发布时间：年3月25日
电芯之功率半导体
功率半导体定义概念
顾名思义，功率半导体也是半导体的一种，独立于集成电路而存在，属于分立器件的一种。功率半导体是电子电力核心，主要用于电能转换和控制：功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，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。
作用
功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，本质上，是通过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。无论是水电、核电、火电还是风电，甚至各种电池提供的化学电能，大部分均无法直接使用，75%以上的电能应用需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。模拟IC中的电源管理IC与分立器件中的功率器件功能相似，二者经常集成在一颗芯片中，因此功率半导体包括功率IC和功率器件。功率半导体的具体用途是变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等，相关产品具有节能的作用，被广泛应用于汽车、通信、消费电子和工业领域。在汽车中，汽车蓄电池的输入电压在12V-36V，而民用电电压为V，将民用电电压转换至输入电压的过程叫做变压。蓄电池的输入电流一般是直流电，将交流电转换为直流电的过程叫做整流。汽车运行时，蓄电池持续输出直流电，而汽车的各个模块需要使用交流电，交流电转换为直流电的过程叫做逆变。汽车蓄电池输出的电压很低，无法满足各个模块的需求，将低电压转换成高电压的过程叫做增幅。电动汽车的马达使用的电流是三相电。首先，蓄电池输出的直流电经过逆变后成为单向交流电，将单向交流电变为三相电的过程叫做变相。
发展路径
功率半导体器件为了满足更广泛和复杂的应用场景和环境，种类从二极管逐渐拓展到BJT、GTO，再到MOSFET、IGBT，向高可控、高功率密度、高工作温度、高开关频率、低损耗、集成化、结构复杂化方向发展，而相应的器件设计及制造难度也随之不断提高。
功率半导体的分类功率分立器件分类
功率半导体主要分为功率分立器件和功率IC两大类，其中功率分立器件主要包括二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等产品。根据IHSMarkit的预测，MOSFE和IGBT将成为近5年增长最强劲的半导体功率器件。
二极管：最简单的功率器件
二极管是最简单的功率器件，由P极和N极形成PN结结构，电流只能从P极流向N极。二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流单向只能通过。二极管的作用有整流电路、检波电路、稳压电路和各种调制电路。二极管承受的电压和电流较低（锗管导通电压为0.3V，硅管为0.7V），电流一般不超过几十毫安，电压和电流过高会导致二极管被击穿。常见的二极管有肖特基二极管、快恢复二极管、TVS二极管等。
MOSFET：高频开关，功率器件最大市场
金属-氧化物半导体场效应晶体管，可广泛运用于数字电路和模拟电路。MOSFET由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。金属栅极与N极、P极之间有一层二氧化硅绝缘层，电阻非常高。不断增加与S间的电压至特定程度，绝缘层电阻减小，形成导电沟道，从而控制漏极电流。因此MOSFET是通过电压来控制导通，在G与S间施加特定电压即可导通，不施加电压则关断，器件通断完全可控。MOSFET的优点是开关速度很高，通常在几十纳秒至几百纳秒，开关损耗很小，通常用于开关电源，缺点是在高压环境下压降很高，随着电压上升电阻变大，传导损耗很高。MOSFET的导通与阻断都由电压控制，电流可以双向通过。
MOSFET工作原理：MOSFET本质上是一个开关，开关的导通和关断完全可控。通过脉宽调制，MOSFET可以完成变频等功能。假设一个器件前1秒输入电压为V，后1秒MOSFET关断，这2秒内相当于持续输入50V的等效电压，这就是脉宽调制的原理。通过控制MOSFET导通关断可以改变电压和频率。
MOSFET是功率器件最大市场。MOSFET在功率器件中占比最高，Yole数据显示，年全球MOSFET市场规模为68.54亿美元，占功率器件市场的41.18%。MOSFET的优点在于稳定性好，适用于AC/DC开关电源、DC/DC转换器，因此MOSFET通常用于计算机、消费电子、汽车和工业等领域。MEMS预测到年MOSFET下游应用中，汽车占比为22%，计算机及存储占比为19%，工业占比为14%。
IGBT：电力电子行业“CPU”
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）组成的复合式半导体。IGBT兼具MOS和BJT的优点，导通原理与MOSFET类似，都是通过电压驱动进行导通。IGBT在克服了MOSFET缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点，在高压环境下传导损耗较小。IGBT是电机驱动的核心，广泛应用于逆变器、变频器等，在UPS、开关电源、电车、交流电机等领域，逐步替代GTO、GTR等产品。IGBT的应用范围一般都在耐压V以上，电流10A以上，频率1KHz以上的区域。IGBT固有结构导致其作为高频开关时损耗较大，IGBT工作频率通常为40-50KHz。IGBT的导通与阻断都受电压控制，可以双向导通。
IGBT应用：IGBT的应用领域非常广泛，小到家电、数码产品，大到航空航天、高铁等领域，新能源汽车、智能电网等新兴应用也会大量使用IGBT。按电压需求分类，消费类电子应用的IGBT电压通常在V以下，太阳能逆变器需要V的低损耗IGBT，动车使用的IGBT电压在V至V之间，智能电网应用的IGBT通常为V。
从工艺流程来分类，可分为IDM、febless两种类型，IDM企业就是集设计、生产、封装于一体的企业，在产能较为紧张的阶段，IDM公司产能优势十分明显。Febless企业仅仅做设计，纯轻资产公司，下游的生产和封装交由foundry公司做，轻资产的运营模式，技术迭代速度比较快，产业分工明确。
功率半导体产业链及相关公司产业链的分工也很明显，最上游的涉及企业以febless厂商为主，然后委托下游的晶圆厂生产，再交给封测厂商封测，最后运用到下游的包括新能源电动车、工业控制、光伏逆变器、消费电子、轨道交通等等。也有部分企业做产业链一体化，IDM的模式也颇为盛行，但IDM是重资产投入，前期的资本开支较大，但产品和验证以及更迭的效率更高。
Febless：斯达半导、新洁能
Foundry：中芯国际、华虹半导体
封测：长电科技、富通微电、华天科技
IDM：士兰微、华润微、比亚迪半导体、捷捷微电、闻泰科技、扬杰科技、中车时代电气等。
下游运用出现爆发式增长功率半导体的应用领域非常广泛，根据Yole数据，年全球功率半导体市场规模为亿美元，预计到年达到亿美元，复合增长率为3.79%。其中，汽车、工业和消费电子是功率半导体的前三大终端市场。根据智研咨询的数据，年汽车领域占全球功率半导体市场的35.40%，工业领域占比为26.80%，消费电子占比为13.20%。随着对节能减排的需求日益迫切，功率半导体的应用领域从传统的工业领域和4C领域逐步进入新能源、智能电网、轨道交通、变频家电等市场。
新能源汽车
汽车中使用最多的半导体分别是传感器、MCU和功率半导体。其中MCU占比最高，其次是功率半导体，功率半导体主要运用在动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全系统中。传统汽车中，功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域，新能源汽车普遍采用高压电路，当电池输出高压时，需要频繁进行电压变化，对电压转换电路需求提升，此外还需要大量的DC-AC逆变器、变压器、换流器等，这些对IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量很大。汽车电机控制系统中需要使用数十个IGBT，以特斯拉ModelX为例，特斯拉后三相交流异步电机每相要用到28个IGBT，总共使用84个IGBT，加上电机其他部位的IGBT，ModelX后电机共使用96个IGBT，前电机使用36个IGBT，ModelX共使用个IGBT。按照每个IGBT4-5美元的价格计算，双电机IGBT价格约美元，如果使用IGBT块则约为美元。
单辆汽车的功率转换系统主要有：（1）车载充电机；（2）DC/AC系统，给汽车空调系统、车灯系统供电；（3）DC/DC转换器（v到14v的转换），给车载小功率电子设备供电；（4）DC/DCconverter（v转换为v）；（5）DC/AC逆变器，给汽车马达电机供电；（6）汽车发电机。
功率半导体为电动汽车成本最主要组成部分，成本占比过半。电动汽车将新增大量与电池能源转换相关的功率半导体器件，功率半导体应用大幅上升。根据麦肯锡统计数据，纯电动汽车的半导体成本为美元，比传统汽车美元高出近1倍，其中功率半导体的成本为美元，占总成本的55%。
新能源充电桩
新能源汽车充电桩为功率半导体另一大增量，预计年全球市场规模或达40.49亿美元，国内18.22亿美元。新能源汽车充电桩分为直流IGBT充电桩和交流MOSFET充电桩，直流充电桩的优点在于充电速度快，缺点是价格高昂。直流充电桩的成本约美元，交流充电桩的成本约美元，其中IGBT等功率器件占总成本的20%左右。目前直流充电桩按3:1配置，交流充电桩按5:1配置，据此我们测算全球年直流充电桩需求或达万个，交流充电桩需求或达万个，年全球充电桩市场对功率半导体的需求为40.49亿美元。国内来看，年直流和交流充电桩需求分别为和万个，国内充电桩市场对功率半导体的需求为18.22亿美元。
5G通讯
5G对功率半导体需求量大幅增长。5G基站采用MassiveMIMO技术，在提高系统信道容量的同时，带来5G基站功耗的增加。未来智库数据显示，5G基站电力功耗为4G的两倍，降耗需求增加了对包括MOSFET、IGBT等在内的低损耗、高热稳定性器件的功率器件的需求。英飞凌数据显示，MassiveMIMO天线阵列所用功率器件ASP为美元，约是传统天线的4倍。频段越高，覆盖范围越小，5G基站数量较4G基站大幅增加。此外，通信基站和数据中心等设备需要维持全天供电，供电系统中的逆变器、整流器使用大量的功率半导体。
工控
功率半导体是工业控制及自动化的核心元器件，二极管、IGBT等可广泛用于交流电动机、逆变焊机、变频器、伺服器、UPS等，以实现精密控制，提高能量功率转换的效率和可靠性，节约能源的目标。工业领域是电力电子器件应用最早期的领域，也是功率半导体在汽车之外的第二大应用领域，作为功率半导体应用的基本盘，需求一直稳健增长。
工业领域同时也是IGBT最大的应用市场，未来随着《中国制造》和“工业4.0”战略的不断推进，工业自动化的水平将不断提升，工业机器人、数控机床等的持续升温将促使对IGBT等功率器件的需求逐步放大。
新能源发电装置
由于需要输出符合电网要求的交流电，新能源发电增加了大量对于整流器、逆变器及变压器的需求，二极管、MOSFET、IGBT等功率半导体因此应用广泛。在光伏逆变器和风力发电逆变器中，功率半导体分立器件和模组作为电力转换和控制的核心器件，能起到提高转换效率和电流密度的作用。
随着节能减排需求的提升以及可再生能源发电成本的降低，我国的太阳能光伏、风能等新能源发电行业快速发展。根据国家能源局的数据统计，截止年底，我国光伏发电累计装机容量GW，新增装机49.3GW；风力发电累计装机容量GW，新增装机72.4GW。新能源装机容量的快速提升，将持续拉动对功率半导体器件的市场需求。
家电
变频家电相比普通家电具备节能、高效、降噪、智能控制的优势，目前主要用于空调、冰箱、洗衣机等耗电较多的家电。英飞凌的资料显示，功率半导体作为家电变频的核心器件，在变频家电中的单机价值量为9.5欧元，相比普通家电中的0.7欧元提升了十倍以上。
根据IHSMarkit预测，全球变频家电销量占比将从年的34%增长到年的65%。以家用空调为例，根据产业在线的数据，年我国家用空调产量达.6万台，其中变频空调达.3万台，渗透率达57.5%，而年上半年渗透率进一步提升至66.1%。随着节能环保提效意识的普及和增强，预计变频家电渗透率将继续稳中有升，支撑功率半导体市场持续扩张。
行业竞争格局功率半导体欧美日三足鼎立，国产替代正当时以英飞凌、安森美等企业为代表的龙头厂商均为IDM模式，拥有完整的晶圆厂、芯片制造厂和封装厂，对成本和质量控制能力很强，以高端产品为主，实力强劲。中国大陆的厂商IDM和Fabless模式兼有，产品以晶闸管、二极管等分立器件和低压MOSFET为主，与欧美日厂商存在较大差距，以斯达半导为代表的厂商日渐崛起，逐步赶超欧美日龙头厂商；以茂达、富鼎电子等为代表的的中国台湾厂商以Fabless模式为主，主要负责芯片制造和封装。
功率半导体行业集中度较高，欧美厂商占据第一梯队，国产厂商日渐崛起。英飞凌和Omdia数据显示，年全球功率器件/MOSFET/IGBT芯片/IGBT模块CR10分别为58.30%/78.20%/84.4%/81.1%。其中英飞凌是全球最大的功率半导体厂商，功率器件市场份额为19%，MOS产品市场份额约25%，IGBT产品市场份额超30%。功率半导体厂商以欧美日为主，中国厂商起步较晚，技术积累与欧美日厂商差距较大。目前功率半导体厂商可以分为三个梯队，第一梯队是英飞凌、安森美等欧美厂商为主，第二梯队以三菱电机、富士电机等日本厂商为主，第三梯队以斯达半导、捷捷微电、新洁能、闻泰科技（安世半导体）等中国厂商为主。
功率半导体呈供需严重不匹配的格局。从供给端来看，大陆厂商市场份额约10%。欧美日厂商占据全球功率半导体70%的市场份额，在IGBT和中高MOSFET细分领域市场份额超八成。大陆以二极管、低压MOSFET、晶闸管等低端功率半导体为主，目前实力较弱，占据全球10%的市场份额。从需求端来看，中国是全球最大的功率器件市场，占据全球39%市场份额。根据IDC数据，中国功率半导体市场空间占全球比例为39%，居第一位；其次是日本，占比18%，欧洲和美国分列三四位，占比分别为17%和8%，其他地区占比18%。
总结功率半导体俗称电力半导体，是电能转化的核心器件，行业壁垒高，晶圆厂无论是技术还是资金投入，行业门槛相当高。功率半导体是目前整个半导体领域下游需求增长最快的细分子行业，新能源车、光伏带来了行业整体的景气度维持高位，目前整个行业正处于下游需求旺盛、国产替代正当时的高速发展阶段，供需错配导致当前的产能紧张，今年产能优势更明显的企业更占优。由于分立器件仅仅需要成熟制程，因此国内的代工厂和IDM厂商能够实现大规模的国产替代，但是高功率和高压的功率器件仍然是海外的供应商占主导地位，因此功率器件国产替代任重道远。
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编辑
赵乐乐
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邓瑞肖鑫
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