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功率半导体深度梳理电子装置电能转换与电路控制的核心—CQ9电子-游戏官方网站
功率半导体深度梳理电子装置电能转换与电路控制的核心
栏目:公司新闻 发布时间:2024-10-30
 其本质是利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能,具体用途包括变压、逆变、整流、斩波、变频、变相等,可以提高能量转换效率,减少功率损失。  功率半导体可分为功率器件和功率 IC 两大类,其中功率器件主要包括二极管、晶闸管和晶体管,晶体管根据应用领域和制程不同又可分为BJT、MOSFET 和IGBT 等;功率 IC 属于模拟 IC,包含电源管理 IC、驱动IC、AC/DC 和 DC/D

  其本质是利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能,具体用途包括变压、逆变、整流、斩波、变频、变相等,可以提高能量转换效率,减少功率损失。

  功率半导体可分为功率器件和功率 IC 两大类,其中功率器件主要包括二极管、晶闸管和晶体管,晶体管根据应用领域和制程不同又可分为BJT、MOSFET 和IGBT 等;功率 IC 属于模拟 IC,包含电源管理 IC、驱动IC、AC/DC 和 DC/DC 等。

  从功率半导体细分产品市场结构来看,功率IC是功率半导体市场主要的出货产品,占比约50%以上;而功率半导体分立器件中,市场对MOSFET、IGBT以及二极管需求较大。据芯谋研究的数据,MOSFET占功率分立器件市场份额最大,达到42.6%,其次是IGBT和功率二极管,三者占据了90%以上的功率器件市场。

  由于二极管的行业技术壁垒较低,市场规模比较稳定,我国份额逐渐增加。据华经产业研究院的统计,2022年全球二极管行业市场规模为55.73亿美元,与2021年数据基本持平。中国的二极管行业凭借其低成本的优势,在全球市场中的市场份额占比逐年增加,2022年我国二极管行业市场规模为23.23亿美元,与2021年数据基本持平,预计2023年市场规模为19.57亿元,较2022年下降15.76%,降速远小于全球平均水平。

  晶闸管因其大电流大电压的处理能力,在大功率应用领域仍有优势作为一种技术相对成熟的产品,其市场成长性趋于稳定。根据华经产业研究院的统计和预测,全球晶闸管市场规模由2017年7.18亿美元增至2021年8.24亿美元,2022年全球晶闸管市场规模达到10.07亿美元,2017年到2022年的年均复合增长率达到5.8%。全球晶闸管市场规将从2023年的8.31亿美元增长至2028年的12.42亿美元,期间复合增速达5.9%。而中国市场在2021年就以37%的占比成为了全球晶闸管最大的单一市场,从2019年开始,中国晶闸管的市场规模开始稳定的持续增长,2017-2022年的年均复合增长率为7.0%,预计到2023年将增长至27.9亿元,

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  BJT作为电流控制型分立器件,在消费类电子、网络通讯、工业、安防等领域对分立器件功耗和频率要求愈发严格的背景下,其市场空间正逐步被MOSFET等元器件取代。根据中商产业研究院的统计,2022年全球BIT市场规模达9.32亿美元,同比减少9.07%,预计2023年将下降至7.38亿美元。2022年中国BJT市场规模达4.5亿美元,同比减少5.46%,预计2023年将下降至3.66亿美元。

  全球MOSFET行业市场规模保持稳定扩张,市场前景广阔。2022年全球MOSFET市场规模达129.6亿美元,同比增长14.49%,预计2023年将达133.9亿美元。中国MOSFET行业市场规模也保持稳定扩张趋势,增速高于全球市场增速。2022年中国MOSFET市场规模约为54.0亿美元,同比增长15.88%,预计2023年将达56.6亿美元。

  在新能源汽车、风光储市场带动下,IGBT市场呈现结构性快速增长态势,是目前发展最快的功率半导体器件之一。据YOLE数据显示,2022年全球IGBT的市场规模约为68亿美元,受益于新能源汽车、新能源、工业控制等领域的需求大幅增加,预计2026年全球IGBT市场规模将达到84亿美元中国是全球最大的IGBT市场,约占全球IGBT市场规模的40%,2022年中国IGBT市场总规模达321.9亿元,预计2025年市场总规模有望达468.1亿元,CAGR为13.3%。

  硅基晶圆产线年有所改善。功率半导体上行周期时,市场供不应求,许多厂商纷纷扩建产线。以海外IDM巨头为代表的各大厂商选择向投入产出比更高的12英寸晶圆转移。但随着市场供需关系改善,全球晶圆产能由前两年的供给不足转向产能过剩。根据SIA发布的数据,2020年晶圆产能利用率维持在87.5-90%之间。而在2022年Q4,这一数字已经下滑到85%以下。截至2023年底,全球晶圆8英寸利用率为65-70%,12英寸利用率为70-75%,功率半导体所用制程基本在90nm以上,工艺制程更为落后的晶圆厂产能利用率还将走低,许多厂商采取以价换量的策略。2023年晶圆产能预计已到达谷底,2024年将随着下游订单的温和反弹有所改善。

  海外功率巨头转向SiC,国内产业链急追。以SiC为代表的第三代半导体材料拥有超越Si基的性能优点,3倍的禁带宽度可减少漏电并提高工作温度;10倍的击穿场强可提高开关速度并减低损耗;4倍的导热率支持高功率密度并可降低散热要求。其中衬底技术壁垒和价值量较高,约占47%。海外功率巨头纷纷发展SiC产线,争夺发展窗口期,Wolfspeed、Coherent等国外重点衬底厂商产能仍占据市场应用主流,国内以天岳先进及天科合达为代表的领先厂商产能扩张较快,目前仍处于供不应求的状态。此前中国SiC材料仅占全球约5%的产能, 2023年以来中国在SiC产能上急追,乐观预计2024年中国SiC晶圆在全球的占比有望达到50%,月产能将达到12万片。

  全球市场的集中度较高,主要被海外IDM巨头占据。中高端产品生产厂商主要集中在欧美、日本和我国台湾地区,大部分属于IDM厂商。全球功率龙头企业英飞凌市场份额为13.5%,其次为德州仪器、安森美等。其中,MOSFET市场和IGBT市场仍由英飞凌牢牢垄断龙头位置,市场份额占比较大,而其他主要参与者也较为集中。细分市场只有个别国产厂商进入前十。

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  在IDM模式下,1)功率厂商的设计和制造环节紧密结合,能针对客户定制化需求来优化设计与制造环节,产品验证周 期速度快,技术迭代优势明显;2)同时自有产线,可自控产能,保障产品交付能力及成本控制,对于部分车企来说,功率厂商能否自控产线、保障交期成为了首要的考虑因素之一;3)具有较强的产业链整合能力,在面对市场波动的情况下应对更为灵活,不像Fabless受制于晶圆代工厂,有利于扩展整体市场规模,挤占市场份额。海外的功率IDM巨头们凭借着这一模式的优势,在功率市场上不断扩张自己的份额,尤其在高端功率器件领域,占据技术壁垒更高、利润空间更大的细分赛道。

  中国仍处于起步阶段,市场集中度较低,Fabless和IDM厂商并存,正在快速成长。中国功率市场竞争格局较为分散且势均力敌,并未出现像英飞凌这样垄断性地位的佼佼者出现。由于海外厂商不断争夺高端功率器件市场的份额,更多地转向高压大功率以及SiC的细分赛道,部分中低端产品的市场份额释放给国内功率厂商替代入场,国产功率正在快速崛起。从全球功率分立器件产业排名来看,2022年的数据较于2021年,位居全球前20的中国功率厂商总营收持续增长,排名不断上升,国内厂商正在不断追赶海外龙头的份额。

  相较于海外的IDM模式,国内涌现了一大批Fabless模式的厂商。 Fabless模式1)集中资源在芯片设计上达到更优的研发技术水平;2)同时由于没有产线,减少设备和固定成本,减少资本回报时间过长的风险;3)避免下行周期时产能利用率波动带来的影响。对于仍处于追赶位置的国内厂商来说,Fabless模式能够让国内企业轻装上阵,借助成熟的晶圆代工,将有限的资本用到刀刃上,快速切入并提高市场份额。国内部分功率厂商如扬杰科技采取IDM+Fabless,在MOSFET、IGBT、第三代半导体等新兴高端领域委外代工保障良率,在成熟产品领域自建产线保障产能。还有部分功率厂商如斯达半导由Fabless转IDM,在高压大功率产品方面自建产线以满足工艺和产能需求,保障下游客户订单供应稳定。也有部分前身是Foundry的晶圆代工厂如华润微借助自身产线优势切入功率赛道占据市场份额前列。可见Fabless、Foundry和IDM的生产模式并不是固定的,企业会根据市场需求进行不断的调整

  对于国内功率企业而言,未来的发展道路会慢慢向IDM靠拢。主要原因是:1)功率半导体行业发展较为成熟,技术壁垒较低,产品尤其是国内厂商聚集的中低端器件差异化较小,较容易替代,厂商获利空间有限,降本增利成为了主要目的,而IDM生产模式能够有效控制成本;2)下游客户对自控产线的重视促使企业转向IDM,不仅国内车企等下游客户看重产能、交期的保障,海外的下游客户也格外重视供应的稳定性。Fabless有其自身的优势所在,中国台湾地区的功率厂商以Fabless为主,主要得益于台湾晶圆代工的优越地位。根据2023年晶圆代工的市占数据,台湾地区占约75%的份额,而大陆地区只占到了11%左右。在晶圆代工方面的不足促使大陆地区的功率厂商更多地考虑IDM模式。

  中低端内卷严重,国内厂商聚焦出海。2023年年底至2024年年初以来,有多家功率器件原厂发布了涨价函,这一消息引起了业界的广泛关注。这些原厂包括国际知名厂商和国内领先企业,涨价主要原因有原材料价格上涨、人工成本增加等因素,不得不调整产品价格。从各家功率器件厂商发布的涨价函来看,功率半导体市场出现的涨价潮是部分企业不得已而为之的自救行为。调价主要集中中低压产品,国产化率较高,国产器件厂商面临市场需求萎靡引发恶意竞争,导致产品价格不断下滑。同时叠加上游成本增加等因素推动,相关晶圆厂对品圆产品实施涨价,部分封测工厂也均有涨价的相关行为。中小企业面临经营压力,不得不采取调整价格进行成本转移。但市场价格整体仍然处于下降趋势。对于国内厂商而言,摆脱没有意义的中低端价格战,去抢夺海外厂商的高利润市场份额,是接下来功率半导体生存和发展的重中之重。

  供给端积极海外并购,近两年海外并购窗口期。对于已经相当成熟的海外功率半导体市场而言,最有效而直接的切入市场的方式便是海外并购拥有一定市场份额、产品稳定性可靠性已获得下游验证的厂商。在海外设立子公司也是另一个切入海外市场的有效渠道,但相较于设立子公司所需要的长期积累,海外并购则收益更快。例如全球功率龙头之一安世半导体于2019年被闻泰科技收购后,排名2022年全球第五名,并连续三年排名国内榜首。同时,历史数据显示,在重大经济危机发生后的18至24个月内,全球并购交易的估值倍数往往会出现15%至25%的折让,考虑到疫情带来的经济下行影响,这意味着国际市场存在近两年的海外并购窗口期。

  需求端承接海外厂商放弃市场,产量大、交期短、成本低优势尽显。海外厂商将更多资源倾斜到第三代半导体,释放了部分功率器件市场需求给国内厂商进行替代。扬杰科技在海外收购的MCC就以交期短的优势成功承接了安森美放弃的消费类市场,并通过控制成本等途径提高自身毛利率。相比于国内厂商来说,海外厂商在功率半导体领域的交期普遍较长,成本也较高,而国内厂商交期短、产量大、器件制造成本低,且能快速响应客户,通过承接海外厂商放弃的部分市场,并以自身优势牢牢占据市场份额,是未来功率半导体企业抢占海外功率龙头市场份额的主要途径

  2016-2018年周期:2016年末,美国功率制造商Diodes晶圆厂发生火灾,影响了全球二、三极管的供应,叠加2017年指纹识别芯片订单旺盛,8寸晶圆厂产能紧缺,适逢新能源汽车风口,供不应求,功率半导体交货周期大幅拉长。

  2020-2022年周期:2020年下半年起,受光伏市场影响,国内功率半导体需求呈现高景气特征,叠加新冠疫情导致产能不足的因素,供求出现显著错配。2021年至2022年,功率半导体市场繁荣,相关功率半导体龙头公司纷纷宣布提价,国内功率厂商顺势而上。2022年以来,由于光伏储能行业错判海外预期,阶段性产能过剩,功率半导体市场行情回落,供需反转并大幅降价;加之消费电子市场疲软大背景下,库存去化成为功率半导体市场近两年主旋律。

  以价换量清库存,交期缩短趋势明显。下行周期各厂商库存积压严重,以价换量库存去化策略下整体市场价格持续走低。芯查查的价格指数在1-5月高于100基准线月价格跌破基准线年也呈下降趋势,下降幅度略缓于价格指数,从2023年2月逐步缩短,货品流通速度快。

  行业估值触底,上行空间广阔。对比分立器件(申万)指数从2012-2024年的市盈率走势,从周期低点来看,周期市盈率低点基本徘徊于30倍左右,而功率半导体已于2022年10月触及低点32倍,目前徘徊于40倍区间,我们可以认为功率半导体行业处于周期底部低位。从周期高点来看,2015年市盈率高点166.94倍对比2012年低点29.01倍增长约475.46%,2020年市盈率高点119.73倍对比2018年低点28.95倍增长约313.58%,反弹空间巨大。未来AI对电力的需求飙升,需要更高功率、更高能效的电力电子设备去支撑,AI或将成为驱动功率半导体下一轮景气周期的结构性增长动力,功率半导体行业未来估值或具备更大上行空间。

  从功率半导体的下游来看,汽车、工业和消费电子是功率半导体的前三大终端市场,三者连续多年合计占比在75%以上。但近年来,光伏储能等新兴应用领域的快速增长,也成为了功率半导体快速成长的市场下游。

  新能源汽车渗透率提高带来量价齐升。随着近年来新能源汽车的渗透率不断提升,内部功率半导体使用数量的快速增加,并随着电气化程度的提升,单车功率半导体价值量也不断增长。据Strategy Analytics 数据统计,纯电动车型中的功率半导体价值占比约为55%。2022年新能源汽车的单车功率半导体价值量达458.7美元,约为传统燃油车的5倍。根据中国汽车工业协会的数据,2023年新能源车销量944.8万台,同比增长37.49%,渗透率达到37.74%,预计2024年达到1150万台,同比增长21.72%,渗透率将达到40%。从库存来看,新能源汽车在2024年Q1预计进一步去库,库存或降至60万辆左右水平,2024年Q2新能源汽车有望迎来补库周期,拉动对功率器件的需求。这将带来2024年功率半导体应用的量价齐升。

  工业下游需求分散,市场需求较为稳定。IGBT模块是变频器、逆变焊机、UPS电源等传统工业控制及电源行业的核心元器件。近年来,受到下游工业机器人、电子制造设备等产业扩张的影响,工业对IGBT的需求还将持续温和增长。根据集邦咨询的预测,未来工控IGBT市场的年复合增速约为3%,预计到2025年全球工控IGBT市场规模将达到167亿元。从库存来看,工控行业需求仍偏弱,库存整体仍较高。预计2024年对功率半导体需求带动作用有限。

  消费电子主要应用为中低压产品,2024年温和复苏。由于消费电子产品生命周期较短,中低压功率器件价值量较低,消费电子市场以存量替换需求为主。从库存来看,2023年Q4消费类需求受手机、PC需求及AI产业升级影响,订单好转,复苏明显。Canalys等机构预计智能手机和PC将在2024年实现温和增长,预计年增长率为3%,2024年消费电子暖流持续有望带动功率半导体备货。

  光伏储能领域,库存逐步出清,2024Q2迎来装机旺季。根据国家能源局的数据,截至2023年12月底,国内光伏新增装机为216.88GW,同比大增148%。根据索比光伏网和彭博新能源财经的预测,2024年全球市场增速接近30%,国内可能在220GW上下,海外市场将贡献更多利润。从海关总署出口的数据来看,欧洲市场在2023年面临库存压力,需求出现了阶段性放缓,预计2023年底欧洲库存水平将回归到合理规模,而新兴市场如南非的需求正在增加,拉动出口量环比逐月改善。IGBT是光伏逆变器的核心零部件,单位成本约0.02元/W,而逆变器又是光伏电站系统中的核心设备,预计IGBT的需求将随着光伏储能的需求恢复增长持续提升。从库存来看,光伏行业于2023年Q4进入加速去库存周期,产业链价格及盈利水平预计逐步见底,2024年Q2随着光伏行业需求放量,产业链有望呈现量升价稳态势;储能行业的库存出清持续到2023年底,欧洲库存水平将回归到合理规模,叠加2024年Q2欧洲装机旺季的到来,有望推动户储出货恢复。光伏储能下游库存去化进度基本完成,预计在2024年Q2迎来拉货需求,拉动以IGBT为主的高压大功率器件需求。

  从海内外功率厂商的对比来看,功率厂商的成长发展路径极为相似,大力进军车规级功率产品和第三代半导体是未来功率企业的发展主旋律。

  随着新能源车全球普及加速,功率密度标准持续提升为SiC产业落地提供契机,各国制定的电动车发展路线图中,功率密度标准逼近主流Si基器件的性能极限,SiC器件成为理想替代,全球功率半导体巨头也一致看好SiC长期发展,聚焦在第三代半导体,大幅扩产SiC产能。相比之下,对于Si基的功率产品则持较为谨慎的扩产态度。海外功率龙头企业下游也较为集中,从国际龙头的下游结构来看,主要驱动来自于新能源汽车为代表的车规级需求。

  国内功率市场经历了过去上行-下行的周期发展后,产能走向供过于求,生存压力迫使市场进行新一轮的出清。预计2024年国内功率企业将有一轮大调整。

  1)因此,短期来看,由于没有固定产线,受产能利用率下降影响较小,同时享受更低的晶圆代工价格,Fabless企业有望比IDM企业在本轮调整中更快触底。而新能源作为国内功率企业结构性增长的根本驱动力,仍然会在接下来的周期中发挥重要的作用。除了新能源车,光伏储能等方面的需求则在国内市场发挥更爆发性的作用。随着下游光伏储能行业的库存出清、需求复苏,以及政策红利带来的推动,功率半导体作为上游将会持续受益。

  中期来看,重点关注下游结构中新能源占比较高的标的,预计将会在下一轮新能源红利周期中率先受益。

  国内功率企业海外业务总体占比较少,如何避免国内市场中低端价格战,从而抢夺海外市场高端份额和国际功率龙头竞争成为了接下来国内功率企业发展必须要思考的问题,除去部分企业抢占先机率先规划海外业务,其余国内功率厂商预计也将持续寻求出海机会,大力开拓海外业务。在出海抢夺海外厂商市场份额的过程中,核心竞争力在于高端产品的突破,尤其在产品性能参数、可靠性等方面。

  3)长期来看,在功率半导体领域高端产品领域,如高压大功率车规级产品和第三代半导体有优势的企业未来利润增长空间弹性更大。

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