變頻家電芯片核心模塊 家電巨頭積極“芯布局”

變頻家電芯片基本可分為四大模塊：變頻功率、電源管理、主控制器、通信傳感。變頻家電中整機芯片成本占比約10%~15%；未來成本將隨著變頻&智能化性能升級同步增加。

變頻家電主要電子零部件結構拆解，以空調為例包括：(1)主控制器/通信電路主板、(2)溫度/濕度/壓力/霍爾等傳感器、(3)壓縮機/風機電機的變頻電路（IPM模塊/IGBT等）。變頻空調需要控制變頻壓縮機、直流風機、PFC模塊；其中，主要芯片包括：MCU主控方案、壓縮機IPM，風機IPM、AC-DC芯片、PFC相關（PFC驅動芯片、IGBT、FRD）等電路。

圖1 變頻器整機電路原理圖：二極管/MOSFET/IGBT/PMIC各司其職

1.1、功率半導體是變頻家電核心

功率模塊在家電實現二大功能：電流轉換(交/直流電變換)、電源供應(電流升/降壓輸出)。家電用功率芯片屬于技術門檻高的藍海市場；以芯朋微為例：公司家電PMIC毛利率近50%，高于消費標準電源類的30%；白色家電一般要求在家中使用5至10年，產品穩定性、可靠性要求高；同時，較高集中度有利于縮小體積；此外，家電相對于汽車電子、軌交等領域產品迭代快速且驗證周期短，有利于國內芯片企業更快進行驗證，導入本土化配套。

功率市場長期被海外企業把控，但是細分領域和應用較多，行業集中度較低；適合國內小規模企業單點突破逐步做大。中國大陸具備完整功率半導體產業鏈；IDM和Fabless+Foundry模式皆有，上下游協同進口替代。以IGBT為例，國內IDM企業包括華潤微、比亞迪、華微電子等；Fabless企業包括斯達半導、中國北車等；Foundry有中芯國際、華虹宏力等，OSAT封測有華天科技、長電科技等。

IGBT在功率模塊中可同時以IPM模組和分立器件形式存在，主要用于逆變(DC-AC直交流轉換)。未來IGBT將持續向高電壓、大電流和高集成度模組升級；模組和IPM模塊應用占比有望提升。IPM將持續向更高度整合發展；除了原本變頻功率模塊，更進一步集成MCU微處理器、驅動電路、集成電源供應模組等元件；增加單位功率密度，為客戶提供更好降本增效的產品。家電類IPM主要為600V-2000V應用，國內華潤微、士蘭微、斯達半導均能供應IPM模塊。

MOSFET下游應用領域多樣，高頻特性難以被其他功率器件取代，適合用于體積小電子設備。MOSFET將朝向兩條路徑發展，低壓/中低壓將受益于處理器、智能快充、小家電等增量需求；高壓則受益于新能源汽車、5G基站等增量需求；SiC-MOSFET在超高頻應用則快速增長。家電類MOSFET國內供應鏈布局相對完善，華潤微、士蘭微、新潔能、聞泰等均達一定份額。

功率二極管和晶閘管為基礎元件，充分競爭下市場集中度分散，國內外企業技術差距較小。二極管市場已有眾多國內企業，例如：揚杰科技(2%)、瑞能(3%)、華潤微、臺基、聞泰等。晶閘管為利基小眾市場，國內企業例如：捷捷微電(6%)、瑞能(12%)、華微電子、臺基等。

1.2、電源管理芯片：電能供應指揮官

電源管理芯片(PMIC)為高集成度數位模擬混合IC，實現電能變換、分配、檢測等管理功能。全球電源管理芯片市場超200億美元；中國大陸市場為106億美元，中國市場在全球占比54%，此外，2015-2020年復合增速達8%；PMIC產品細分種類多，對于線寬要求較低，行業準入門檻較低，目前國內企業主要在中低端領域競爭，高端市場還有較大發展機會。

家電終端各種環境配置，需要不同種類電源管理芯片；以3V至4.2V鋰電池供電情況為例：

（1）配置LDO線性穩壓給對雜訊很敏感的無線通訊模塊供電;（2）配置DC/DC的Boost和功率開關為5V的USB插槽供電;（3）配置DC/DC的Buck-boost為3.3V傳感器升降壓供電。

家用電器PMIC需求量提升：一臺家電中通常內置1-8顆PMIC，隨著家電功能升級，PMIC的使用量和性能也隨著實現不同的電能管理職責而提升；例如：AC-DC(內含PWM及高壓開關晶體管)，DC-DC或LDO（升降壓調制給各個模塊供電）、FPC、Gate Driver IC等。

家用電器PMIC對質量穩定性、可靠性要求高：要求具備700V以上BCD工藝平臺，才能達到技術門檻；此外，PMIC失效會直接導致電子設備停機甚至損毀，屬于家電關鍵芯片器件。PMIC主要被海外壟斷，國內晶豐明源、芯朋微、圣邦股份開始突破AC-DC、DC-DC等芯片。

1.3、微處理器MCU：家用電器大腦

家電MCU隨著智能化、變頻化滲透率逐漸提升，MCU性能從8位向32位中高端產品升級；中國家電市場8位和16位MCU占比達到80%至90%，32位增長空間尚大；按照全球各應用領域MCU位來看，國內32位MCU占比僅21%，對比全球43%還有翻倍的增長空間。

微處理器MCU在智能化趨勢下，芯片硬件模塊配置逐步升級，包括工藝節點、內核BIT和主頻、存儲器容量、支援通信協議等；軟件方面運算數據量增加，對人工智能算法、多任務實時操作系統RTOS、先進人機交互界等需求將越來越廣泛。

全球MCU企業超過五十家，競爭激烈；海外IDM龍頭壟斷市場；但是近年來，國內中穎電子、華大半導體等領先突破家電、工控應用；逐步從低端消費類產品向中高端應用升級。

圖2 智能家電MCU硬件升級趨勢

1.4、通信芯片：從低端向高端突破

家電的通信場景主要采用短距離無線通信技術，用于實現家電聯網智能化功能；短距離通信技術以WiFi、藍牙、Zigbee為主，具備不同技術優勢，WiFi用于智能設備和用戶家庭范圍之間的互聯、藍牙用于可穿戴式裝置短距離互聯，Zigbee用于M2M設備間互聯。

WiFi+MCU的SoC芯片具備高集成度、低成本的優勢；2020年WiFi MCU芯片價格已經降至1.5美元至0.5美元，預計在低端應用價格已經見底；因此，未來WiFi MCU將向中高端應用滲透，提高集成度和性能，例如：集成WiFi&藍牙雙通信協議、主頻更高、接口更多等功能提升。

2019年新一代WiFi6協議802.11ax開始導入；國內主要路由器品牌皆推出WiFi6產品，有利于WiFi6加速滲透；WiFi6相較于上一代協議，具備高速率、大容量、低時延、低功耗要求高的場景尤其是對于室內智能家電的體驗升級，將推動WiFi6和萬物互聯的應用增加。

智能家居對于性能要求較低，通信芯片和主控制板有望朝向單芯片式WiFi MCU發展；但是變頻家電對驅動電機控制精度高，因此會采用主控制MCU外掛WiFi SoC；國內樂鑫科技、博通集成在WiFi MCU市場已有突破，未來有望持續加大家電領域滲透，并突破高端網通市場。

信號鏈芯片和傳感器主要被海外企業壟斷，國內企業整體規模較小，但是在細分領域突破。信號鏈芯片以TI、ADI、瑞薩等傳統大廠為主；國內思瑞浦、圣邦股份、芯海科技占比不足1%。傳感器產品種類眾多，整體主要為歐美廠商；國內歌爾股份、敏芯股份、士蘭微均有突破。

變頻家電芯主要模塊	本土代表企業
功率及模塊	華潤微、斯達半導、士蘭微、揚杰科技、新潔能、捷捷微電、中芯國際、華虹半導體、聞泰科技、比亞迪電子
電源管理	晶豐明源、芯朋微、圣邦股份、富滿電子、上海貝嶺、明微電子
主控（軟/硬）	和而泰、中穎電子、北京君正、拓邦股份、兆易創新、芯?？萍?、華大半導體、東載軟波、貝特萊
通信單元	博通集成、樂鑫科技
信號鏈	思瑞浦、芯?？萍?、圣邦股份
傳感單元	歌爾股份、敏芯股份、士蘭微、華工科技、瑞聲聲學

表2  家電芯產業鏈本土代表企業梳理

芯片是家電的核心部件，家電企業掌握芯片技術既能有效防范海外芯片斷供對供應鏈造成巨大影響、降低成本，又能把握行業未來發展方向。美的、格力、海爾等家電巨頭紛紛積極布局芯片領域，希望搶占科技高地。

美的多點發力，擁有多個品類芯片產品。IPM是空調室外機變頻電控中的核心芯片，美的于2010年就成立了IPM模塊項目組，并于2013年實現國產自研IPM量產。2018年公司成立美仁半導體，正式進入半導體行業，主要產品覆蓋家電芯片全品類的四個產品系列，包括MCU、功率芯片、電源芯片和IOT芯片等。在2021年AWE展會中，美仁展出了自研芯片，并透露公司在美的家用空調、暖通及樓宇、冰箱、洗衣機、廚房和熱水等事業部均已完成產品測試，逐步進入批量銷售階段。2019年10月，美的loT公司發布了家電專用智能芯片HolaCon。此款芯片由美的IoT聯合定制開發，并同時推出搭載HolaCon芯片的高性能低成本智能連接模組，已全面應用到美的全品類智能家電產品，而且該智能模組成本價格僅為9元。2021年1月，美的再次加碼，成立美墾半導體技術有限公司，經營范圍為集成電路芯片制造和銷售、電力電子元器件制造、半導體分立器件制造、新興能源技術研發等。格力芯片實現量產，并廣泛應用于空調產品。2015年格力微電子所和功率半導體所成立，隨后自主研發了MCU、IGBT等芯片，并且質量得到認可。2018年，格力電器成立全資子公司珠海零邊界集成電路有限公司，專注于MCU、AIoT SoC和功率器件的研制與銷售，主打嵌入式主控、語音識別、AI圖像識別、變頻控制等方案，芯片年銷量超千萬顆。2019年格力工規級MCU年產量已超1000萬顆，且芯片達到進口芯片水平，已全面應用于家用空調掛機、柜機、商用多聯機內機、線控器、空調遙控器等產品。

作為彩電領域的老牌企業，海信很早就涉足電視芯片研發。海信2005年生產了中國第一顆自主知識產權的數字視頻處理芯片“信芯一號”。2015年末，海信發布Hi-View Pro畫質引擎芯片，成為中國唯一擁有自主高端畫質芯片的電視機企業，正式比肩行業巨頭三星和索尼。2019年海信與青島微電子創新中心有限公司共同成立青島信芯微電子科技有限公司，專注于顯示控制和畫質芯片研發。2020年，信芯微的屏端驅動芯片（TCON）產品已經覆蓋從高清到8K超高清全系，全年出貨量超4000萬顆，累計出貨已達1億顆，全球占有率超過50%，穩居第一，客戶包括京東方、華星光電、中電熊貓、惠科和彩虹等主流面板企業。

海爾智能芯片助力智慧家庭場景戰略。伴隨著向場景化家居轉型，海爾推出了專為智慧家庭應用場景深度定制的IoT芯片云芯Ⅱ代，引領智慧家庭領域的技術革新。此芯片率先應用到出口東南亞、南亞的海爾智能空調上，旨在加速海爾智能空調全球化進程。在此之前，2017年海爾U+就正式推出U+物聯云解決方案——U+云芯，用于制造業及中小初創企業的物聯網解決方案，助力傳統企業制造升級。

家電制造涉及多種芯片，雖然涉足芯片領域的家電企業無法全面覆蓋并實現完全自主供應，但是在自身掌握部分技術和產能的情況下一定程度上能緩解供應危機，并為未來持續深化芯片領域研究打下堅實基礎。同時，作為龍頭企業，在整個行業都面臨短缺壓力之時，能憑借自身的規模和品牌在供應商處獲得優先權。