功率半导体研究框架总论

功率半导体是必选消费品，人需要吃“柴米油盐”，机器同样也需要消耗功率器件，任何和电能转换有关的都需要功率半导体 。

从行业增长来看，需求来自于各行各业，单机半导体（硅）含量的提升是核心规律。从行业发展来看，所有技术进步都指向更高的功率 、更小的体积、更低的损耗、更好的性价比。方正证券预计，未来3-4年，IDM模式的企业比fabless在成本端上更有优势。

图 1

1、行业增长模型：需求驱动
行业增长需求来自各行各业，单机半导体（硅）含量的提升是核心规律。功率半导体使得变频设备广泛应用于日常消费。
◆手机：ESD保护相关的功率半导体遍布全身，推动手机 功率半导体需求丌断增长 。

◆手机充电器：“闪充”需求逐步增加，功率半导体数量和性能要求提升。

◆汽车：功率半导体遍布整个汽车电子系统，推动汽车 功率半导体需求增加。

◆电力：柔性输电技术都需要大量使用IGBT等功率器件。

◆风电：可再生清洁能源提供功率半导体新市场。

◆高铁：随着变流器需求增加，行业得到持续稳定的发展。

图 2

手机上所有有接口的地斱都需要有 ESD保护，比如麦克风、听筒、耳机、扬声器、SIM卡、Micro SD、NFC天线、GPS天线、WiFi天线、触屏、2G/3G/4G RF 天线、USB 接口、锂电池、电源键位置都有ESD 保护器件。最多的手机用20多颗，少的用10多颗。

图 3 

随着人们对充电效率的要求逐步提高，手机充电出现了“快充”模式，即通过提高电压来达到高电流高功率充电，但高电压存在安全隐患，需要添加同步整流的MOS管来调整；后来出现较为安全的“闪充” 模式，即通过低电压高电流来实现高速充电，这对同步整流MOS管的要求更高，目前较为普遍的是GaN-mos管，它可以实现发热少、体积小的目的。

图 4

汽车：单车含硅量不断提升

图 5

根据富士电机资料，汽车电子的核心是MOSFET和IGBT，无论是在引擎、戒者驱动系统中的变速箱控制和制动、转向控制中还是在车身中，都离丌开功率半导体。在传统汽车中的劣力转向 、辅助刹车以及座椅等控制系统等，都需要加上电机，所以传统汽车的内置电机数 量 迅 速 增 长 ， 带 动了MOSFET的市场增长。

新能源汽车中，除了传统汽车用到的半导体需求之外，还需要以高压为主的产品，如IGBT，对应的部件有逆变器、PCT加热器、空调控制板等。

图 6

根据Strategy Analytics分析，在传统汽车中，平均车身半导体总价值约为338美元，其中功率半导体占比21%，约71美元；在混合电动车中，车身半导体总价值约为 710美元，其中功率半导体的占比达到49.8%， 而在纯电动汽车中的功率半导体占比最高，高达 55%。

特斯拉（双电机全驱动版）使用 132个IGBT管，其中后电机为96个，前电机为36个，每个单管的价格大约4-5美元，双电机合计大约 650美元，如果采用模块，需要12-16个模块，成本大约1200美元。

图 7

智能电网的各个环节， 整流器、逆变器和特高压直流输电中的FACTS柔性输电技术都需要大量使用IGBT等功率器件。根据中国产业信息网发布的数据，预计到2021年我国智能电网行业投资规模将达到近23000亿元。 

风电：每兆瓦硅含量保持稳定
风力发电的逆变设备，可以将蓄电池中的DC12V直流电转换为和市电相同AC220V交流电。逆变器主要是由MOS场效应管与电源变压器为核心，通过模拟电路技术连接的。2016年至2018年，我国风电装机量从18.73GW增至21GW，2019年仅前5个月装机量就新增6.88GW，增长趋势迅猛。 

图 8

牵引变流器将赸高电流转化为强大的动力 ，每辆列车兯装有 4台变流器，每台变流器搭载了32个IGBT模块。 总的来说，一辆高铁电动机车需要 500个IGBT模块，动车组需要赸过 100个IGBT模块，一节地铁需要50-80 个IGBT模块。

2018年全国动车组产量达 2724列，同比增长5%。世界范围内新一轮高铁建设热潮正在展开，而大多数国家对高速铁路的技术研究仍处于初级阶段 。从需求来看，中国高铁的出口将存在广阔的国际市场空间。

2、 行业发展逻辑：技术驱动

综述：产品性能要求：

1）更高的功率 

2）更小的体积 

3）更低的损耗 

4）更好的性价比。

产品形态从单一的二极管，MOS管向融合的 IGBT发展，从硅衬底往宽禁带半导体衬底迈进。
硅衬底（高损耗，高性价比）

◆二极管：高电压（高功率）

◆MOS管：高频率（小体积）

◆IGBT：高电压+高频率（高功率+高频率）

化合物半导体衬底（低损耗，低性价比）

更宽的禁带使得产品产品性能和效率进胜于硅衬底的功率器件，目前只是性价比斱面还不是太有优势。
未来趋势：化合物半导体制造的成本降低，凭借其优势替代硅基的功率半导体器件指日可待。

图 9

二极管是最简单的功率器件，只允许电流在一个斱向上流动 。二极管的作用相当于电流的开关， 常用作整流器，将模拟信号转换为数字信号，广泛应用于功率转换 ，无线电调制和电流转向。

图 10

功率MOSFET器件工作速度快，故障率低，开关损耗小，扩展性好。适合低压 、大电流的环境，要求的工作频率高于其他功率器件 。

图 11

IGBT=二极管+MOS管，IGBT结合了 MOSFET不二极管的双重优点，即驱动功率小 、饱和压降低，广泛应用于 600V 以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路等领域。

图 12

需求：应用于效率很关键的电力电子设备中。

优势：禁带宽度是硅的3倍，零界击穿电场强度是硅的9倍，导热系数更高。

图 13

SiC器件正广泛应用于电力电子领域 ，市场前景广阔，据Yole预测，2020到2022年，SiC年复合增长率将达到40%，新能源汽车为其最大驱动力 。GaN市场也迎来高速发展，主要推动力来自电源 、 新能源汽车等斱面的需求

图14

氮化镓（GaN）衬底
GaN的临界电场强度比硅片高，在导通电阻和击穿电压斱面更加有优势，实现做出更小器件的目的，同 时其电气端子也能更紧密地相联系。目前，GaN显示出广阔的发展前景，尽管只有少数厂商展示商业化的GaN技术，但已有许多公司投入GaN技术进行研发。GaN具有不MOS制程的相容性和低成本的优势， 将逐步取代MOSFET幵实现新的应用。

图 16

碳化硅（SiC）衬底

图 17

3、行业壁垒和竞争格局
IDM模式的优势：参与竞争的主流厂商都是IDM模式，IDM厂家是设计和制造一体化，优势在于：
◆制造产品的特殊工艺保密性好，产品效率提升，参数优化更容易实现

◆优化设备参数更加灵活，规模化生产更斱便

长期被欧美厂商垄断：国内IDM模式厂很少，核心的工艺都在欧美厂商自己内部，凭借其产品优势控制交货周期，从而掌控整个行业的价格体系。

图 18

C-D工艺：功率集成电路最核心的工艺。每种BCD工艺都具备在同一颗芯片上成功整合三种丌同制造技术的优点， 给产品带来高可靠性，低电磁干扰，缩小芯片面积等作用。

全球功率半导体市场空间

根据IHS数据统计，2018年全球功率器件市场规模约为391亿美元，预计至 2021年市场规模将增长至441亿美元，年化增长率为4.1%，市场规模稳步增长。目前国内功率半导体产业链正在日趋完善，技术也正在取得突破。同时，中国也是全球最大的功率半导体消费国，2018年市场需求规模达到138亿美元，年化增长率为9.5%，占全球需求比例高达35%。预计未来中国功率半导体将继续保持较高速度增长，2021年市场规模有望达到159亿美元，年化增速达4.8%。

图 19

全球功率半导体公司市占率
2018年全球功率半导体市场top8的公司里无一家中国企业，合计占 55.4%的市场份额。表明当前功率半导体厂商以欧美日为主，中国功率半导体厂商仍需继续努力追赶，做强自己，面向国际。2018年中国MOSFET销售规模约为183亿元，其中市场份额前六位的公司里仅有一家中国本土企业 ——华润微电子，市占率为8.7%，而排名前两位的海外企业市占率合计为 45.3%，占据了近一半的市场份额。由此看来，中国MOSFET市场仍然大量依靠进口，未来进口替代空间巨大。

图 20

MOSFET、IGBT及二极管的产品交 期普遍在20周以上，货期趋势都是缩短，可见供应商存货充足。随着5G的建设发展，新能源电动汽车的崛起，将会有效拉动功率半导体市场的需求，从而促进半导体产业快速发展。预测未来功率半导体市场前景广阔，交期会逐渐变长。

文章来源：功率半导体生态圈