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功率半导体概况


功率半导体介绍及分类


功率半导体,又称电力电子器件或功率电子器件,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。


图表 1:半导体分类

数据来源:功率半导体器件标准化白皮书,华福证券研究所


功率半导体包括功率半导体分立器件(含模块)以及功率 IC等。其中,功率半导体分立器件,按照器件结构划分,可分为二极管、晶闸管和晶体管等。


图表 2:各功率半导体市场份额占比

数据来源:中商产业研究院,华福证券研究所


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SJ MOSFET。按照导电沟道可分为 N沟道和P沟道,即N-MOSFET 和P-MOSFET。按照栅极电压幅值可分为耗尽型和增强型。


图表 3:MOSFET实物及不同类型MOSFET结构和性能比较

数据来源:Yole,公开信息整理,华福证券研究所


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。


图表 4:IGBT实物及IGBT单管、模块和IPM性能比较

数据来源:英飞凌,公开信息整理,华福证券研究所


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。


图表 5:IGBT 晶圆制造过程

数据来源:Yole,华福证券研究所


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320家。主要分布在广东(130 家)和江苏(56 家)等东南沿海地区。


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。


图表 6:中国功率半导体发展路径

数据来源:前瞻产业研究院,华福证券研究所


芯片进口金额持续处于高位,功率半导体市场空间足够大。据中国海关总署数据,2021年,中国进口集成电路6354.8亿个,同比增长16.92%。全年进口金额累计为4325.54亿美元,同比增涨23.59%。中国为功率半导体消费大国,2021年中国功率半导体市场规模约为183亿美元,同比增长6.4%,预计2022年将进一步增长至191亿美元。


图表 7:2017-2022E 年中国功率半导体

市场规模(亿美元)及增速预测

数据来源:Omdia,中商产业研究院,华福证券研究所


功率半导体前景广阔


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。


图表 8:功率半导体的不同应用

数据来源:Yole,华福证券研究所


据 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%。


图表 9:中国市场IGBT和MOSFET市场规模预测

(亿元,2020-2023E)

数据来源:思瀚产业研究院,中国产业信息网,华福证券研究所


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。


图表 10:2020 年和 2026 年全球 MOSFET

在各应用领域需求占比及增长预测

数据来源:Yole,华福证券研究所


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)。


图表 11:中国车规级 IGBT 市场规模及增速

数据来源:贝壳投研,飞鲸投研,华福证券研究所


图表 12:中国车规级 MOSFET 市场规模及增速

数据来源:芯谋研究,华福证券研究所


➢ 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 13:中国充电设施市场规模(亿元)

数据来源:亿渡数据,华福证券研究所


图表 14:充电桩成本分解


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雷人

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