一文看懂功率半导体的技术发展、应用及市场前景探究

随着现代社会对电力需求的不断增加，电力系统的可靠性、高效性和可持续性成为当今电力工程领域亟待解决的核心问题。

功率半导体技术，作为电力电子领域的重要组成部分，扮演着关键的角色，其应用范围涵盖了电力变换、传输、可再生能源集成、电动汽车充电等多个领域，是电子产业链中最核心的一类器件之一。能够实现电能转换和电路控制，在电路中主要起着功率转换、功率放大、功率开关、线路保护、逆变（直流转交流）和整流（交流转直流）等作用。

在功率半导体技术领域，有几种常见的器件被广泛应用，包括但不限于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、整流二极管等。

据中商产业研究院数据，功率半导体分立器件中，以 MOSFET 和 IGBT 为代表的晶体管占比最大，约 28.8%。

从目前市场需求来看，硅基 MOSFET、硅基 IGBT 以及碳化硅为目前功率半导体分立器件的主力产品。本文也将重点围绕硅基 MOSFET、IGBT 和碳化硅等功率分立器件（含模块）展开分析和研究。

MOSFET具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、制造工艺简单和辐射强等优点，通常被用于放大电路或开关电路。MOSFET 按照不同的工艺可分为平面型Planar MOSFET、沟槽型 Trench MOSFET、屏蔽栅 SGT MOSFET 和超级结SJMOSFET。按照导电沟道可分为 N 沟道和 P 沟道，即 N-MOSFET 和 PMOSFET。按照栅极电压幅值可分为耗尽型和增强型。

随着 MOSFET 技术和工艺不断成熟，成本将不断下调。中高端产品也将逐渐向中低端产品下沉。比如 Trench MOSFET 将从中端下沉至中低端，替代部分平面MOSFET 的低端市场。SGT MOSFET 将部分替代 Trench MOSFET 的低压应用市场，从中高端下沉至中端。

SGT MOSFET、SJ MOSFET 和碳化硅 MOSFET 或是 MOSFET 未来三大主力产品。自上世纪70年代 MOSFET 诞生以来，从平面 MOSFET 发展到 Trench MOSFET，再到 SGT MOSFET 和 SJ MOSFET，再到当下火热的第三代宽禁带MOSFET（碳化硅、氮化镓），功率 MOSFET 的技术迭代方向主要围绕制程、设计（结构上变化）、工艺优化以及材料变更，以实现器件的高性能——高频率、高功率和低损耗等。

IGBT 俗称电力电子装置的“CPU”，是能源变换与传输的核心器件，由 BJT 和 MOSFET 组合而成，是一种全控型、电压驱动的功率半导体器件。IGBT 没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。IGBT 同时具有 BJT和 MOSFET 的优点，即高输入阻抗、低导通压降、驱动功率小而饱和压降低等，IGBT 与 BJT 或 MOS 管相比，其优势是它提供了一个比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高的工作电压和更低的MOS 管输入损耗。因此广泛应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路和牵引传动等场景。

IGBT 相比 MOSFET，可在更高电压下持续工作，同时需要兼顾高功率密度、低损耗、高可靠性、散热好、低成本等因素。一颗高性能、高可靠性与低成本的IGBT芯片，不仅仅需要在设计端不断优化器件结构，对晶圆制造和封装也提高了更高的要求。

一、中国功率半导体发展现状

产品由低端逐步走向中高端，国产替代空间广阔。我国功率半导体产业仍处于起步阶段，总体呈现产业链完整、厂家多、发展迅速等特点。截止 2022 年 4 月，中国功率半导体相关企业已超 300 家，济南鲁晶半导体也是其中之一。

国产功率半导体已在众多领域应用，特别是低端产品，如二极管、三极管、晶闸管、低压 MOSFET（非车规）等，已初现“规模化效应、国产化率相对较高”等特点。在中高端领域，如 SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特别是车规产品，由于起步晚、工艺相对复杂以及缺乏车规验证机会等问题，国内厂家依然在追随海外厂家技术发展路线。但近年来，市场逐渐从依赖进口向国内自给自足转变，国产替代潜力大。

二、功率半导体前景广阔，汽车、充电桩和光伏多轮驱动

功率半导体应用前景广阔，几乎涵盖了所有电子产业链。以 MOSFET、IGBT以及SiC MOSFET 为代表的功率器件需求旺盛。根据性能不同，广泛应用于汽车、充电桩、光伏发电、风力发电、消费电子、轨道交通、工业电机、储能、航空航天和军工等众多领域。

Yole 数据预测，至 2025 年，全球功率半导体分立器件和模块的市场规模将分别达到 76 亿美元和 113 亿美元。据中国产业信息网数据，2023 年中国大陆地区IGBT 市场规模预计达到 290.8 亿元，同比增长 11.6%。据中国半导体器件行业现状深度分析与未来投资预测报告数据，2023 年中国大陆地区 MOSFET 市场规模将达到 396.2 亿元（56.6 亿美元，人民币兑美元汇率按照 7 计算），同比增长 4.8%。

以 MOSFET 为例，据 Yole 预测，到 2026 年，全球 MOSFET（包括分立器件和模块）市场总规模预计将达到 94.8 亿美元，复合增长率达 3.8%（2020 年至 2026

年）。 

MOSFET 汽车应用（电动汽车和汽车充电桩占比居首位，高达33%，其中电动汽车和充电桩分别占比 25%和 8%。从耐压范围看，到 2026 年，低压 MOSFET（0-40V）占总需求的 39%，中压（41V-400V）占 26%，高压（大于等于 600V）广泛应用在 220V 系统中，占总需求的 35%。同时，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET市场渗透率在逐步提高。

2020 年以来，电动汽车、汽车充电桩和光伏逆变器可谓拉动功率半导体增长的三驾马车。

电动汽车：电动汽车进一步渗透终端消费市场，带动功率器件和模块需求快速增长。特别是 MOSFET 和 IGBT（包括单管及模组）的增长较为显著。据贝壳投研数据，2021年中国车规级IGBT 市场规模为 47.8 亿元，预计到 2025 年，其将达到 151.6 亿元。据芯谋研究数据，2021 年和 2025 年中国车规 MOSFET 的市场规模分别为 73.5 亿元（10.5 亿美元，汇率按7计算）和 122.5 亿元（预测数据，17.5 亿美元，汇率按7计算）。

充电桩：受益于新能源汽车快速增长，与之配套的充电桩市场亦呈现快速发展态势。据亿渡数据预测，至 2026 年，中国充电设施市场规模将达 2870.2亿元，2022 年到 2026 年复合增长率高达 37.83%。从直流充电桩相关零部件分解可以看出，充电机是充电桩的最核心部件，成本占充电桩的 50%以上，而功率半导体是充电机的最核心组成部分，成本占充电机的一半以上。

图表：充电桩成本分解

光伏：据中国光伏行业协会数据，至 2025 年，中国新增光伏装机保守预测为90GW，同比增长10%。据未来智库数据预测，2025 年中国光伏逆变器市场规模达 196 亿元。

逆变器是光伏系统的心脏，中高压 MOSFET、IGBT 及碳化硅等功率器件是光伏逆变器的核心，其决定着光伏逆变器的性能高低，进而直接影响光伏系统的稳定性、发电效率以及使用寿命。据中商产业研究院数据，光伏逆变器主要由机械件、电感和半导体器件构成，分别占比 27.6%、14.2%、11.8%。

图表：光伏逆变器成本分解

综上，在电动汽车、充电桩以及光伏逆变器等多轮驱动下，功率器件有望稳健增长，为千亿赛道奠定坚实路基。

三、汽车电动化大势所趋，功率半导体深度受益

汽车的百年史里，数次技术变革都极大的推动了汽车消费和汽车工业的发展，如发动机控制、自动变速、底盘、主被动安全、通信及多媒体影音等技术。虽然这些技术给汽车的驾驶感受和舒适性都带来了提升，但汽车能源供给方式、驾驶方式以及驱动方式都没有发生变化。

如今，传统燃油车动力和传动系统将被电动车的大、小三电系统取代。自动驾驶、线控底盘、网联化和软件化，车、路和云端协同等赋予了汽车新的定义和生命力。汽车已不再单单是一个载客的交通工具，而是被定义为一个智能科技终端、可以在其中工作和休闲的第三移动空间。

四、电动汽车加速渗透，IGBT、MOSFET 最先受益

电动汽车作为新能源汽车的最重要载体和代表，是承载先进汽车科技的代名词，也逐渐成为消费者选择的主流。而中国已成为引领全球电动汽车技术发展的最大的新能源汽车产销市场。

在车规功率半导体中，MOSFET 和 IGBT 最具代表性。

车规 MOSFET：车规 MOSFET 不论在燃油车上还是电动车上，应用非常广泛，且 MOSFET 产品主要被海外企业垄断。

自 2020 年以来，海外头部供应商都相继面临产能紧张、涨价和断供等问题。此时，对于一直在等候却缺乏合适契机进入车载领域的本土厂商来说，正是切入汽车供应链的绝佳时机。经过两年的蓄势，国内部分相关企业在上车批量供货的同时，同步在加快新的车规 MOSFET 的研发和验证。

低压 MOS——主要以 40V，60V、100V Planar 平面型、Trench 沟槽型和 SGT屏蔽栅 MOSFET 为主。因为单车用量大、应用场景多且复杂，自 2021 年以来，市场缺货严重。

中压 SGT MOSFET：车规级 SGT MOSFET 工作电压范围通常在 30V-250V 之间的 MOSFET 产品，其中中压（100V-250V）一般并联多个 MOSFET 单管用于 A00 级小型电动汽车或中混车辆（动力电池电压在 200V 上下）的主驱逆变器、OBC、DC/DC、空调压缩机等零部件当中起到逆变、整流等作用。

高压 SJ MOSFET，车规级 SJ MOSFET 工作电压通常在 650V-900V，主要用于当前广泛搭载的 400V 动力电池平台汽车的主驱逆变器、OBC、DCDC 和 PTC等产品上。

车规 IGBT：IGBT 通常分为单管、模块和 IPM 模块。全球车载 IGBT 和 MOSFET一样，主要被美欧日等国家的厂家垄断。如英飞凌、安森美、富士电机、三菱电机和赛米控等。其中，英飞凌占据车规 IGBT 主要市场份额，英飞凌最早在 2007年推出车规级 IGBT 模块——HybridPACK 系列。在国内市场，比亚迪、斯达半导和时代电气稳居前十。

器件设计：功率半导体自诞生以来，从半导体基材的迭代、微沟槽结构的优化、先进封装、大尺寸晶圆的应用等多个方面进行技术创新。据 Yole数据，功率半导体器件每隔二十年将进行一次产品迭代。相比其他半导体，迭代周期相对慢，这将给国内功率半导体厂家留有充足的发展时间。

目前国内厂商面临的挑战主要包括：1）低功耗与高可靠性以及高功率密度三者的平衡；2）满足高性能和小型化以及低成本三者的平衡；3）产品平台化和客户定制要求之间的冲突和平衡；4）车规产品设计、制造等管理体系和流程不健全。

晶圆制造工艺：这方面的挑战有：1）半导体设备长期依赖进口，采购周期长且成本高，设备调试时间长，缺乏经验；2）生产过程管控以达到晶圆一致性和可靠性的目的；3）适用于车规的材料选型，以达到散热、高结温要求；4）小尺寸、先进封装与成本之间的冲突等。

封装测试：这方面的挑战有：1）封装环节，键合引线、模具、框架等材料的选择；2）功率半导体模组的散热问题和可靠性两者的平衡；2）缺乏车规试验条件或测试经验，具体试验参数如何设定没有经验。

SJ MOSFET、IGBT、碳化硅 MOSFET 作为中高端功率半导体器件，国内厂家在器件设计、晶圆制造工艺和封测环节都面临不同程度上的挑战和壁垒。对于追赶者的国产功率半导体厂家而言，技术作为发展的第一要素，技术持续迭代和技术方案的创新或是超越国际巨头、主导市场地位的最重要条件之一。

五、碳化硅器件厚积薄发，产业布局多点开花

随着功率半导体技术的不断发展，硅基和碳化硅（SiC）功率半导体材料在电力电子领域中逐渐崭露头角。本节将对这两种材料进行详细比较，探讨它们在功率半导体器件中的优缺点以及未来的发展趋势。

（1） 硅基功率半导体
硅是传统功率半导体器件的主要材料，如硅整流二极管和硅IGBT。硅功率半导体器件具有成熟的制造工艺、相对低的制造成本和良好的可靠性。然而，随着电力系统对更高效能量转换和更紧凑设备的需求增加，硅功率半导体的一些缺点也逐渐显现，包括较高的导通损耗和受限的工作温度范围。

（2） 碳化硅功率半导体
碳化硅是一种宽禁带半导体材料，相对于硅，具有更高的电子饱和漂移速度和更高的热稳定性。这使得碳化硅功率半导体器件在高温、高频率和高功率应用中表现出色。碳化硅整流二极管和碳化硅MOSFET等器件已经在电力电子领域中得到广泛应用。

（3） 对比分析
- 导通损耗：碳化硅器件具有较低的导通损耗，尤其在高频率和高温环境下表现更为出色，有助于提高系统的整体效率。
- 热稳定性： 碳化硅的热稳定性比硅更好，能够在更高的工作温度下稳定运行，降低系统散热需求，提高系统可靠性。
-制造成本： 目前，碳化硅器件的制造成本相对较高，但随着技术的进步和规模效应的体现，预计未来有望降低。
- 适用领域：在高功率密度、高温、高频率和高效率要求的应用中，碳化硅器件表现更出色；而在一些低功率应用和成本敏感领域，硅器件仍具有优势。

（4）未来展望
随着碳化硅技术的不断发展和成熟，预计碳化硅功率半导体器件将在电力电子领域中逐渐取代部分硅器件，尤其是在高性能、高效能量转换要求的领域。未来的研究方向将集中在提高碳化硅器件的制造工艺、降低成本、拓宽应用范围以及进一步提高器件性能，以满足电力系统对更先进、可靠和高效功率半导体器件的需求。

通过对功率半导体技术的深入研究，我们可以看到其在电力系统中的广泛应用和未来的巨大潜力。在不断追求高效、可靠、环保的电力系统的过程中，功率半导体技术将继续发挥关键作用，为电力工程领域的发展注入新的动力。