功率半導體行業(yè)概述

      功率半導體是電子裝置電能轉換與電路控制的**，本質上，是通過利用半導體的單向導電性實現(xiàn)電源開關和電力轉換的功能。無論是水電、核電、火電還是風電，甚至各種電池提供的化學電能，大部分均無法直接使用，75%以上的電能應用需由功率半導體器件進行功率變換以后才能供設備使用。

一、 功率半導體分類

      功率半導體主要分為功率器件、功率IC，其**率器件經(jīng)歷了近70年的發(fā)展歷程：20世紀40年代，功率器件以二極管為主，主要產(chǎn)品是肖特基二極管、快恢復二極管等；50-70年代，以晶閘管為主；近20年來，因應用領域對功率器件的電壓和頻率要求越來越嚴格，MOSFET和IGBT逐漸成為主流，多個IGBT可以集成為IPM模塊，用于大電流和大電壓的環(huán)境。

      根據(jù)功率半導體的可控性可以將功率半導體分為三類：

      **類是不可控型功率器件，主要是功率二極管。功率二極管一般為兩端器件，其中一端為陰極，另一端為陽極，二極管的開關操作完全取決于施加在陰極和陽極的電壓，正向導通，反向阻斷，電流的方向也是單向的，只能正向通過。二極管的開通和關斷都不能通過器件本身進行控制，因此將這類器件稱為不可控器件。

      第二類是半控型功率器件，半控型器件主要是晶閘管（SCR）及其派生器件，如雙向晶閘管、逆導晶閘管等。這類器件一般是三端器件，除陽極和陰極外，還增加了一個控制用門極。半控型器件也具有單向導電性，其開通不僅需在陽極和陰極間施加正向電壓，還必須在門極和陰極間輸入正向可控功率。這類器件一旦開通就無法通過門極控制關斷，只能從外部改變加在陽、陰極間的電壓極性或強制陽極電流變?yōu)榱悖虼吮环Q之為半控型器件。

      第三類是全控型器件，以IGBT和MOSFET等器件為主。這類器件也是帶有控制端的三端器件，其控制端不僅可以控制開通，也能控制關斷，因此稱之為全控型器件。

二、功率半導體市場規(guī)模

      功率半導體的應用領域非常**，預計到2022年全球功率半導體市場規(guī)模達到426億美元。其中，汽車、工業(yè)和消費電子是功率半導體的**大終端市場。隨著對節(jié)能減排的需求日益迫切，功率半導體的應用領域從傳統(tǒng)的工業(yè)領域和4C領域逐步進入新能源、智能電網(wǎng)、軌道交通、變頻家電等市場。

三、功率半導體應用領域

（一）新能源汽車

      汽車中使用*多的半導體分別是傳感器、MCU和功率半導體。其中MCU占比**，其次是功率半導體，功率半導體主要運用在動力控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、燃油噴射、底盤安全系統(tǒng)中。傳統(tǒng)汽車***率半導體主要應用于啟動、發(fā)電和安全領域，新能源汽車普遍采用高壓電路，當電池輸出高壓時，需要頻繁進行電壓變化，對電壓轉換電路需求提升，此外還需要大量的DC-AC逆變器、變壓器、換流器等，這些對IGBT、MOSFET、二極管等半導體器件的需求量很大。

（二）5G通訊

      5G基站采用MassiveMIMO技術，在提高系統(tǒng)信道容量的同時，帶來5G基站功耗的增加。未來智庫數(shù)據(jù)顯示，5G基站電力功耗為4G的兩倍，降耗需求增加了對包括MOSFET、IGBT等在內的低損耗、高熱穩(wěn)定性器件的功率器件的需求。

（三）工業(yè)控制

      工業(yè)領域是功率半導體僅次于汽車的第二大需求市場，數(shù)控機床、牽引機等電機對功率半導體需求很大，主要使用的功率半導體是IGBT。隨著《中國制造2025》和“工業(yè)4.0”不斷推進，工業(yè)的生產(chǎn)制造、倉儲、物流等流程改造對電機需求不斷擴大，工業(yè)功率半導體需求增加。

（四）光伏

      光伏電網(wǎng)需要使用大量的光伏二極管，按常規(guī)配置，1MW的光伏組件約需接線盒2500只，每只接線盒平均需要4只光伏二極管，1MW的光伏組件共需要10000只光伏二極管。同時，用電過程也需要使用變壓器對電壓進行轉換，變壓器的**器件也是IGBT，智能電網(wǎng)對功率半導體需求非常大。配套的智能電表也需要使用功率半導體，智能電表需要使用二極管和橋式整流器來實現(xiàn)電路數(shù)據(jù)處理，一般情況下需要使用1-2只整流器，9-13只二極管。

四、功率半導體競爭格局

      功率半導體行業(yè)集中度較高，歐美廠商占據(jù)**梯隊，國產(chǎn)廠商日漸崛起。目前功率半導體廠商可以分為三個梯隊，**梯隊是英飛凌、安森美等歐美廠商為主，第二梯隊以三菱電機、富士電機等日本廠商為主，第三梯隊以斯達半導、捷捷微電、新潔能、聞泰科技（安世半導體）等中國廠商為主。

      另外國內功率半導體市場呈供需嚴重不匹配的格局。從供給端來看，大陸廠商市場份額約10%。歐美日廠商占據(jù)全球功率半導體70%的市場份額，在IGBT和中高壓MOSFET細分領域市場份額超八成。大陸以二極管、低壓MOSFET、晶閘管等低端功率半導體為主，目前實力較弱，占據(jù)全球10%的市場份額。從需求端來看，中國是全球**的功率器件市場，占據(jù)全球39%市場份額。

五、功率半導體發(fā)展趨勢

      功率半導體逐步從硅基材料向化合物材料迭代。化合物半導體材料是由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比形成的化合物，具有確定的禁帶寬度和能帶結構等半導體性質，其發(fā)展歷程共經(jīng)歷了三代。

      **代半導體材料是鍺和硅，20世紀50年代半導體材料以鍺為主，鍺可用于低壓、低頻、**率晶體管及光探測電路中，缺點是耐輻射和耐高溫性能很差。20世紀60年代，硅取代鍺成為新的半導體材料，硅絕緣性好，提純簡單，至今仍然是應用*多的半導體材料，主要用于分立器件和芯片制造，在信息技術、航空航天、****、硅光伏等領域應用極其**。

      第二代半導體材料以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為**。人類對數(shù)據(jù)的傳輸速度要求越來越高，硅的傳輸速度慢，化合物半導體應運而生。化合物半導體砷化鎵和磷化銦主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的優(yōu)良材料，**應用在微波通信、光通信、衛(wèi)星通信、光電器件、激光器和衛(wèi)星導航等領域。

      第三代半導體材料又被稱為寬禁帶半導體材料，主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等，其中碳化硅和氮化鎵比較成熟。與第二代半導體材料相比，第三代半導體材料的優(yōu)點是禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率高、抗輻射能力強、發(fā)光效率高、頻率高，**用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件，應用于半導體照明、5G通信、衛(wèi)星通信、光通信、電力電子、航空航天等領域。

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