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-全面掌握具有完全 自主知识产权的高低压 IGBT 及配套 FRD 芯片的设计与制造工艺技术

  (报告出品方/作者:东北证券,李玖、程雅琪、王浩然)

  1.1. 轨道交通领域行业龙头,新兴装备领域持续发力

  时代电气以轨道交通装备业务为基石,新兴装备领域多点开花。中车时代电气成立 于 2005 年,于 2006 年在香港联合交易所上市。公司成立之初主要业务为轨道交通 装备,2008 年通过收购 Dynex 75%股权加快其在功率半导体产业的产业化进程。 2014 年,公司 8 英寸 IGBT 芯片生产线全面建成投产,填补了我国在这一领域的技 术和产品空白。目前,公司形成了“基础器件+装置与系统+整机与工程”的完整产业 链结构,在轨交领域,产品包括以轨道交通牵引变流系统为主的轨道交通电气装备、 轨道工程机械、通信信号系统等;同时公司也在功率半导体器件、工业变流产品、 新能源汽车电驱系统、传感器件、海工装备等其他新兴领域不断发展。

  公司是我国轨道交通牵引变流系统龙头,同时参与铁路和城轨市场,在两个领域均 保持着较高的市场地位。公司牵引变流系统产品型谱完整,可生产覆盖机车、动车、 城轨领域多种车型,市场占有率居优势地位,根据城轨牵引变流系统市场招投标等 公开信息统计,公司 2012 年至 2021 年连续十年在国内城轨牵引变流系统市场占有 率稳居第一。同时公司掌握 IGBT、SiC、大功率晶闸管和 IGCT 器件及其组件技 术。公司建有 6 英寸双极器件、8 英寸 IGBT 和 6 英寸碳化硅的产业化基地,拥有 芯片、模块、组件及应用的全套自主技术,生产的全系列高可靠性 IGBT 产品打破 了轨道交通核心器件和特高压输电工程关键器件由国外企业垄断的局面,广泛应用 于输配电、轨道交通和工业等多个领域,目前正在解决我国新能源汽车核心器件自 主化问题。据年报披露,2021 年,公司 IGBT 产品在轨交、电网领域占有率国内第 一。

  轨道交通装备业务为收入贡献主体,新兴装备业务增长潜力大。2021 年度,公司轨 道交通装备业务收入占比 81.02%,其中以轨道交通电气装备为主;新兴装备业务占 营业总收入 17.01%。目前,轨道交通装备业务持续保持稳定优势;同时随着技术突 破和市场认可度的不断提高,新兴装备业务有望形成新的业务增长点。

  1.2. 国资企业前景良好,产线丰富制造能力强劲

  国务院国资委为公司的实际控制人。公司第一大股东为中车下属公司中车株洲所, 持有公司 41.63%股权;中国中车通过其全资子公司中车株洲所、中车株机公司、中 车投资租赁、中国中车香港资本管理有限公司间接持有公司合计 44.14%股权,成为 公司的间接控股股东;国务院国资委是公司的实际控制人。

  员工参与 IPO 战略配售以及引入员工持股平台,利于公司长期发展。本次公司上市 共有 900 余位公司高级管理人员及核心员工参与 IPO 战略配售设立的专项资产管理 计划。此外,2021 年 9 月 23 日,全资子公司中车时代半导体引入员工持股平台, 持有时代半导体 6.22%的股权,参与员工人数共计 264 人。上述举措能充分调动公 司员工的工作积极性,利于公司长期良好发展。

  产线布局多地,公司具有强大生产制造能力。公司布局国内外 20 多个城市和地区, 建设了大规模的现代化产业制造基地和地铁变流器、动车组变流器、大功率电力机 车变流器、信号、模块、养路机械、大功率半导体器件等 20 多条先进生产线,具备 年产标准地铁 780 列、动车 144 列、各型机车 840 列、监控装置 3000 套、养路机械 500 台套等强大的生产制造能力。2021 年,公司功率半导体器件年产能为 131.9 万 只,轨道工程机械整机年产能 306 辆。

  公司具有优质的轨交领域客户资源。公司客户资源遍及全球多个国家和地区,与国 内外多家知名企业建立了良好的合作关系。轨道交通装备产品及相关服务主要面向 中车集团下属主机厂、国铁集团及下属子公司、地铁公司、地方铁路公司等国内外 客户。新兴装备业务的主要客户包括电网公司、大型厂矿企业、新能源汽车制造企 业、海洋石油开采企业等。2021 年度,公司前五大客户收入占比为 63.40%,其中第 一大客户中车集团占比 40.36%。

  1.3. 盈利能力较好,高研发投入保证竞争优势

  疫情影响轨交业务,新兴装备业务迅速发展。公司营业收入、归母净利润近几年有 一定波动。分业务来看,轨道交通装备业务营收由 2017 年 131.13 亿元增长至 2020 年 138.90 亿元,CAGR=1.94%,2021 年受国铁集团等大客户缩减投资预算,轨交市 场需求降低,收入较上年一定下降;新兴装备业务收入由 2017 年的 17.09 亿元增长 至 2021 年的 25.72 亿元,CAGR=10.77%,发展势头良好。

  毛利率和净利率处较高水平。近年来,公司毛利率与净利率整体相对稳定,基本维 持在 37%与 16%左右,均处在较高水平。分业务来看,轨道交通装备业务毛利率保 持相对稳定,维持在 37%-40%;新兴装备业务毛利率有所下降,主要原因为:(1) 公司功率半导体器件产品销售结构略有变化,且受外部市场竞争环境以及竞争对手 定价策略的影响,公司部分产品定价略有下调;(2)公司持续加大对功率半导体产 业板块 IGBT 产线的投资力度,IGBT 销量逐渐提升,但尚未完全形成规模效应, 毛利率仍相对较低。同时折旧率增加会对毛利率产生影响。

  持续增加研发投入,巩固企业核心竞争优势。费用端,期间费用率由 2017 年的 18.66% 增长至 2021 年的 23.01%,其中销售和管理费用率比较稳定,研发费用率逐年提升, 由 2017 年的 8.96%增加至 2021 年的 11.18%,公司始终坚持自主创新,高度重视研 发体系的建设和研发能力的提升,持续增加研发投入,确保技术引领,不断巩固和 增强企业核心竞争优势,研发费用率处于行业较高水平。

  1.4. 核心技术领先,募投进一步强化研发能力

  在多个国家重要工业领域填补多项技术空白,成功打破国际垄断。公司通过自主研 发掌握了十大核心技术。在轨道交通牵引变流系统领域,公司为我国拥有完全自主 知识产权的“复兴号”标准动车组提供牵引变流系统核心部件;为永磁高铁提供牵 引变流系统,使我国成为世界少数几个掌握高铁永磁牵引变流系统技术的国家之一。 在功率半导体器件领域,公司已全面掌握平面栅(DMOS+)技术、沟槽栅 (TMOS) 技术和精细沟槽(RTMOS)技术,在 IGBT 领域的技术达到国际领先水平。

  募投资金多用于研发项目,利于增强公司原有业务竞争力、开拓新业务领域。本次 科创版 A 股上市,公司募集资金净额为 74.43 亿元,主要用于轨道交通牵引网络技 术及系统研发、轨道交通智慧路局和智慧城轨关键技术及系统研发、新型轨道工程 机械装备研发和新产业先进技术研发等项目。公司拟投资 31.6 亿元进行轨道交通相 关项目研发,以建设新的轨道工程机械制造平台,根据产品技术的不断更迭建设配 套生产线,有效提升新造轨道工程机械车辆的生产能力;投资 8.7 亿元发展新产业 先进技术研发,包括新能源汽车电驱系统研发应用项目、新型传感器研发应用项目、 工业传动装置研发应用项目和深海智能装备研发应用项目,其中 5 亿元用于新能源 汽车项目,从而进一步提升公司在新能源汽车电驱系统领域的核心竞争力和品牌影 响力,同时有助于公司未来开拓新的业务领域,实现新的盈利增长点。

  2.1. 功率器件是电力电子应用的基础和核心

  功率器件是电子电力设备中电能转换与电路控制的核心。功率器件是电力电子应用 装备的基础和核心,主要用于电力电子设备的整流、稳压、开关、变频等,广泛应 用于几乎所有的电子制造业,其传统应用领域包括消费电子、网络通信、工业电机 等,目前正逐渐应用于新能源汽车及充电系统、轨道交通、智能电网、新能源发电、 航空航天及武器装备等新兴领域。据英飞凌公布的数据,2020 年全球功率器件市场 规模为 209 亿美元,其中功率 MOSFET 市场规模为 81 亿美元,占比达 39%;IGBT 市场规模为 66 亿美元,占比 32%;两者占据了功率分立器件的大部分市场。

  根据对电路信号的可控性,功率器件可以分为分为三类:不可控型、部分可控型和 完全可控型。(1)不可控型功率器件主要是功率二极管,一般为两端器件,二极管 的开通和关断都不能通过器件本身进行控制;(2)部分可控型功率器件主要是晶闸 管及其派生器件,这类器件一般为三段器件,开通可控而关断不可控;(3)完全可 控型器件以 MOSFET,IGBT,GJT 为主,其控制端不仅可以控制开通,也能控制关 断。

  根据驱动形式分类,功率器件可以分为三类:电流驱动型、电压驱动型和光驱动型。 (1)电流驱动型功率器件有 SCR、BJT、GTO 等,需要足够电流才可导通或关断; (2)电压驱动型有 IGBT、MOSFET 等,需要特定电压以及很小的电流进行导通或 关闭,这类器件驱动功率很小且驱动电路比较简单;(3)光驱动型有光控晶闸管等, 开关通过光纤和专用光发射器来控制。

  根据功率器件的材料,功率器件分为三类:Si 基、SiC 基、GaN 基。Si 功率器件是 主流,最重要的原因在于成本。Si 材料的击穿电压是三者中最低,而 SiC 和 GaN 属 宽禁带半导体材料,具有更高的带隙,更大的击穿电压。高击穿电压的特性让 SiC 和 GaN 在大功率、超高电压控制方面的应用更有前景。但是因为产业协同发展的阶 段不同,与成熟的 Si 产业链相比,SiC 和 GaN 无论是工艺水平还是供给规模都远 远小于 Si 材料,造成 SiC 和 GaN 在成本上难以与 Si 产业竞争,只能在一些特定的、 非成本优先的专用领域才有应用,大体而言,SiC 和 GaN 器件多应用于高压和高频 电路。据 Omdia 数据预测,未来硅基功率器件在这个功率半导体市场中仍将占 50% 左右的份额,但第三代半导体渗透率有望由 2020 年 5%提升到 2024 年的 17%。

  2.2. IGBT 是重要的功率器件

  IGBT 兼具 BJT 和 MOSFET 的优点,在高压、大电流、高速等方面优势显著。 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),即绝缘栅双极型晶体管,是能源变换与传输 的核心器件,被称为电力电子装置的“CPU”。IGBT 由 BJT(双极型三极管)和 MOSFET (绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型电压驱动式半导体功率器件,它既 有 MOSFET 的开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小 的优点;又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点,能够根据信号指令来 调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控的目的。在高压、大电 流、高速等方面的优势是其他功率器件不能比拟的,是电力电子领域较为理想的开 关器件,也是未来应用发展的主要方向。

  不同电压级别的 IGBT 应用的场景各不相同。按照工作环境的电压划分,IGBT 可 以分为低压(600V 以下)、中压(600V-1200V)、高压(1700V-6500V)。600V 及 以下的 IGBT 产品一般应用在低压家用电器(变频空调、洗衣机等)、消费电子、 小型逆变焊机等领域;1200V 的 IGBT 一般应用于高压家用电器(电磁炉等)、光 伏逆变器、电焊机等领域;风电变流器中的 IGBT 一般在 1700V 的环境中工作; 3300V/6500V 的超高压 IGBT 一般用于动车、高铁、国家电网、智能电网等领域。

  根据封装方式,IGBT 可以分为 IGBT 单管和 IGBT 模块两大类。IGBT 单管是由单 颗 IGBT 裸片 DIE 封装而成的 IGBT 分立器件,封装对应电流能力较小,适用于消 费、工业家电领域。IGBT 模块包含:(1)普通 IGBT 模块由多颗 DIE 并联封装而 成的,功率更大、散热能力更强,适用于高压大功率平台,例如新能源汽车、主流 光伏、高铁、电力传输等场合;(2)功率集成模块 PIM(Power Integrated Module) 将二极管整流模块与 IGBT 模块集成在同一模块上,能提高电路的功率密度,减少 连线产生的分布电感;(3)智能功率模块 IPM(Intelligent Power Module)将门极 驱动及保护功能(过热、过压、过流、欠压等保护功能)、温度检测 IPM 和 IGBT 模块集成在一起,具有开关速度快、损耗小、功耗低、有多种保护功能、抗干扰能 力强、无须采取防静电措施、体积小等优点。根据 WSTS 的数据,2020 年全球 IGBT 单管和模块的市场规模分别为 13.77 亿美元和 38.8 亿美元,比例约为 1:3。

  从上世纪 80 年代到 2018 年,IGBT 经历了 7 代更替。历代 IGBT 发展的趋势是降 低损耗和生产成本,衬底从 PT 穿通到 NPT 非穿通再到 FS 场截止,栅极从平面到 Trench 沟槽再到到第七代的精细 Trench 沟槽,随着技术的升级,芯片面积、工艺线 宽、通态功耗、关断时间、开关功耗均不断减小。(报告来源:未来智库)

  2.3. 新能车/光伏/风电/储能等需求扩容功率器件需求

  汽车电动化趋势确定,新能源车渗透率快速提升。在全球范围内,多个国家提出净 零碳排放概念,各国对新能源汽车这一实现净零碳排放的重要途径给予大量的政策 支持、政府补贴,加之技术进步、成本降低等的客观条件得到满足,新能源车的产 销量得到极大幅度的提高。根据 EVTank 披露的数据,2021 年全球新能源车销量达 670 万台,同比增长 102.4%,其中中国市场销量达到 354.8 万辆,同比增长 160.1%; 预计全球新能源汽车销量有望于 2030 年增长至 4780 万辆,渗透率达到 50%。

  IGBT 被称为电力电子装置的“CPU”。IGBT 是新能源车中核心的功率控制器件。 在新能源汽车充电时,IGBT 将车载充电机中 220V 标准交流电转换成电池所需的直 流电,在行驶状态下,IGBT 再将逆变器中电池输出的直流电转换成交流电供给电 机。除此之外,IGBT 在新能源车空调变频、转向助力系统、电池管理中也扮演着重 要的角色。据统计,燃油车内置 IGBT 模块数量在 2 至 3 颗,混动型汽车的 IGBT 数目为 90 颗,纯电动车需要内置 120 颗 IGBT。新能源汽车整车成本构成中,电机 驱动成本约占 15%-20%,而 IGBT 占电机驱动成本的 50%左右。

  汽车电动化趋势带动单车功率半导体价值量显著提升。根据英飞凌和 Strategy Analytics 的最新数据,传统汽车单车半导体价值量平均为 490 美元,轻型混合动力 汽车(MHEV)、完全混合动力汽车(FHEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)/纯 电动汽车(BEV)的单车半导体价值量分别为 600 美元、890 美元和 950 美元,其 中相对传统汽车,单车半导体价值增量主要贡献来自于功率半导体。拆分新增功率 半导体价值量来看,75%由逆变器贡献,25%由车载充电机、电池管理系统等其他应 用贡献。

  全球多国布局新能源发电,光伏、风电、储能持续增长。在全球“碳中和”目标、 清洁能源转型、绿色复苏等政策的推动下,光伏、风电装机量持续增长。根据 CPIA 的乐观情况下得预测,预计到 2025 年,全球光伏装机容量有望达到 330GW,我国 光伏装机容量有望达到 110GW。为了弥补绿电的不稳定性和间歇性,就需要将多余 的电能储存起来,在合适的时间释放,因此,储能也逐渐受到许多国家的重视。

  IGBT 是光伏、风电、储能中的重要组成器件。光伏逆变器可以将光伏组件所产生 的直流电转换为可以并入电网需要的交流电。而储能变流器传输的电能方向是双向 的:储能变流器既参与光伏组件及公共电网对电池的充电过程,又参与电池对家用 负载供电、对电网送电的电能调节过程。风电变流器将风电进行整理输出,有助于 优化风力发电系统的运行、实现宽风速范围内的变速恒频发电、改善风机效率和传 输链的工作状况、减少发电机损耗、提高运行效率、提升风能利用率。IGBT 等功率 器件作为光伏逆变器、风电变流器及储能变流器的核心组成器件,对电能起到整流、 逆变等作用,以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能。

  相对传统能源行业,功率半导体在光伏、风电、储能单位装机中的价值量增长明显。 根据英飞凌数据,石油、核能、氢能不需要使用功率半导体,而风电、光伏、储能 装机中,功率半导体的价值量分别为2000-3500/MW、2000-5000/MW 和2500- 3500/MW,其中陆上、海上风电功率半导体价值量分别为2000-3250/MW、3250- 3500/MW,光伏组串式、集中式逆变器分别为2500-5000/MW、2000-3000/MW。

  我国高铁与地铁营运里程保持稳定增长。保持据国家铁路局数据,我国高铁营运总 里程由2009年的0.3万公里增长至2020年的3.8万公里,年均复合增长率达25.96%。 同时,全国各地城市轨道交通建设辐射范围不断扩大,据前瞻产业研究院数据,“十 三五”期间,我国地铁运营里程将增长超过 5400 公里,预计到 2021 年,中国地铁 运营里程将达到 7436 公里,到 2026 年,有望突破 12000 公里。

  IGBT 是动车、高铁、地铁等动力转换的核心器件,轨道交通的高速发展对 IGBT 等功率器件有着极大的需求。IGBT 器件是牵引变流器和各种辅助变流器的主流器 件,牵引变流器是现代轨道交通核心技术之一的交流传动技术的关键部件,负责将 超高电流转化为列车的动力,因此轨道交通的高速发展对 IGBT 有着极大的需求。 每台高铁电力机车需要 500 个 IGBT 模块,动车组需要超过 100 个 IGBT 模块,一 节地铁需要 50~80 个 IGBT 模块。以和谐号 CRH3 列车为例,CRH3 每辆列车共装 有 4 台变流器,每台变流器搭载了 32 个 IGBT 模块,一辆 8 节编组动车上需使用 128 个 IGBT 模块,占总成本的 1.25%左右。

  2.4. 海外厂商主导功率赛道,国产替代加速推进

  功率半导体行业由海外厂商主导。海外企业布局功率半导体市场时间较早,具备先 发优势,对成本和质量控制能力强,以高端产品为主,实力强劲。根据 Omdia 的统 计,功率半导体市场主要被欧、美、日系厂商所主导:在功率器件和模组赛道,前 三大供应商分别为英飞凌、安森美和意法半导体,市占率为别为 19.7%、8.3%和 5.5%; 在功率 IC 赛道,前三大供应商分别为德州仪器、英飞凌和亚德诺,市占率分别为 15.8%、8.2%和 7.2%。

  8 寸晶圆产能紧张,叠加新能车等需求旺盛是导致功率器件价格上涨的主要原因。 8 寸晶圆主要生产电源管理 IC、驱动 IC、指纹识别 IC、CMOS、功率器件等;而 12 寸晶圆主要生产需要高效能、高速运算的产品,包括 CPU、GPU、手机 AP 及通讯 芯片等。芯片晶圆尺寸由 6 寸向 8 寸再向 12 寸演变,而晶圆面积变大,既可以降低 成本,又可以提高良率。目前来看,全球 8 寸晶圆厂扩产力度不足,且部分设备厂 商停止了 8 寸设备的销售。但是从需求端来看,电动车以及新能源发电等下游需求 依旧旺盛,供需错配的情况下造成功率器件交期拉长,涨价情况层出不穷。

  功率半导体国产替代加速推进。目前中国占全球功率半导体市场需求比例约三分之 一,是全球主要的消费大国,但其自给率却仅有 10%,严重依赖进口。此外,功率 分立器件是整个半导体芯片中最成熟,同时也是设计和制造门槛最低的芯片类型。 虽然我国进入该领域发展脚步较晚,但得益于庞大的内需、中美贸易战、疫情持续 蔓延等因素,下游客户为保证供应链可靠和稳定,积极导入内资厂商,功率半导体 领域加速实现国产替代。

  2.5. SiC 具有良好性能优势,替代前景良好

  SiC 材料更适于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。从被研究和规模化应用的 时间先后顺序来看,半导体材料可被划分为三代。第一代以硅和锗等元素为代表, 主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中。第二代以砷化镓为代表,其 器件相对硅基器件具有高频、高速的光电性能,因此被广泛应用于光电子和微电子 领域,是制作半导体发光二极管和通信器件的关键衬底材料。与硅基半导体材料相 比,以碳化硅为代表的第三代半导体材料禁带宽度大,具有高击穿电场、高饱和电 子漂移速度、高热导率、高抗辐射能力等特点,因此采用第三代半导体材料制备的 半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,适用于高电压、高频率场景,还能以 较少的电能消耗,获得更高的运行能力。

  SiC 功率器件市场规模有望于 2024 年突破 25 亿美金。根据 Yole 的数据,2019 年 全球碳化硅功率器件的市场规模约为 5.41 亿美元,预计到 2025 年突破 25.62 亿美 元,2019-2025 年的复合平均增长率(CAGR)将达到 30%,核心驱动力来自于电动 汽车、充电桩和光伏等领域。

  电动车/充电桩:碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器,能够显著降低 电力电子系统的体积、重量和成本,提高功率密度;应用于车载充电系统和电源转 换系统,能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率;应用于新能 源汽车充电桩,可以减小充电桩体积,提高充电速度。2018 年特斯拉的主逆变器开 始采用 SiC MOSFET 方案,随后采埃孚、博世等多家零部件制造商以及比亚迪、雷 诺等汽车生产商都宣布在其部分产品中采用 SiC MOSFET 方案,2021 年全球各大 汽车厂商/品牌纷纷规划 800V 高压系统车型;同时,目前全球已有超过 20 家汽车 厂商在车载充电系统中使用碳化硅,汽车领域成为碳化硅功率器件市场快速发展的 首要驱动力。DIGITIMES Research 预估,2025 年碳化硅在电动车应用的市场规模可 至 6.5 亿美元,未来 5 年年增率将介于 25%至 30%。

  光伏:光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过 40 多年的发展,转换效率和功率密度等 已接近理论极限。而使用 SiC MOSFET 或 SiC MOSFET 与 SiC SBD 结合的功率模 块的光伏逆变器,可将转换效率从 96%提升至 99%以上,能量损耗降低 50%以上, 设备循环寿命提升 50 倍,从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿 命、降低生产成本。目前,阳光电源等光伏逆变器龙头企业已将碳化硅器件应用至 其组串式逆变器中。根据 CASA 数据,2020 年光伏逆变器中碳化硅功率器件占比为 10%,预计 2025 年将达到 50%。

  轨道交通:轨道交通领域对电力电子装置,如牵引变流器、电力电子电压器等提出 了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高装置的功率密度和工作效率, 将有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量, 碳化硅混合模块将首先开始替代部分 Si IGBT 模块。2012 年,包含碳化硅 SBD 的 混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线 37 列车辆中商业化应用,实现了列车牵引 系统节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅下降和冷却单元的小型化;2014 年,日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机 3300V/1500A 全碳化硅功率模 块逆变器,开关损耗降低 55%、体积和重量减少 65%,电能损耗降低 20%至 36%。 未来,随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作 用。据 CASA 预测,2030 年 SiC 器件在轨道交通中占比将从 2020 年的 2%,提升 至 30%。

  2.6. 公司 IGBT 打破海外垄断,积极布局 SiC、IGCT

  IGBT、SiC、大功率晶闸管及 IGCT 器件全布局。目前公司已成为全球为数不多同 时掌握 IGBT、SiC、大功率晶闸管及 IGCT 器件,且集器件开发、生产与应用于一 体的 IDM 企业。公司大功率晶闸管设计电压覆盖 600V-8500V,IGBT 芯片技术覆 盖 750V-6500V 全电压等级,产品广泛应用于输配电、轨道交通和工业等多个领域。

  IGBT:2008 年,公司通过收购全球知名功率半导体产品独立供应商 Dynex 公司成 功切入高压大功率 IGBT 器件市场。并购后,公司通过资金注入、技术升级、硬件 改造、文化融合等手段,对 Dynex 进行“输血性”改造和整合,将其原有的 4 英寸 IGBT 芯片生产线升级为 6 英寸芯片生产线,新开发多个 1700 伏以上高等级 IGBT 模块,大大拓宽了原有的产品线。2013 年,公司将该产线升级改造至 8 英寸产线, 并于 2014 年 6 月全面建成投产,这是国内首条、世界第二条最大尺寸 IGBT 芯片生 产线,月产能为 1 万片,主要产品为轨交和电网高压 IGBT。2017 年,中车株洲所 启动技改项目,计划建设年产 50 万只中低压 IGBT 模块封装线,主要用于电动汽车 领域。2020 年 9 月,国内首条 8 英寸车规级功率半导体生产线正式下线投产,设计 月产能为 2 万片,主要产品是新能源车和光伏中低压 IGBT。

  SiC:2010 年,公司在英国成立功率半导体研发中心开始研发碳化硅功率器件技术。 2015 年,公司成立轨道交通 SiC 牵引变流器研发团队,在国内首次研发出 1700V、 3300V 混合 SiC 牵引变流器以及 3300V 全 SiC 牵引变流器,已先后在地铁领域实现 示范应用。2018 年,公司 6 英寸 SiC 生产线首批芯片试制成功,该生产线具备了完 整的 SiC 芯片制造生产能力。

  公司 IGBT 技术能力领先,产品广泛应用于输配电、轨道交通和工业等多个领域。 公司通过深入开展 IGBT 芯片元胞技术、终端技术与背面技术研究,构建了以“U” 型槽与软穿通为核心特征的高压平面栅 IGBT 芯片技术体系,以“沟槽+软穿通” 与“精细沟槽”两代技术为支撑的低压沟槽栅 IGBT 技术体系,全面掌握具有完全 自主知识产权的高低压 IGBT 及配套 FRD 芯片的设计与制造工艺技术,全系列芯 片产品广泛应用于轨道交通、电网、新能源等领域。公司 IGBT 产品在轨交、电网 领域批量交付,占有率国内第一,新能源汽车和新能源发电领域全年交付器件数大 幅增长。输配电领域:公司生产的 IGBT 应用于乌东德工程、张北工程、如东工程 以及厦门柔直、渝鄂柔直、苏南 STATCOM、江苏 UPFC 等多个项目,为我国柔性 直流输电工程的建设提供核心基础器件支撑,晶闸管产品累积应用于国内外 23 个 特高压直流输电工程和 7 个柔性直流输电工程。轨道交通领域:公司生产的 3300V IGBT 批量应用至干线机车等车型,1700V、3300V 等系列 IGBT 批量应用于地铁 等车型,6500V IGBT 小批量应用至中国标准动车组等车型。在其他工业领域:公 司已为新能源汽车、风力发电、光伏发电、高压变频器等批量供应 IGBT 器件,750V 和 1200V IGBT 应用至新能源汽车,并已与国内多个龙头整车企业成为重要合作伙 伴。公司生产的全系列高可靠性 IGBT 产品打破了轨道交通核心器件和特高压输电 工程关键器件由国外企业垄断的局面,目前正在解决我国新能源汽车核心器件自主 化问题。

  领先入局 SiC 领域,公司产品获认可。目前,公司的“高性能 SiC SBD、MOSFET 电力电子器件产品研制与应用验证”项目已通过科技成果鉴定,实现了高性能 SiC SBD 五个代表品种和 SiC MOSFET 三个代表品种,构建了全套特色先进碳化硅工 艺技术的 4 英寸及 6 英寸兼容的专业碳化硅芯片制造平台,部分产品已得到应用。 未来,公司将面向第二代及第三代 SiC MOSFET 工艺技术,购置工艺设备并配套生 产执行系统软件。同时,继续开发 SiC 芯片以及耐高温的功率模块,加大市场开拓 力度,努力提升市场份额和品牌影响力。

  直流柔性电网的“芯”选择,公司是国内 IGCT 领军者。近年,直流电网在新能源 输送和大规模储能的推动下快速发展,高压大容量功率半导体器件作为直流主干网 络关键设备的核心元件成为产业热点。IGBT 在柔性直流电网应用时存在着通态压 降大、可靠性低、制造成本高等问题,而 IGCT 具有更低的通态压降、更高的阻断 电压和通流能力,并且制造成本低,在高压大容量领域中脱颖而出。根据 Research&Markets 数据,全球 IGCT 市场规模有望从 2020 年的 1160 万美元增长至 2027 年 1690 万美元,CAGR 为 5.5%。公司是国内 IGCT 领军者,也是全球第三家 具有自主生产 IGCT 能力的企业,公司 IGCT 产品采用缓冲层、透明阳极、门极硬 驱动等新技术,适用于5MVA以上的电能转换装置,有望受益于新能源市场的爆发。

  3.1. 轨道交通行业保持稳健增长,高铁检修需求激增

  铁路运输凭借运载量大、运输效率高等特点已成为人类社会重要的陆上交通运输方 式。截至 2020 年底,中国高铁营业里程达 3.8 万公里,普铁营业里程达 10.8 万公 里,2009 年至 2020 年中国高铁营业里程和普铁营业里程的 CAGR 分别为 26.0%和 2.4%。从 2014 年起,中国已连续六年保持每年 8,000 亿元以上铁路固定资产投资 额。2020 年,我国铁路固定资产投资总额完成 7,819 亿元,投产新线 4,933 公里, 其中高速铁路 2,521 公里。

  “十四五”期间我国铁路网规模有望达到 17.5 万公里,检修需求激增将成为行业新 机遇。根据《中长期铁路网规划》,到 2025 年,我国铁路网规模将达到 17.5 万公 里左右,其中高速铁路 3.8 万公里左右;根据《新时代交通强国铁路先行规划纲要》, 到 2035 年,全国铁路网规模将达到 20 万公里左右,其中高铁达到 7 万公里左右。 伴随着轨道交通装备存量的快速增长,大量轨道交通装备进入维修期,预示着对轨 道交通车辆相关配件的检修或替换需求的激增。特别是随着“复兴号”中国标准动 车组的应用与自主配套能力的增强,国产零配件厂商更为受益,行业内将迎来新机 遇。

  城市轨道交通具有运量大、效率高、能耗低、集约化、乘坐方便、安全舒适等诸多 优点,是解决城市交通拥堵问题、实现城市空间布局调整的重要途径。截至 2020 年 底,我国大陆地区城市轨道交通运营线路长度达 7,978 公里,2009 年至 2020 年城 市轨道交通营业里程的 CAGR 达 20.8%。近年来,我国城市轨道交通建设投资完成 额呈上升趋势,由 2016 年的 3,847.0 亿元增长至 2020 年的 6,286.0 亿元,CAGR 达 13.1%。

  我国城市轨道交通保持稳健增长,智慧城轨将成为我国城轨交通运营发展新趋势。 根据前瞻产业研究院,凭借城市化进程加速、国家宏观政策扶持,2026 年我国城市 轨道交通运营里程将达到 1.37 万公里、城市轨道交通运营车辆将达到 6.88 万辆。 2020 年,中国城市轨道交通协会编制的《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》提 出,未来将一手抓智能化、一手抓自主化,2025 年基本形成中国式智慧城轨特色, 跻身世界先进智慧城轨国家行列;2035 年进入世界先进智慧城轨国家前列,中国式 智慧城轨乘势领跑发展潮流。(报告来源:未来智库)

  3.2. 公司是牵引变流系统领导者,竞争优势明显

  公司是我国轨道交通行业具有领导地位的牵引变流系统供应商。公司的轨道交通装 备产品主要包括:以轨道交通牵引变流系统为主的轨道交通电气装备、轨道工程机 械和通信信号系统,主要面向中车集团下属主机厂、国铁集团及下属子公司、地铁 公司、地方铁路公司等国内外客户。

  轨道交通牵引变流系统:电力牵引是我国主要的轨道交通车辆牵引方式,牵引变流 系统综合列车速度、负载等信息和牵引等指令,基于电力变换、信息交互、传动控 制等技术实现能量转换,满足列车牵引与运行控制要求,通过信息传输共享,实时 跟进各子系统工作状态,对列车故障信息进行系统性诊断、预警和记录,保障列车 安全可靠运行。公司生产的牵引变流系统应用于机车、动车和城轨等领域,覆盖车 型包括和谐系列交流传动机车、“复兴号”动力集中动车组、“复兴号”标准动车 组、城际动车组、地铁列车、磁悬浮列车等。公司自主研发的牵引变流系统打破了 早期国际巨头的技术垄断,不仅在国内保持领先地位,还远销欧洲、美洲、亚洲多 个国家和地区,公司 2012 年至 2021 年连续十年在国内城轨牵引变流系统市场占有 率稳居第一,2018 年占有率超 50%,2019 年和 2020 年均超 60%。

  轨道工程机械:轨道工程机械是用于轨道交通线路基础设施的建设、检测、维修和 养护的工程装备,应用领域包括国家铁路、地方铁路、城市轨道交通等。公司轨道 工程机械整机产品包含重型轨道车、接触网作业车、大型养路机械、城市轨道交通 工程车等系列,目前共计拥有 50 余种产品,且不断向客运专线、城轨工程机械市场 开拓,并延伸至海外市场。在城轨用轨道工程机械领域,根据客户采购公开信息统 计,2018 年、2019 年和 2020 年公司的市场占有率分别为 29.88%、35.83%和 28.24%,保持在较高水平。

  通信信号系统:通信信号系统通过单向或双向通信方式,实现列车移动授权、间隔 控制、调度 指挥、信息管理、设备监测等功能,担负着指挥列车运行、保证行车安 全、提高运 输效率的重要任务。公司的通信信号产品覆盖干线铁路、城际铁路、城 市轨道交通等,目前已拥有完全自主的通信信号系统核心技术。2021 年,公司城轨 信号系统国内新签订单创历史新高,并实现海外信号首单突破。

  公司在轨道交通行业具备明显的竞争优势。技术优势:公司目前已建立完善研发体 系,具备在产品设计、制造和检测等方面的持续创新能力。在轨道交通牵引变流系 统领域,公司为我国拥有完全自主知识产权的“复兴号”标准动车组提供牵引变流 系统核心部件;为永磁高铁提供牵引变流系统,使我国成为世界少数几个掌握高铁 永磁牵引变流系统技术的国家之一。在轨道工程机械领域,公司形成了整机系统集 成技术、车辆基础技术、动力传动技术、作业及控制技术等多项核心技术,还主持 或参与制定了多项国家及行业标准。产业链优势:公司打造了“器件+系统+整机” 的产业结构,同时通过坚持“同心多元化”战略,公司依托轨道交通装备领域积累 的优势资源,积极布局门槛高、差异化明显的新产业,打开了成长空间。人才优势: 公司拥有一批掌握行业核心技术、高端技能和经营管理的人才,专业背景涉及机械 电子、电气工程、自动控制、电力电子、材料等多个领域,专业交叉互补性强。公 司管理团队在轨道交通装备制造领域具备丰富的行业经验,现任董事长李东林先生 和副董事长刘可安先生拥有超过 25 年的轨道交通行业经验并荣获多项国家级奖项 与称号,多年来带领公司准确把握行业发展机遇与方向,实现跨越式发展。

  4.1. 新能源汽车电驱系统:全产业链自主可控,顺利进军新能车赛道

  电驱系统是新能源汽车的“心脏”。电驱动系统发挥了燃油汽车中“发动机+ECU 电控 单元+变速箱”的作用,对新能源汽车整车使用性能的动力性、经济性、舒适性、安 全性等核心指标具有较大影响。电驱动系统包括三大总成:驱动电机总成(将动力 电池的电能转化为旋转的机械能,是输出动力的来源)、控制器总成(基于功率半 导体的硬件及软件设计,对驱动电机的工作状态进行实时控制,并持续丰富其他控 制功能)、传动总成(通过齿轮组降低输出转速提高输出扭矩,以保证电驱动系统 持续运行在高效区间)。 新能源汽车的电驱动系统,在高温、高湿、振动的复杂工 作环境下,基于实时响应的软件算法,高频精确地控制电力电子元器件的功率输出 特性,实现对驱动电机的控制,最终通过精密机械零部件对外传输动力。

  依托轨交牵引变流设备以及 IGBT 的积累,公司顺利进军新能源汽车电驱赛道。电 驱系统是新能源汽车核心零部件之一。公司凭借在轨道交通牵引变流领域的技术积 淀以及基于 IGBT 的配套能力,开展新能源汽车电驱系统产业研究,已实现“芯片 -器件-系统”全产业链自主可控,可为客户提供完整的智慧解决方案。目前公司已面 向市场推出多个平台的电驱系统产品,应用于纯电动、混合动力乘用车。2021 年 12 月 26 日,由中车时代电气 C-Car 平台孵化的全新一代产品 C-Power 220s 正式发布, 该产品是国内首款基于自主碳化硅(SiC)大功率电驱产品,具有系统功率密度高、 系统损耗少、续航能力强的优势,系统效率最高可达 94%。可适应当前新能源汽车 高频快充、长续航、高安全的需求,并广泛适配于高端轿车、SUV 等车型。

  2021 年公司电驱系统销售位列第十,配套一汽集团、长安汽车等多款车型。根据公 司披露,2021 年公司电驱总成下线 10 万台;新能源汽车电驱动系统全年交付超 8.5 万套,被 NE 时代评选为行业“电驱系统自主头部企业”。根据 NE 时代披露的数 据,2021 年公司乘用车电驱系统销售超过 5 万台,同比增长超过 500%;目前公司 配套的电驱系统主要以哪吒 V 和奔奔为主。

  4.2. 工业变流产品:光伏逆变器、风电变流器有望受益于新能源需求

  工业变流是公司将轨道交通变流技术向轨道交通外的工业市场延伸形成的产业, 通过电力电子器件实现电能变换和控制,为工业装备提供绿色、安全、高效、可靠 的核心动力。目前公司的工业变流产品应用于暖通、冶金、矿山、新能源发电等领 域,包括中央空调变频、轧机中压传动变频、矿用车电驱系统、风电变流器、光伏 逆变器等,有望受益于光伏风电等新能源需求爆发。

  4.3. 传感器:批量应用于轨交领域,积极拓展新能源赛道

  传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一 定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存 储、显示、记录和控制等要求。传感器件是信息系统的关键基础器件,随着信息化 和智能化的推进,在智能交通、智能工业、智能电网等领域都有广阔的应用空间。

  公司传感器批量应用于轨交领域,积极向新能源赛道拓展。1990 年,宁波中车时代 依托 TQG3-1000V 电压传感器、ZDS-1000A 电流传感器立足宁波。始终围绕打造传 感器行业“隐形冠军”的战略目标,立足轨道交通传感产业,先后攻克了一大批关 键核心技术,成功开发了 MEMS 铂电阻芯片、可编程线性霍尔 ASIC 芯片、MEMS 磁通门芯片等核心传感芯片及基于自主芯片技术的传感器,打通了从器件到模块、 到市场的全产业技术应用开发链条。基于电磁、光电、机电等核心检测技术,公司 的传感器与测量装置产业已形成电流传感器、电压传感器、温度传感器、压力传感 器、速度传感器、位移传感器 6 大类、12 系列、600 多种产品,在轨道交通领域实 现了机车、动车、城轨车辆的牵引变流系统、通信信号系统等系统应用的全面覆盖。 目前,公司传感器件稳居轨道交通领域国内市场占有率第一,在新能源汽车、风电、 光伏领域位居行业前列。

  (本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

  精选报告来源:【未来智库】。

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