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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）