功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，在電路中主要起著功率轉(zhuǎn)換、功率放大、 功率開關(guān)、線路保護(hù)、逆變（直流轉(zhuǎn)交流）和整流（交流轉(zhuǎn)直流）等作用。隨著國家對電能替代和節(jié)能改造的推進(jìn)，迫切需要高質(zhì)量、高效率的電能，目前世界上大多數(shù)電能是經(jīng)過功率半導(dǎo)體 處理后才能使用，這一比例還將進(jìn)一步擴(kuò)大。
隨著MOSFET技術(shù)和工藝不斷成熟，成本將不斷下調(diào)。中高端產(chǎn)品也將逐漸向中低端產(chǎn)品下沉。比如 Trench MOSFET將從中端下沉至中低端，替代部分平面MOSFET的低端市場。SGT MOSFET將部分替代 Trench MOSFET的低壓應(yīng)用市場，從中高端下沉至中端。
SGT MOSFET、SJ MOSFET和碳化硅MOSFET或是 MOSFET未來三大主力產(chǎn)品。自上世紀(jì)70年代MOSFET 誕生以來，從平面MOSFET發(fā)展到Trench MOSFET，再到SGT MOSFET和SJ MOSFET，再到當(dāng)下火熱的第三代寬禁帶MOSFET（碳化硅、氮化鎵），功率 MOSFET的技術(shù)迭代方向主要圍繞制程、數(shù)據(jù)來源：英飛凌，公開信息整理，華福證券研究所設(shè)計（結(jié)構(gòu)上變化）、工藝優(yōu)化以及材料變更，以實現(xiàn)器件的高性能——高頻率、高功率和低損耗等。
根據(jù)WSTS統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2023年全球MOSFET市場規(guī)模為143億美元，預(yù)計2026年將增長至160億美元；2023年中國MOSFET市場規(guī)模約為51億美元，占全球市場的36%。預(yù)計2026年中國MOSFET市場規(guī)模將增長至57.6億美元，增速高于全球市場增速。高壓MOSFET產(chǎn)品占比由2020年的29%增長至36%，出貨量復(fù)合增速達(dá)8.1%。
IGBT
IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，可在更高電壓下持續(xù)工作，具有高輸入阻抗、低導(dǎo)通壓降、驅(qū)動功率小而飽和壓降低的特點，功率增益更大，廣泛應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)。
功率半導(dǎo)體自誕生以來經(jīng)過七十多年的研究應(yīng)用，從基材的迭代、結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化、先進(jìn)封裝形式、大尺寸晶圓的應(yīng)用等多個方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，演進(jìn)的主要方向為更高的功率密度、更小的體積、更低的功耗及損耗，其結(jié)構(gòu)設(shè)計朝著理想目標(biāo)不斷改進(jìn)，以適應(yīng)更多應(yīng)用場景的需要。據(jù)Yole數(shù)據(jù)，功率半導(dǎo)體器件每隔二十年將進(jìn)行一次產(chǎn)品迭代，相比其他半導(dǎo)體，迭代周期相對較慢，每一代芯片都擁有較長的生命周期。
發(fā)展至今，功率半導(dǎo)體已擁有較好的國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)和相對成熟的技術(shù)，中低端國產(chǎn)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品已形成規(guī)?；?、國產(chǎn)化，從依賴進(jìn)口轉(zhuǎn)變?yōu)閲鴥?nèi)自給自足。在中高端領(lǐng)域，如SGT MOSFET、SJ MOSFET、IGBT、化合物半導(dǎo)體等，由于起步晚、設(shè)計門檻高、工藝相對復(fù)雜以及缺乏驗證機(jī)會等原因，國內(nèi)廠家依然在追隨海外廠家技術(shù)發(fā)展路線。
一、市場規(guī)模分析
功率半導(dǎo)體的市場規(guī)模在全球半導(dǎo)體行業(yè)的占比在8%—10%之間，結(jié)構(gòu)占比保持穩(wěn)定。由于半導(dǎo)體功率器件幾乎用于所有的電子制造業(yè)，包括計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)電子等電子產(chǎn)業(yè)，新興應(yīng)用領(lǐng)域如新能源汽車/充電樁、數(shù)據(jù)中心、風(fēng)光發(fā)電、儲能、智能裝備制造、機(jī)器人、5G通訊的快速發(fā)展也拉動了功率器件市場的增長，因此行業(yè)周期性波動較弱，全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模穩(wěn)步增長。
根據(jù)Omida的數(shù)據(jù)及預(yù)測，2023年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá)到503億美元，預(yù)計2024年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將增長至522億美元，2027年市場規(guī)模將達(dá)到596億美元，其中功率IC市場占54.8%，功率分立器件占30.1%，功率模塊占15.1%。
我國作為全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國，約占全球市場的 1/3，預(yù)計2024年將達(dá)到206億美元，占全球市場約為39%，未來市場發(fā)展前景良好。
二、從產(chǎn)品品類角度分析
功率半導(dǎo)體可分為功率分立器件、功率IC（Integrated Circuit）和功率模組等。功率分立器件是進(jìn)行電能（功率）處理的核心器件，是弱電控制與強(qiáng)電運(yùn)行間的橋梁，主要由二極管、 晶閘管、晶體管等構(gòu)成；功率IC是電力電子器件技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，將功率器件及其驅(qū)動電路、保護(hù)電路、接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，包括AC-AC變壓器、AC-DC整流器、DC-AC逆變器、DC-DC穩(wěn)壓器等；功率模組是功率器件按一定的功能組合封裝而成的模塊。
功率半導(dǎo)體分立器件中，以MOSFET、IGBT、SiC MOSFET為代表的功率器件需求旺盛，市場規(guī)模如下：
MOSFET
MOSFET具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、導(dǎo)通內(nèi)阻小、易于驅(qū)動、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，既可在低電流和低電壓條件下工作，也可用于大電流開關(guān)電路和高頻高速電路，應(yīng)用場景廣泛。
數(shù)據(jù)來源：Yole，公開信息整理，華福證券研究所
隨著MOSFET技術(shù)和工藝不斷成熟，成本將不斷下調(diào)。中高端產(chǎn)品也將逐漸向中低端產(chǎn)品下沉。比如 Trench MOSFET將從中端下沉至中低端，替代部分平面MOSFET的低端市場。SGT MOSFET將部分替代 Trench MOSFET的低壓應(yīng)用市場，從中高端下沉至中端。
SGT MOSFET、SJ MOSFET和碳化硅MOSFET或是 MOSFET未來三大主力產(chǎn)品。自上世紀(jì)70年代MOSFET 誕生以來，從平面MOSFET發(fā)展到Trench MOSFET，再到SGT MOSFET和SJ MOSFET，再到當(dāng)下火熱的第三代寬禁帶MOSFET（碳化硅、氮化鎵），功率 MOSFET的技術(shù)迭代方向主要圍繞制程、設(shè)計（結(jié)構(gòu)上變化）、工藝優(yōu)化以及材料變更，以實現(xiàn)器件的高性能——高頻率、高功率和低損耗等。
根據(jù)WSTS統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2023年全球MOSFET市場規(guī)模為143億美元，預(yù)計2026年將增長至160億美元；2023年中國MOSFET市場規(guī)模約為51億美元，占全球市場的36%。預(yù)計2026年中國MOSFET市場規(guī)模將增長至57.6億美元，增速高于全球市場增速。高壓MOSFET產(chǎn)品占比由2020年的29%增長至36%，出貨量復(fù)合增速達(dá)8.1%。
IGBT
IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，可在更高電壓下持續(xù)工作，具有高輸入阻抗、低導(dǎo)通壓降、驅(qū)動功率小而飽和壓降低的特點，功率增益更大，廣泛應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)來源：英飛凌，公開信息整理，華福證券研究所
WSTS數(shù)據(jù)顯示，2023年全球IGBT市場規(guī)模達(dá)到90億美元，預(yù)計2026年將達(dá)到121億美元；中國是全球IGBT最大的消費(fèi)市場，2023年中國IGBT市場規(guī)模達(dá)32億美元，預(yù)計到2026年中國IGBT市場規(guī)模將達(dá)到42億美元。
第三代半導(dǎo)體
碳化硅（SiC）器件具有耐高壓、大電流、耐高溫、高頻、高功率和低損耗等優(yōu)點。氮化鎵（GaN）器件具有高電子遷移率、寬頻帶、高擊穿場強(qiáng)、耐高溫等特點。
由于 SiC 在高功率、高溫應(yīng)用應(yīng)用上比 GaN 更有優(yōu)勢，目前 SiC 功率器件在新能源汽車行業(yè)迅速發(fā)展，市場規(guī)模增長快速。根據(jù) Yolo 數(shù) 據(jù)，在汽車應(yīng)用的強(qiáng)勁助推下，尤其是純電動汽車 EV 主逆變器日益增長的需求（占據(jù)70%以上的市場份額），整個 SiC 市場呈現(xiàn)出高速增長，同時工業(yè)控制和新能源領(lǐng)域 SiC 應(yīng)用也高于市場預(yù)期的增長，2023年SiC器件全球市場規(guī)模約 27 億美元，預(yù)計2029年將超過100億美元，2023-2029年復(fù)合年增長率為25%。
圖 2023年-2029年SiC功率器件市場預(yù)測 來源 Yole
根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，氮化鎵功率半導(dǎo)體器件市場將從2021年的1.26億美元增至2027年的20億美元，年復(fù)合增長率為59%。
三、從應(yīng)用領(lǐng)域角度分析
隨著新能源汽車和充電樁、光伏及儲能、AI服務(wù)器及數(shù)據(jù)中心、無人機(jī)、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興市場為功率半導(dǎo)體行業(yè)帶來新的應(yīng)用場景和需求，工業(yè)自動化、消費(fèi)電子等支柱行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，作為終端產(chǎn)品核心元器件的高性能功率器件使用需求勢必不斷增加。
1）新能源汽車及充電樁
新能源汽車產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，加速新能源汽車創(chuàng)新和開發(fā)是汽車產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展方向。隨著新能源汽車購置稅減免政策的延續(xù)、用車環(huán)境優(yōu)化、限牌限號地方政策等因素的催化，新能源車的優(yōu)勢逐漸顯露；同時新四化（電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化）趨勢下，汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入百年未有的大變革時代，新能源汽車迎來大發(fā)展，預(yù)計未來滲透率將不斷提高，汽車對芯片的需求量在不斷增加。從基本的電力系統(tǒng)控制到無人駕駛技術(shù)、高級駕駛輔助系統(tǒng)和汽車娛樂系統(tǒng)，都對電子芯片有著極大的依賴。
來源 方正微電子
功率半導(dǎo)體作為實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的核心器件，新能源車功率器件單車用量約為傳統(tǒng)燃油車的2至3倍。中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)燃油車所需汽車芯片數(shù)量為600至700顆，而電動車所需芯片數(shù)量為800至1,000顆，功率半導(dǎo)體芯片為新能源車必不可少的器件。
新能源汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等部件廣泛使用功率半導(dǎo)體器件，其中MOSFET和IGBT占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù)IHS數(shù)據(jù)，新能源汽車動力系統(tǒng)功率器件需求的全球市場規(guī)模將從2022年的20億美元增長到2026年的39億美元。中國功率器件單車價值由2021年的400美元/輛增長至2023年的460美元/輛。
充電樁領(lǐng)域，快速充電樁由于其較高的充電功率和充電效率，需要使用大功率器件。IHS數(shù)據(jù)顯示，2023年我國新增公共充電樁73.1萬臺，年增速為50.2%，累計公共充電樁達(dá)到203.3萬臺；截至2023年底，全國充電樁保有量累計達(dá)521.1萬臺，同比增速為99.3%，預(yù)計2025年充電樁保有量將達(dá)到1,200萬臺，充電樁功率半導(dǎo)體市場規(guī)模有望達(dá)到33億美元。
新能源汽車和充電樁行業(yè)正逐步成為功率半導(dǎo)體最大的應(yīng)用市場之一，且仍將維持高速增長，為高性能、高效率功率半導(dǎo)體器件提供了龐大的增量需求，未來新能源汽車領(lǐng)域?qū)GBT、SiC的需求持續(xù)旺盛。
2）數(shù)據(jù)中心
數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代信息社會的重要基礎(chǔ)設(shè)施，承載著信息存儲、計算和處理的重任。近年來，數(shù)據(jù)中心建設(shè)快速推進(jìn)，并在5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)驅(qū)動下，數(shù)據(jù)流量急劇增加，對計算性能和能效提出了更高要求。高效、可靠的電源管理解決方案成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)的關(guān)鍵要素。
圖源 英飛凌
在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，功率半導(dǎo)體扮演著重要角色，包括電源管理芯片、電源轉(zhuǎn)換器、逆變器等。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大和性能要求的提升，對功率半導(dǎo)體的需求量也在不斷增加。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2023年全球數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模達(dá)到2800億美元，預(yù)計2026年將達(dá)到3800億美元，年復(fù)合增長率為10.4%。
3）風(fēng)-光-儲-氫等新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)
光伏發(fā)電作為清潔能源的重要組成部分，在全球能源轉(zhuǎn)型中扮演著重要角色。隨著光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電成本逐漸降低，光伏裝機(jī)容量迅速增長。儲能系統(tǒng)作為光伏發(fā)電的重要配套設(shè)施，在實現(xiàn)光伏電能高效利用方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
圖源 英飛凌
光伏及氫能、儲能系統(tǒng)中，功率半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于逆變器、變頻器、充放電控制器等設(shè)備中。逆變器作為光伏系統(tǒng)的核心設(shè)備，功率半導(dǎo)體器件的性能直接影響整個系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。根據(jù)IRENA數(shù)據(jù)，2023年全球光伏裝機(jī)容量達(dá)到1,000GW，預(yù)計2026年將達(dá)到1,500GW，年復(fù)合增長率為14.9%。
根據(jù)國家能源局的數(shù)據(jù)，2023 年中國光伏新增并網(wǎng)容量達(dá)到了 216.88GW，同比增長 148%，截至 2023 年底，中國累計并網(wǎng)容量達(dá)到了 6,089GW，預(yù)計 2024 年將繼續(xù)快速增長。
根據(jù)國家能源局在新聞發(fā)布會上公布的數(shù)據(jù)，2023 年中國新型儲能新增裝機(jī)規(guī)模約為 22.6GW，同比去年增加 261%；2023 年全國新增風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī) 75.9GW，同比增長 102%。根據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）發(fā)布的《2023 全球風(fēng)能報告》，2023 年，全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量為 118 GW，同比增長 36%，同時指出，未來五年全球風(fēng)電新增并網(wǎng)容量預(yù)計將達(dá)到 680 吉瓦（GW），預(yù)計未來五年平均每年風(fēng)電新增裝機(jī)將達(dá)到 136GW，實現(xiàn) 15%的復(fù)合增長率。
四、IGBT和SiC的當(dāng)前開發(fā)狀況
IGBT：絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在電能轉(zhuǎn)換和傳輸中占據(jù)重要地位。近年來，IGBT在電動汽車、軌道交通、可再生能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。中國在IGBT領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，國產(chǎn)IGBT器件的性能逐漸接近國際領(lǐng)先水平。同時，國內(nèi)企業(yè)加大了對IGBT技術(shù)的研發(fā)投入，未來有望實現(xiàn)技術(shù)的進(jìn)一步突破和產(chǎn)業(yè)化的全面發(fā)展。
SiC：碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的高溫、高頻、高壓性能，廣泛應(yīng)用于電動汽車、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。近年來，SiC器件市場需求快速增長，全球主要半導(dǎo)體企業(yè)加大了對SiC技術(shù)的研發(fā)投入。國內(nèi)在SiC領(lǐng)域也取得了顯著進(jìn)展，多家企業(yè)已經(jīng)具備了SiC器件的生產(chǎn)能力，并在市場上逐漸占據(jù)一定份額。
功率半導(dǎo)體器件行業(yè)是我國重點鼓勵和支持的產(chǎn)業(yè)，為推動電力電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，國家制訂了一系列政策與法規(guī)引導(dǎo)、鼓勵、支持和促進(jìn)國內(nèi)功率半導(dǎo)體事業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)本土科技競爭力，功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已上升至國家戰(zhàn)略高度。隨著“智能制造”和“新基建” 等國家政策的深入推進(jìn)，以及“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳策略的落實，以 IGBT 和 SiC 功率半導(dǎo)體作為我國實現(xiàn)電氣化系統(tǒng)自主可控以及節(jié)能環(huán)保的核心零部件，有望在政策的護(hù)航之下駛?cè)肟燔嚨馈?/span>
文章來源：艾邦半導(dǎo)體
