IGBT 芯片、FRD 芯片和 IGBT 模块,实现了进口替代。

其中 IGBT 模块产品超过 600 种,电压等级涵盖 100V~3300V,电流等级涵盖 10A~3600A。目前产品已被成功应用于新能源汽车、变频器、逆变焊机、UPS、光伏/风力发电、SVG、白色家电等领域


公司的技术实力:IGBT的难点在加工工艺、封装工艺、设计

公司具有较强的自主研发能力,高芯片自给率为开拓新能源行业提供竞争优势。目前国内多数 IGBT 芯片大量依赖进口,比亚迪微电子和中车株洲可以自产部分芯片。

公司拥有 IGBT 芯片自主设计能力。

2011 年和 2015 年成功独立地研发出 NPT 型芯片和 FS-Trench 芯片,目前已开发出平面栅 NPT 型1200V全系列IGBT 芯片和沟槽栅场终止650V、750V、1200V 及 1700V 全系列 IGBT 芯片,成功解决了包括 8 英寸晶圆减薄技术、背面高能离子注入技术、背面激光退火激活技术以及沟槽栅挖槽成型技术等关键工艺技术。

2019年上半年,公司自研芯片数量占比达到 54.1%,金额占比 52.7%。同时,公司正在进行可以更好地应用于新能源汽车中的新一代 IGBT 芯片研发,预计 2020 年可实现批量生产。强研发能力给公司在新能源领域带来了竞争优势,有助于公司未来进一步占领新能源市场份额。


公司的核心技术

斯达半导打破了国际巨头对于大功率工业级和车用级模块的垄断。国内 IGBT 芯片和快恢复二极管芯片主要依赖进口,国内可以自主研发 IGBT 芯片和快恢复二极管芯片的公司较少。斯达半导已经成功研发出 FS-Trench 型 IGBT 芯片并实现规模化量产。同时公司已经成功研发出可多个芯片并联的快恢复二极管芯片,其具备正温度系数、漏电流小的特性。以上两种芯片已成功应用于大功率工业级和车用级模块,打破了大功率工业级和车用级模块完全依赖进口芯片的被动局面。


公司的供应商:芯片自给率50%

芯片占总成本的 60.35%:公司产品主要成本是原材料成本,2019 年 1-6 月,原材料成本占比 87.21%,制造费用占比 8.62%,直接人工占比 4.17%。公司 IGBT 模块原材料包括 IGBT 芯片、快恢复二极管等其他半导体芯片、DBC 板、散热基板,在各种原材料中,芯片作为 IGBT 模块的核心元器件,占比最高,2019 年 1-6 月,IGBT 芯片成本占比 69.21%。

2019 年上半年供应商中,前四大供应商均为芯片供应商,其中上海华虹宏力与上海先进半导体为 Fabless 外协芯片生产供应商,英飞凌与 IXYS 为外购芯片供应商。前五大供应商合计占比 60.18%,IGBT 与快恢复二极管等芯片为核心元器件。

2016 年、2017 年、2018 年和 2019 年 1-6 月公司自主研发的 IGBT 及快恢复二极管芯片采购数量占当期 IGBT 及快恢复二极管芯片采购总量比例分别为 31.04%、35.68%、49.02%和 54.10%,

自主研发的 IGBT 及快恢复二极管芯片采购金额占当期 IGBT 及快恢复二极管芯片采购总额比例为 20.26 %、32.08%、45.30%和 52.71%。


主营产品

公司的主营产品可按功率分为 1200VIGBT 模块和其他 IGBT 模块,其中 1200VIGBT 模块占营收比例最大,占比约为 70%左右。

公司产品的下游应用行业主要有工业控制及电源行业、新能源行业和变频白色家电行业。其中,工业控制及电源行业主要包括变频器行业、电焊机行业等;新能源行业包括新能源汽车行业、风力发电行业、光伏行业等。

其中,2018 年公司销售的产品在工业控制及电源行业的应用占比最高,占比为 78.31%,新能源行业占比约 18.41%,变频白色家电行业及其他行业共占比 3.28%左右


IGBT 的产品形态有三大类,一是分立 IGBT 器件,二是 IPM 模块,三是 IGBT 模块。据英飞凌最新数据,上述三种产品形态的市场容量分别为 13.1 亿美金、16.8 亿美金、32.5 亿美金,三种产品形态市场规模合计有 62.4 亿美金。


公司的主要客户下游应用

公司下游应用面向三大细分领域,一是工业控制及电源行业,二是新能源行业,三是变频白色家电行业。其中工业控制领域是公司第一大下游应用,2018 年收入占比达 78%,具体包括变频器应用、电焊机应用等。

2019 年上半年,公司前五大客户总销售金额为 13529.75 万元,合计占比36.92%,其中占比最大的两个客户是国产变频器行业的龙头企业英威腾和汇川技术,分别占比 11.55%和 10.62%。

英威腾:英威腾是国内重要的中低压变频器龙头企业之一。

汇川技术:汇川技术与英威腾同为我国中低压变频器领域的龙头企业。



公司在全球的竞争格局

全球 IGBT 市场几乎被欧美日企业垄断,全球最大的 IGBT 公司是德国英飞凌,位居分立 IGBT 及IGBT 模组第一位,日本三菱则占据 IGBT-IPM 第一大市场份额。

分立 IGBTs:2018 年,全球分立 IGBT 市场 13.1 亿美元,较 2017 年增长 19.1%。分立IGBT 集中度较高,2018 年英飞凌份额最高,以绝对领先优势,占比高达 37.4%,安森美和富士电气分别位居第二和第三,前三家公司合计占比达到 56%。

IGBT-IPMs:2018 年,全球 IGBT-IPMs 市场 16.8 亿美元,较 2017 年增长 7.0%。在IGBT-IPMs 领域,日本三菱优势明显,2018 年市场占比高达 32.3%,其次是安森美和英飞凌,前三家公司合计占比达到 63%。排名第十的是中国吉林的华微电子,是 IGBT-IPMs 领域唯一进入前十的中国公司,市占率 0.5%。

IGBT 模组:2018 年,全球 IGBT 模组市场 32.5 亿美元,较 2017 年增长 23.5%。在IGBT 模组领域,英飞凌优势明显,2018 年市场占比高达 34.5%,其次是三菱和富士电气,前三家公司合计占比达到 54.6%。斯达半导体排名第八,市占率 2.2%,是 IGBT 模组领域唯一进入前十的中国公司。

按应用领域公司分布来看,

英飞凌、富士电机、赛米控、安森美等企业在 1700V 及以下的中低电压(消费级 IGBT)领域处于领导地位;

ABB、英飞凌、三菱电机等企业在 1700V-6500V电压等级的工业级 IGBT 领域占据优势,

同时 3300V 以上电压等级的高压 IGBT 技术被英飞凌、ABB、三菱三家公司所垄断。

尽管中国拥有全球最大的功率半导体市场,但本土 IGBT 厂商与国际大厂相比仍有较大差距。国内企业在功率半导体,尤其是芯片设计上还处于起步阶段,IGBT 行业比较落后,在全球产业链中的排名靠后。

按产业链上下游分布来看,我国的 IGBT 厂商主要包含以株洲中车时代、比亚迪、士兰微为代表的 IDM 厂商;以西安永电、斯达半导体为代表的模块厂商;以中科君芯为代表的的芯片设计厂商,以及华虹宏力、中芯国际等代工厂商。

国内 IGBT 行业参与者一览

公司募集资金:未来的战略规划

斯达半导本次上市募集资金投资项目紧密围绕公司主营业务,符合公司未来发展规划。

公司开展募投项目积极扩张新能源领域产能。从 2019 年上半年公司下游应用领域占比来看,新能源汽车占比为 18.05%。为了顺应新能源汽车高速发展的行业趋势,进一步打开公司产能瓶颈,增强公司未来盈利能力,公司目前实施了针对新能源汽车 IGBT 模块的募投项目。

项目总投资规模为 2.5 亿元,预计年新增 120 万个新能源汽车用 IGBT 模块。根据上面的预测,2020 年国内车载 IGBT 需求量将不少于 200 万个,并且目前国内 IGBT 处于供不应求的状态,未来需求量将随新能源汽车的产量增加而不断上升;同时国际市场也正在高速扩张,预计公司新增的产能可以被市场完全消化。根据公司预计,扩产后将实现销售 4.2 亿元,年均利润 6404.7 万元。

目前公司新能源业务占比较小,增长空间大。目前国内新能源汽车领域的国产 IGBT 厂商除斯达半导体之外有:比亚迪微电子、华微电子、扬杰科技和宏微科技等。除比亚迪微电子外,多数国内厂商在技术和设备上较国际大厂仍然有一定的差距。目前我国 IGBT 总体市场 90%依赖进口产品,国产替代迫在眉睫。

公司开展募投项目扩产 IPM 模块。目前公司变频白色家电领域占公司下游应用领域比例较小,不到 4%。目前 IPM 行业高速增长,国内需求空间大供给不足,为了抓住这个契机,公司开展了 IPM 模块的募投项目,总投资金额 2.2 亿元,预计最终扩充至 IPM 模块产能 700万个/年。与此同时,公司正在实施应用于变频家电的 IPM 模块研究项目,且已经小规模出货,将根据市场开发情况择时大批量生产。公司预计扩产后 IPM 模块将实现销售 3.15 亿元,年均利润 4967.1 万元。

2020 年智能变频家电产品的渗透率将进一步提升,白电、厨电、生活电器等智能家电的占比将分别达到 45%、25%和 28%。

IPM 是变频家电中的核心模块,2018 年全球 IPM 市场达到 168 亿美元,国产 IPM 出货量940 万颗。目前 IPM 国产化率低,进口依赖程度高,据中国家电协会 2018 年的数据,我国白色家电“空冰洗”中模块需求超过 1.8 亿个,但国产率不足 10%。国内目前从事 IPM 模块的企业除斯达半导体外,还有宏微科技、比亚迪微电子、银茂微电子、士兰微电子等。

目前我国家白色电行业遭遇发展瓶颈,“冰空洗”销量下跌,但变频家电的渗透率逐年上升。2019 年我国“冰空洗”变频家电的渗透率在 20%-40%之间,其中 IPM 模块在变频空调中的使用率最高,达到了 100%;变频洗衣机 IPM 率也达到了 95%;但冰箱使用 IPM 模块变频的较少,仅 3%左右。

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