一文讀懂功率半導(dǎo)體

功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉(zhuǎn)換等。凡是在擁有電流電壓以及相位轉(zhuǎn)換的電路系統(tǒng)中，都會(huì)用到功率器件，MOSFET、IGBT主要作用在于將發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的電壓和頻率雜亂不一的“粗電”通過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換調(diào)制變成擁有特定電能參數(shù)的“精電”、供給需求不一的用電終端，為電子電力變化裝置的核心器件之一。

在分立器件發(fā)展過(guò)程中，20世紀(jì)50年代，功率二極管、功率三極管面世并應(yīng)用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。

20世紀(jì)60至70年代，晶閘管等半導(dǎo)體功率器件快速發(fā)展。

20世紀(jì)70年代末，平面型功率MOSFET發(fā)展起來(lái)。

20世紀(jì)80年代后期，溝槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世，半導(dǎo)體功率器件正式進(jìn)入電子應(yīng)用時(shí)代。

20世紀(jì)90年代，超結(jié)MOSFET逐步出現(xiàn)，打破傳統(tǒng)“硅限”以滿足大功率和高頻化的應(yīng)用需求。

2008年，英飛凌（Infineon）率先推出屏蔽柵功率MOSFET，半導(dǎo)體功率器件的性能進(jìn)一步提升。

對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)而言，功率二極管、功率三極管、晶閘管等分立器件產(chǎn)品大部分已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，而MOSFET、IGBT等分立器件產(chǎn)品由于其技術(shù)及工藝的先進(jìn)性，還較大程度上依賴進(jìn)口，未來(lái)進(jìn)口替代空間巨大。

近年來(lái)，功率半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域已從工業(yè)控制和消費(fèi)電子拓展至新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)、變頻家電等諸多市場(chǎng)，市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)穩(wěn)健增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。根據(jù)IHS Markit預(yù)測(cè)，2018年全球功率器件市場(chǎng)規(guī)模約為391億美元，預(yù)計(jì)至 2021年市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至441億美元，年化增速為4.1%。

目前國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈正在日趨完善，技術(shù)也正在取得突破。同時(shí)，中國(guó)也是全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)，2018年市場(chǎng)需求規(guī)模達(dá)到138億美元，增速為9.5%，占全球需求比例高達(dá) 35%。預(yù)計(jì)未來(lái)中國(guó)功率半導(dǎo)體將繼續(xù)保持較高速度增長(zhǎng)，2021年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到159億美元，年化增速達(dá)4.8%。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IC Insights 指出在各類半導(dǎo)體功率器件組件中，未來(lái)增長(zhǎng)最強(qiáng)勁的產(chǎn)品將是MOSFET 與IGBT 模塊。

MOSFET是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管，具有導(dǎo)通電阻小，損耗低，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，熱阻特性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于電腦、手機(jī)、移動(dòng)電源、車載導(dǎo)航、電動(dòng)交通工具、UPS電源等電源控制領(lǐng)域。

2016年，全球MOSFET市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到62億美元，預(yù)計(jì)2016年至2022年間MOSFET市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到3.4%；預(yù)計(jì)到2022年，全球MOSFET市場(chǎng)規(guī)模將接近75億美元。

根據(jù)IHSMarkit的統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)MOSFET市場(chǎng)規(guī)模為27.92億美元，2016年-2018年復(fù)合年均增長(zhǎng)率為15.03%。隨著全球新能源汽車規(guī)模的增長(zhǎng)，2016年至2022年間MOSFET在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)需求預(yù)計(jì)將以5.1%的復(fù)合年增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)；到2022年，其在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的需求將超越計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，占總體需求市場(chǎng)的22%。

IGBT是由雙極型三極管（BJT）和MOSFET組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式半導(dǎo)體功率器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和雙極型三極管（BJT）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，IGBT驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等。

根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，到2020 年全球IGBT 單管市場(chǎng)空間達(dá)到60 億美元左右，市場(chǎng)空間巨大。預(yù)計(jì)未來(lái)五年我國(guó)新能源汽車和充電樁市場(chǎng)將帶動(dòng)200億元IGBT 模塊的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求。根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，到2018年，國(guó)內(nèi)IGBT 市場(chǎng)規(guī)模達(dá)161.9 億元，2010 年至2018 年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到14.77%；但我國(guó)IGBT 起步晚，未來(lái)進(jìn)口替代空間巨大。

半導(dǎo)體功率器件主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等，幾乎用于所有的電子制造業(yè)，包括計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)電子等電子產(chǎn)業(yè)。此外，新能源汽車/充電樁、智能裝備制造、物聯(lián)網(wǎng)、光伏新能源等新興應(yīng)用領(lǐng)域逐漸成為半導(dǎo)體功率器件的重要應(yīng)用市場(chǎng)，從而推動(dòng)其需求增長(zhǎng)。全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中，工控占比34%，汽車23%，消費(fèi)電子占比20%，通信占比23%。

根據(jù)美國(guó)消費(fèi)電子協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2013年中國(guó)消費(fèi)電子市場(chǎng)整體規(guī)模達(dá)到16,325億元，成為全球最大的消費(fèi)電子市場(chǎng)，根據(jù)2017年3C行業(yè)報(bào)告，2017年中國(guó)消費(fèi)電子市場(chǎng)將突破2萬(wàn)億，預(yù)計(jì)增長(zhǎng)7.1%。

手機(jī)上所有有接口的地方都需要有ESD保護(hù)，比如麥克風(fēng)、聽(tīng)筒、耳機(jī)、揚(yáng)聲器、SIM卡、Micro SD、NFC天線、GPS天線、WiFi天線、觸屏、2G/3G/4G RF 天線、USB 接口、鋰電池、電源鍵位置都有ESD保護(hù)器件。最多的手機(jī)用20多顆，少的用10多顆。

隨著人們對(duì)充電效率的要求逐步提高，手機(jī)充電出現(xiàn)了“快充”模式，即通過(guò)提高電壓來(lái)達(dá)到高電流高功率充電，但高電壓存在安全隱患，需要添加同步整流的MOS管來(lái)調(diào)整；

后來(lái)出現(xiàn)較為安全的“閃充”模式，即通過(guò)低電壓高電流來(lái)實(shí)現(xiàn)高速充電，這對(duì)同步整流MOS管的要求更高，目前較為普遍的是GaN FET，它可以實(shí)現(xiàn)發(fā)熱少、體積小的目的。

汽車電子在汽車中占據(jù)著十分重要的地位，從成本結(jié)構(gòu)來(lái)看，對(duì)于中高端汽車、電動(dòng)汽車等其重要性更高。

從傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)變到新能源汽車，價(jià)值量增長(zhǎng)最大的就是功率半導(dǎo)體。傳統(tǒng)燃油汽車中，功率半導(dǎo)體主要用在啟動(dòng)、停止和安全等領(lǐng)域，占比只有20%，按照傳統(tǒng)汽車中半導(dǎo)體單車價(jià)值350美元，功率器件價(jià)值在70美元。新能源汽車電池動(dòng)力模塊要用大量的電力設(shè)備，電力設(shè)備中都含有有功率半導(dǎo)體，混合動(dòng)力汽車的功率器件占比40%，純電動(dòng)汽車的功率器件占比55%，按照純電動(dòng)汽車半導(dǎo)體單車價(jià)值750美元計(jì)算，功率半導(dǎo)體單車價(jià)值量在413美元。新能源汽車用功率半導(dǎo)體是傳統(tǒng)汽車的7倍。

新能源汽車由于不再需要發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)械部件，汽車的結(jié)構(gòu)將變得非常的簡(jiǎn)單，汽車結(jié)構(gòu)主要由電池，電機(jī)和電控組成。新能源汽車電子系統(tǒng)主要包括電池管理系統(tǒng)，電機(jī)控制器，車載充電機(jī)，變換器，逆變器，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，繼電器以及被動(dòng)元器件。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，由于汽車各個(gè)模塊都使用交流電，鋰電池的輸入電流是直流電，以及各種電氣設(shè)備電壓不同，這樣就需要相應(yīng)的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。根據(jù)直流（DC）和交流（AC）轉(zhuǎn)換順序不同，電力轉(zhuǎn)換分為4種模式：變壓器（AC-AC）、整流器（AC-DC）、變換器（DC-DC）和逆變器（DC-AC）。

變壓器（AC-AC）：汽車鋰電池的輸入電壓在12V-36V之間，民用電壓是220V，將民用電壓轉(zhuǎn)化為輸入電壓就需要變壓器。

整流器（AC-DC）：鋰電池需要用直流（DC）電充電，而充電樁提供的是交流（AC）電，所以車載充電器一定要用直流轉(zhuǎn)換器。

變換器（DC-DC）：輸入是來(lái)自于鋰電池的固定直流（DC）電壓，輸出是可變直流（DC）電壓。電動(dòng)汽車中主要應(yīng)用在電力傳動(dòng)的從300V到650V的升壓變換，給12V電路供電的降壓變換以及電池儲(chǔ)能的穩(wěn)壓變換。

逆變器（DC-AC）：新能源汽車配置可充電的鋰電池，通過(guò)其儲(chǔ)備的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)給汽車供電。逆變器的作用是將充電電池12V的直流（DC）電轉(zhuǎn)換成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)220V的三相交流（AC）電，為新能源汽車提供基本驅(qū)動(dòng)力。

2014-2021年全球燃油車年銷量由 8700多萬(wàn)輛增長(zhǎng)至 9800多萬(wàn)輛，年均增速 2%；新能源汽車（包括純電動(dòng)和混動(dòng)）由27 萬(wàn)輛增長(zhǎng)至470 萬(wàn)輛，年均增速50%，其滲透率從2014年僅有0.3%增長(zhǎng)至2021年的4.0%。

近年來(lái)我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量大幅增長(zhǎng)，滲透率不斷提高。根據(jù)中國(guó)乘聯(lián)會(huì)數(shù)據(jù)顯示， 我國(guó)新能源乘用車銷售量由 2014 年的 10 萬(wàn)輛，快速增長(zhǎng)至 2018年的 125 萬(wàn)輛，年復(fù)合增速91%。根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)，2019年一季度中國(guó)的新能源汽車銷售25萬(wàn)輛，同比增幅都超過(guò)117%，預(yù)計(jì)今年新能源汽車產(chǎn)量可能會(huì)超過(guò)160萬(wàn)輛。

汽車功率半導(dǎo)體市場(chǎng)有望達(dá)到80億美元，年復(fù)合增速7%。2018年全球汽車銷量9750萬(wàn)輛，其中新能源汽車200萬(wàn)輛，假設(shè)未來(lái)三年傳統(tǒng)燃油汽車銷量年增幅2%，新能源汽車銷量年增幅30%，傳統(tǒng)燃油汽車功率半導(dǎo)體單車價(jià)值量56美元，混合動(dòng)力汽車的功率半導(dǎo)體單車價(jià)值240美元，純電動(dòng)汽車的功率半導(dǎo)體單車價(jià)值413美元。由此可以預(yù)測(cè)，到2022年燃油汽車銷量9920萬(wàn)輛，新能源汽車銷量580萬(wàn)輛，汽車功率半導(dǎo)體市場(chǎng)有望達(dá)到80億美元，年復(fù)合增速7%。

截至2017年底，我國(guó)光伏發(fā)電新增裝機(jī)5,306萬(wàn)千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量1.3億千瓦，新增和累計(jì)裝機(jī)容量均為全球第一，其中光伏電站3,362萬(wàn)千瓦，同比增加11%；分布式光伏1,944萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)3.7倍。

風(fēng)力發(fā)電的逆變?cè)O(shè)備，可以將蓄電池中的DC12V直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同AC220V交流電。逆變器主要是由MOS場(chǎng)效應(yīng)管與電源變壓器為核心，通過(guò)模擬電路技術(shù)連接的。2016年至2018年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量從18.73GW增至21GW，2019年僅前5個(gè)月裝機(jī)量就新增6.88GW，增長(zhǎng)趨勢(shì)迅猛。

智能電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)， 整流器、逆變器和特高壓直流輸電中的FACTS柔性輸電技術(shù)都需要大量使用IGBT等功率器件。根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2021年我國(guó)智能電網(wǎng)行業(yè)投資規(guī)模將達(dá)到近23000億元。

功率半導(dǎo)體種類眾多，廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子、高鐵、汽車和電網(wǎng)等。主要分為單極型和雙極型。雙極型：功率二極管、晶閘管、BJT（雙極性三極管）、電力晶體管（GTR）、IGBT。單極型：MOSFET，肖特基二極管。根據(jù)每個(gè)細(xì)分產(chǎn)品的物理性能不同，不同的功率器件應(yīng)用于不同的電壓和頻率領(lǐng)域。

功率二極管是基礎(chǔ)性功率器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電子等各個(gè)領(lǐng)域，起到穩(wěn)壓、整流和開關(guān)的作用。

二極管分為整流二極管，齊納二極管和高頻二極管。

其中整流二極管和齊納二極管屬于功率半導(dǎo)體。

整流二極管主要用作整流、開關(guān)、變換（肖特基二極管SBD）和逆變（快恢復(fù)二極管FRD）作用。

MOSFET是功率器件的細(xì)分產(chǎn)品，即MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

功率 MOSFET 器件是電能轉(zhuǎn)換和控制的核心半導(dǎo)體器件。功率MOSFET器件工作速度快，故障率低，開關(guān)損耗小，擴(kuò)展性好。適合低壓、大電流的環(huán)境，要求的工作頻率高于其他功率器件。

在汽車?yán)镏饕迷陔娫聪到y(tǒng)里的充電器（AC-DC）和變換器（DC-DC）。全球汽車功率MOSFET市場(chǎng)容量2018年24.5億美元，我們預(yù)計(jì)2022年市場(chǎng)容量31.6億美元。其中主要用到的是電壓600V以上的高壓MOSFET產(chǎn)品。

MOSFET市場(chǎng)主要份額被英飛凌占據(jù)，根據(jù)HIS數(shù)據(jù)，英飛凌市所有產(chǎn)品綜合占率27%，第二名是安森美13%，瑞薩9%，而在價(jià)值量高的高壓MOSFET領(lǐng)域，英飛凌更是以36%的市占率領(lǐng)先所有對(duì)手。

IGBT作為一種新型電力電子器件，是國(guó)際上公認(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動(dòng)化領(lǐng)域的核心元器件，其作用類似于人類的心臟，能夠根據(jù)工業(yè)裝置中的信號(hào)指令來(lái)調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的。因此，IGBT被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”，廣泛應(yīng)用于電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域。

IGBT自20世紀(jì)80年代末開始工業(yè)化應(yīng)用以來(lái)發(fā)展迅速，不僅在工業(yè)應(yīng)用中取代了MOSFET和GTR，甚至已擴(kuò)展到SCR及GTO占優(yōu)勢(shì)的大功率應(yīng)用領(lǐng)域，還在消費(fèi)類電子應(yīng)用中取代了BJT、MOSFET等功率器件的許多應(yīng)用領(lǐng)域。

在汽車應(yīng)用中，IGBT主要用在高電壓環(huán)境的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電源系統(tǒng)和充電樁。應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V 以上，電流 10A 以上，頻率 1KHz 以上的區(qū)域。

電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：主要用在逆變器（DC-AC）中，將充電電池12V的直流（DC）電轉(zhuǎn)換成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)220V的交流（AC）電，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心。電機(jī)控制系統(tǒng)需要用到幾十個(gè)IGBT，比如特斯拉的三相交流異步電機(jī)，每相用28個(gè)IGBT，累計(jì)84個(gè)，其他電機(jī)12個(gè)IGBT，特斯拉總共用到96個(gè)IGBT。

電源系統(tǒng)：主要用在車載充電器（AC-DC）和變換器（DC-DC）中，實(shí)現(xiàn)鋰電池充電和所需電壓等級(jí)的電源變換。

充電樁：電網(wǎng)的電都是交流（AC）電，而充電樁分類快充的直流充電樁和慢充的交流充電樁，IGBT主要用在直流快充的充電樁。

2018年全球汽車IGBT市場(chǎng)容量18.4億美元，我們預(yù)計(jì)2020年汽車IGBT市場(chǎng)容量20.8億美元。

全球IGBT市場(chǎng)中英飛凌，三菱和富士電機(jī)處于領(lǐng)先位置，安森美（仙童）主要集中在低壓的消費(fèi)電子行業(yè)，電壓在600V以下，而中高壓1700V以上領(lǐng)域，主要應(yīng)用在高鐵，汽車，智能電網(wǎng)等，基本被英飛凌，ABB和三菱壟斷。

功率半導(dǎo)體屬于泛模擬電路的賽道。功率半導(dǎo)體是必選消費(fèi)品，人需要吃“柴米油鹽”，機(jī)器同樣也需要消耗功率器件，任何和電能轉(zhuǎn)換有關(guān)地方都需要功率半導(dǎo)體。行業(yè)波動(dòng)符合大宗商品走勢(shì)規(guī)律，產(chǎn)品和全球GDP走勢(shì)密切相關(guān)，4-5年的行業(yè)波動(dòng)非常吻合半導(dǎo)體周期規(guī)律。

高附加值產(chǎn)品長(zhǎng)期被歐美廠商壟斷，國(guó)產(chǎn)替代迫在眉睫。國(guó)內(nèi)IDM模式廠很少，核心的工藝都在歐美廠商自己內(nèi)部，憑借其產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)控制交貨周期，從而掌控整個(gè)行業(yè)的價(jià)格體系。尤其對(duì)于高壓的MOS以及大功率的IGBT，產(chǎn)品的交貨周期往往在50周以上，價(jià)格自2016年起基本都處于上升通道。