一文读懂功率半导体

时间: 2024-08-01 13:13:30 |   作者: 产品品牌

　　是电子装置中电能转换与电路控制的核心，大多数都用在改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。凡是在拥有电流电压以及相位转换的电路系统中，都会用到功率器件，最大的作用在于将发电设备产生的电压和频率杂乱不一的“粗电”通过一系列的转换调制变成拥有特定电能参数的“精电”、供给需求不一的用电终端，为电子电力变化装置的核心器件之一。

　　在分立器件发展过程中，20世纪50年代，功率二极管、功率三极管面世并应用于工业和电力系统。

　　20世纪80年代后期，沟槽型功率MOSFETIGBT逐步面世，半导体功率器件郑重进入电子应用时代。

　　20世纪90年代，超结MOSFET逐步出现，打破传统“硅限”以满足大功率和高频化的应用需求。

　　2008年，英飞凌（Infineon）率先推出屏蔽栅功率MOSFET，半导体功率器件的性能进一步提升。

　　对国内市场而言，功率二极管、功率三极管、晶闸管等分立器件产品大部分已实现国产化，而MOSFET、IGBT等分立器件产品由于其技术及工艺的先进性，还较大程度上依赖进口，未来进口替代空间巨大。

　　近年来，功率半导体的应用领域已从工业控制和消费电子拓展至新能源、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多市场，市场规模呈现稳健增长态势。根据IHS Markit预测，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，年化增速为4.1%。

　　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，增速为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%。

　　市场研究机构IC Insights 指出在各类半导体功率器件组件中，未来增长最强劲的产品将是MOSFET 与IGBT 模块。

　　MOSFET是一种可以普遍的使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管，具有导通电阻小，损耗低，驱动电路简单，热阻特性好等优点，很适合用于电脑、手机、移动电源、车载导航、电动交通工具、UPS电源等电源控制领域。

　　2016年，全球MOSFET市场规模达到62亿美元，预计2016年至2022年间MOSFET市场的复合年增长率将达到3.4%；预计到2022年，全球MOSFET市场规模将接近75亿美元。

　　根据IHSMarkit的统计，2018年我国MOSFET市场规模为27.92亿美元，2016年-2018年复合年均增长率为15.03%。随着全球新能源汽车规模的增长，2016年至2022年间MOSFET在汽车应用领域的市场需求预测将以5.1%的复合年增长率迅速增加；到2022年，其在汽车应用领域的需求将超越计算机和数据存储领域，占总体需求市场的22%。

　　IGBT是由双极型三极管（BJT）和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式半导体功率器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和双极型三极管（BJT）的低导通压降两方面的优点，IGBT驱动功率小而饱和压降低，很适合应用于直流电压为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、牵引传动等。

　　根据中国产业信息网数据，到2020 年全球IGBT 单管市场空间达到60 亿美元左右，市场空间巨大。预计未来五年我们国家新能源汽车和充电桩市场将带动200亿元IGBT 模块的国内市场需求。根据中国产业信息网数据，到2018年，国内IGBT 市场规模达161.9 亿元，2010 年至2018 年复合增长率达到14.77%；但我国IGBT 起步晚，未来进口替代空间巨大。

　　半导体功率器件最重要的包含功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等，几乎用于所有的电子制造业，包括计算机、网络通信、消费电子、汽车电子、工业电子等电子产业。此外，新能源汽车/充电桩、智能装备制造、物联网、光伏新能源等新兴应用领域慢慢的变成为半导体功率器件的重要应用市场，从而推动其需求量开始上涨。全球功率半导体市场中，工控占比34%，汽车23%，消费电子占比20%，通信占比23%。

　　根据美国消费电子协会统计，2013年中国消费电子市场整体规模达到16,325亿元，成为全世界最大的消费电子市场，根据2017年3C行业报告，2017年中国消费电子市场将突破2万亿，预计会增长7.1%。

　　手机上所有有接口的地方都需要有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G 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。

　　随着人们对充电效率的要求慢慢地提高，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，但高电压存在安全风险隐患，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 FET，它能轻松实现发热少、体积小的目的。

　　汽车电子在汽车中占据着十分重要的地位，从成本结构来看，对于中高端汽车、电动汽车等其重要性更高。

　　从传统汽车转变到新能源汽车，价值量增长最大的就是功率半导体。传统燃油汽车中，功率半导体主要用在启动、停止和安全等领域，占比只有20%，按照传统汽车中半导体单车价值350美元，功率器件价值在70美元。新能源汽车电池动力模块要用大量的电力设备，电力设备中都含有有功率半导体，混合动力汽车的功率器件占比40%，纯电动汽车的功率器件占比55%，按照纯电动汽车半导体单车价值750美元计算，功率半导体单车价值量在413美元。新能源汽车用功率半导体是传统汽车的7倍。

　　新能源汽车由于不再需要发动机等机械部件，汽车的结构将变得非常的简单，汽车结构主要由电池，电机和电控组成。新能源汽车电子系统最重要的包含电池管理系统，电机控制器，车载充电机，变换器，逆变器，转向系统，继电器以及被动元器件。

　　在实际应用场景中，由于汽车各个模块都使用交流电，锂电池的输入电流是直流电，以及各种电气设备电压不同，这样就需要相应的电力转换系统。根据直流（DC）和交流（AC）转换顺序不同，电力转换分为4种模式：变压器（AC-AC）、整流器（AC-DC）、变换器（DC-DC）和逆变器（DC-AC）。

　　变压器（AC-AC）：汽车锂电池的输入电压在12V-36V之间，民用电压是220V，将民用电压转化为输入电压就需要变压器。

　　整流器（AC-DC）：锂电池需要用直流（DC）电充电，而充电桩提供的是交流（AC）电，所以车载充电器一定要用直流转换器。

　　变换器（DC-DC）：输入是来自于锂电池的固定直流（DC）电压，输出是可变直流（DC）电压。电动汽车中主要使用在在电力传动的从300V到650V的升压变换，给12V电路供电的降压变换以及电池储能的稳压变换。

　　逆变器（DC-AC）：新能源汽车配置可充电的锂电池，通过其储备的电能驱动电机来给汽车供电。逆变器的作用是将充电电池12V的直流（DC）电转换成为驱动电机220V的三相交流（AC）电，为新能源汽车提供基本驱动力。

　　2014-2021年全球燃油车年销量由 8700多万辆增长至 9800多万辆，年均增速 2%；新能源汽车（包括纯电动和混动）由27 万辆增长至470 万辆，年均增速50%，其渗透率从2014年仅有0.3%增长至2021年的4.0%。

　　近年来我们国家新能源汽车产销量大幅度增长，渗透率逐步的提升。根据中国乘联会多个方面数据显示， 我们国家新能源乘用车销售量由 2014 年的 10 万辆，迅速增加至 2018年的 125 万辆，年复合增速91%。根据中汽协数据，2019年一季度中国的新能源汽车销售25万辆，同比增幅都超过117%，预计今年新能源汽车产量可能会超过160万辆。

　　汽车功率半导体市场有望达到80亿美元，年复合增速7%。2018年全世界汽车销量9750万辆，其中新能源汽车200万辆，假设未来三年传统燃油汽车销量年增幅2%，新能源汽车销量年增幅30%，传统燃油汽车功率半导体单车价值量56美元，混合动力汽车的功率半导体单车价值240美元，纯电动汽车的功率半导体单车价值413美元。由此能够预测，到2022年燃油汽车销量9920万辆，新能源汽车销量580万辆，汽车功率半导体市场有望达到80亿美元，年复合增速7%。

　　截至2017年底，我国光伏发电新增装机5,306万千瓦，累计装机容量1.3亿千瓦，新增和累计装机容量均为全球第一，其中光伏电站3,362万千瓦，同比增加11%；分布式光伏1,944万千瓦，同比增长3.7倍。

　　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。

　　智能电网的所有的环节， 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。

　　功率半导体种类众多，大范围的应用在消费电子、高铁、汽车和电网等。大致上可以分为单极型和双极型。双极型：功率二极管、晶闸管、BJT（双极性三极管）、电力晶体管（GTR）、IGBT。单极型：MOSFET，肖特基二极管。根据每个细分产品的物理性能不同，不同的功率器件应用于不同的电压和频率领域。

　　功率二极管是基础性功率器件，结构相对比较简单可靠性强，大范围的应用于工业、电子等所有的领域，起到稳压、整流和开关的作用。

　　整流二极管主要用作整流、开关、变换（肖特基二极管SBD）和逆变（快恢复二极管FRD）作用。

　　MOSFET是功率器件的细分产品，即MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

　　功率 MOSFET 器件是电能转换和控制的核心半导体器件。功率MOSFET器件工作速度快，故障率较低，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。

　　在汽车里主要用在电源系统里的充电器（AC-DC）和变换器（DC-DC）。全世界汽车功率MOSFET市场容量2018年24.5亿美元，我们预计2022年市场容量31.6亿美元。其中主要用到的是电压600V以上的高压MOSFET产品。

　　MOSFET市场主要份额被英飞凌占据，根据HIS数据，英飞凌市全部的产品综合占率27%，第二名是安森美13%，瑞萨9%，而在价值量高的高压MOSFET领域，英飞凌更是以36%的市占率领先所有对手。

　　IGBT作为一种新型电力电子器件，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是工业控制及自动化领域的核心元器件，其作用类似于人类的心脏，可以依据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的。因此，IGBT被称为电力电子行业里的“CPU”，大范围的应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域。

　　IGBT自20世纪80年代末开始工业化应用以来发展迅速，不仅在工业应用中取代了MOSFET和GTR，甚至已扩展到SCR及GTO占优势的大功率应用领域，还在消费类电子应用中取代了BJT、MOSFET等功率器件的许多应用领域。

　　在汽车应用中，IGBT主要用在高电压环境的电力驱动系统，电源系统和充电桩。应用场景范围一般都在耐压600V 以上，电流 10A 以上，频率 1KHz 以上的区域。

　　电力驱动系统：主要用在逆变器（DC-AC）中，将充电电池12V的直流（DC）电转换成为驱动电机220V的交流（AC）电，是电机驱动的核心。电机控制管理系统需要用到几十个IGBT，比如特斯拉的三相交流异步电机，每相用28个IGBT，累计84个，其他电机12个IGBT，特斯拉总共用到96个IGBT。

　　电源系统：主要用在车载充电器（AC-DC）和变换器（DC-DC）中，实现锂电池充电和所需电压等级的电源变换。

　　充电桩：电网的电都是交流（AC）电，而充电桩分类快充的直流充电桩和慢充的交流充电桩，IGBT主要用在直流快充的充电桩。

　　2018年全世界汽车IGBT市场容量18.4亿美元，我们预计2020年汽车IGBT市场容量20.8亿美元。

　　全球IGBT市场中英飞凌，三菱和富士电机处于领先位置，安森美（仙童）大多分布在在低压的消费电子行业，电压在600V以下，而中高压1700V以上领域，主要使用在在高铁，汽车，智能电网等，基本被英飞凌，ABB和三菱垄断。

　　功率半导体属于泛模拟电路的赛道。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地方都需要功率半导体。行业波动符合大宗商品走势规律，产品和全球GDP走势紧密关联，4-5年的行业波动非常吻合半导体周期规律。

　　高附加值产品长期被欧美厂商垄断，国产替代迫在眉睫。国内IDM模式厂很少，核心的工艺都在欧美厂商自己内部，凭借其产品的优点控制交货周期，从而掌控整个行业的价格体系。尤其对于高压的MOS以及大功率的IGBT，产品的交货周期往往在50周以上，价格自2016年起基本都处于上升通道。