能源，是人类社会发展的物质基础。碳中和时代的到来，由传统能源向清洁能源的转型已成为全球的共识。目前，在全球范围内，能源系统正在经历由脱碳驱动来带的重大转变，能源的产生、存储、传输、分配和使用方式都发生着深刻变化。新一轮能源革命正在进行。如果说脱碳是能源革命的驱动力，那么，能源革命背后的基础就是功率半导体，功率半导体重新定义了新能源。

设计、代工和设备是半导体产业的三大权利，芯片设计、晶圆制造、模块封装、下游应用是半导体产业的主要四个环节。作为资金链高度集中，全球化分工细化的产业，半导体行业的发展景气度与在其全球创新周期和宏观库存周期的调整密切相关。

自年能源革命崛起，传统油车到智能电车、光伏风电、充电桩等新能源的发展蜕变极大推动了功率半导体的发展，全球出现罕见的全供应链缺货涨价大潮。为应对缺货问题，全行业加大资本投入，带动全球半导体设备订单和收入井喷。

从以上表观结果看，是新能源产业的提速发展加快了对功率半导体的需求拉动。然而从实质上分析，是功率半导体的发展支撑并重新定义新能源创新，具体可从以下几个维度解释。

1、能源创新的本质是对电能的控制

物质、能量和信息是构成自然社会的基本要素。能源是人类社会重要的生产资料和物质基础。纵观人类史，人类社会的发展史就是人们对能源高效利用的发展史。自从二次工业革命后，电能成为能源转换的载体和驱动力。在新能源革命中，能源的获取转化（太阳能、风能等）、存储（电池、充电桩）和控制（电控矩阵）是其发展的核心，其本质就是对电能的转换和控制。

2、功率半导体是电能转换与电路控制的核心

功率半导体器件又称为电力电子器件，属于半导体大行业中的一个重要细分领域，它可用少量信息处理、控制巨量电流和高电压，改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等，是电力电子装置实现电能转换、电路控制的核心器件。

器件的核心是使用最小的输入控制功率保证输出功率的大小和时延。按照集成度，可分为功率IC、功率模块和功率分立器件三大类，其中功率器件又包括二极管、晶闸管、MOSFET（金属氧化物半导体场效晶体管）和IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等。

图1.电子元器件分类。

3、功率半导体是电路控制的本质

电路控制从信息角度看，就是用弱电控制强电，负责电子设备所需的电能变换、分配、检测等管控功能。以核心功率元件IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为例，其相当于电力电子领域的“CPU”，可调节电路中的电压、电流、频率、相位等，保证电子设备或电子产品的正常可靠运行，并实现节能高效的效果。

至此，我们从上述三个维度分析得出结论，在这一轮的新能源革命中，是功率半导体技术支撑和重新定义了新能源的发展。随着全球科技迭代，国内材料和设备技术的更新以及全球半导体库存周期的波动，尤其是目前的新能源电车用短缺情况，国产功率半导体的部分替代成为国内各大厂商的战略标的。接下来，我们一起了解功率半导体中目前有望国产突破的IGBT及其发展趋势。

IGBT赛道分析

IGBT属于双极型、硅基功率半导体，具有耐高压特性。从结构上看，IGBT是由BJT（双极型三极管）和MOSFET（绝缘栅场效应晶体管）组成的复合型功率器件，兼具MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通降压两方面优点。具体来说，IGBT通过在MOSFET的基础上多一层P+注入层，利用PN结实现耐高压特性。目前广泛应用于-0V的中高压领域，属于Si基功率器件领域最具发展前景的赛道。

图2.IGBT融合了BJT和MOSFET的结构（来源：电力电子技术与新能源）

IGBT自从s产业化以来发展迅速，不仅在工业应用中取代了MOSFET和BJT，甚至已扩展到大功率应用领域。目前还渗透至消费电子领域，可应用于电压超过V的高功率场景，属于功率器件中最具发展前景的赛道。

图3.典型功率半导体应用：IGBT高压为主，MOSFET高频为主(来源：Yole)

IGBT发展趋势

IGBT芯片最早出现于s，在英飞凌、三菱等德日大厂推动下持续迭代，目前已迭代至第七代。尽管各大厂商迭代过程的技术路径存在差异，但均以降低损耗和提高功率密度作为重点升级方向。

具体措施包括：（1）器件纵向结构：非穿通型（NPT）结构→拥有缓冲层的穿通型（PT）结构→场截止型（FS）、软穿通型（SPT)结构；（2）元胞结构：平面栅结构→垂直于芯片表面的沟槽型结构；（3）硅片加工工艺：外延生长技术→区融硅单晶。

从第一代的平面穿通型到第七代的微沟槽电场截止型，IGBT芯片迎来全面升级，以VIGBT芯片为例，第七代产品相比第一代，芯片面积减少75%以上，厚度减少45%以上，功率密度增加8倍，功率损耗降低80%以上。

图4.功率器件技术演化史（来源：Yole）

相比Si，由于SiC具有更高的工作结温（＞oC）、耐压（~20kV）等优势，SiC器件具有更小的体积和更轻的重量，同时可降低功耗、提高效率。虽然SiC衬底已在s实现了产业化，但其可靠性和高成本限制了SiC的行业普及。

IGBT竞争格局

目前全球IGBT市场基本被英飞凌、三菱、富士等德日大厂占据主要份额，整体看行业前三名份额超过50%。其中英飞凌保持绝对领先地位，在IGBT标准模块、IGBT分立器件、IPM三大细分市场均位居前三，其产品完整覆盖了下游全电压等级应用领域。

从产业链布局看，日系供应商及ABB基本布局了从晶圆至应用系统的全产业链环节，英飞凌、意法半导体为代表的欧美企业基本以晶圆与模块制造为主。

中国是全球最大的功率器件消费国，国内功率半导体产业工艺基础薄弱且产业化起步晚，国内IGBT市场长期被国外大型企业所垄断，国内功率器件整体自给率不足15%。全球功率器件市场规模在亿元，国产替代空间巨大。

IGBT领域壁垒相对较高，其设计环节技术难度略高于其他功率器件，晶圆的制造工艺和模块封装环节技术要求较高，制造环节资本开支相对较大，应用环节验证周期长。但随外部中美贸易摩擦因素影响和国内需求的驱动，国内IGBT产业正加速追赶。

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