功率半導體簡介

功率半導體器件(Power Semiconductor Device)是電力電子裝置實現電能轉換、電源管理的核心器件，故而又稱為電力電子器件(Power Electronic Device)。主要功能有變頻、變壓、整流、功率轉換和管理等，兼具節(jié)能功效。功率半導體器件廣泛應用于移動通訊、消費電子、電動車、軌道交通、工業(yè)控制、發(fā)電與配電等電力電子領域。

概括來說，功率半導體器件主要分為功率分立器件、功率集成電路(即Power IC / PIC，又稱為功率IC)和功率模組三類;而功率分立器件按照對電路信號的可控程度分為：不可控器件，例如功率二極管;半控型器件，例如晶閘管;全控型器件，例如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、GTR(電力晶體管)、GTO(門極可關斷晶閘管)、MOSFET(電力場效應晶體管)。

圖表1 各類功率半導體對比分析圖(來源：ittbank)

倘若遇到以其他分類出現的功率半導體，你還認識嗎?

按照驅動電路信號性質劃分：1、電壓驅動型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH(靜電感應晶閘管);2、電流驅動型器件，例如晶閘管、GTO、GTR。

按照驅動電路有效信號波形劃分：1、脈沖觸發(fā)型，例如晶閘管、GTO;2、電子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT。

按照功率半導體器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況劃分：1、雙極型器件，例如電力二極管、晶閘管、GTO、GTR;2、單極型器件，例如MOSFET、SIT;3、復合型器件，例如MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT、SITH和IGCT。

讀完以上名詞，是不是有些混亂?總結一下，Power Diode(功率二極管)、SCR(晶閘管)、GTO(門極可關斷晶閘管)、GTR(大功率電力晶體管)、BJT(雙極晶體管)、MOSFET(電力場效應晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、SIT(靜電感應晶體管)、BSIT(雙極型靜電感應晶體管)、SITH(靜電感應晶閘管)、MCT(MOS控制晶閘管)、IGCT(集成門極換流晶閘管)、IEGT(電子注入增強柵晶體管)、IPEM(集成電力電子模塊)、PEBB(電力電子積木)等都屬功率半導體。不同功率半導體器件，耐壓性、耐流性、阻抗能力、體積大小等特性各不相同，在實際使用中，需根據實際應用場景、不同需求來選用最適合的器件。

功率半導體市場

2019年，隨著5G、物聯網、工業(yè)互聯應用的遍地開花，在基站、移動通訊、新能源電動車、軌道交通、光伏、風電等應用領域功率半導體器件需求持續(xù)增長。目前全球的功率半導體器件70%以上的市場份額由歐美日牢牢占據，憑借的是其先進的技術、成熟的生產制造工藝和領先的品管體系。例如英飛凌、達爾、意法半導體、賽米控、瑞薩、東芝、富士電機、羅姆等知名企業(yè)。

中國作為制造業(yè)大國，功率半導體器件在通訊、工業(yè)、消費、交通、軍事、電力、航空等領域必不可少，屬于核心器件。當前我國制造業(yè)“大國”轉型“強國”，核心器件自給率的提升亦然重要。為確保中國電子制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，今年來國家也從政策、資本、產業(yè)鏈等多個維度對國產功率器件企業(yè)給予了大力支持。

中國是功率半導體器件需求最大的市場，國產替代機會巨大，國產替代率的逐年上升也是順應趨勢。其中國產品牌吉林華微、士蘭微、揚杰、嘉興斯達、中國中車、比亞迪、捷捷微電等在細分領域已經很有名氣。

拍明芯城也看好這個市場，迄今所服務的中小微客戶中，有近50%客戶在功率半導體輻射的應用領域，我們致力于成為國內原廠的優(yōu)質合作伙伴，幫助原廠線上實現產品應用案例、規(guī)格書、選型替代表等數據的共享，對于申請樣品或技術支持的客戶，原廠又可以完全了解客戶信息和產品項目信息及進展。拍明芯城能真正實現與原廠資源和數據共享，共同為客戶提供更優(yōu)質的服務，同時客戶也能在平臺找到更優(yōu)質的方案、買到物美價廉的產品并獲得原廠直接的技術支持。拍明芯城作為原廠與下游終端客戶的橋梁，拉近雙方距離，促進高效溝通，提高客戶需求的及時響應。

綜合Yole、IHS、Gartner多家分析機構數據，功率半導體器件在2017年的全球市場規(guī)模為181.5億美元，2018年達到187.6億美元。其中，中國功率半導體器件市場規(guī)模約為全球的40%;并預估2023年全球功率半導體器件市場規(guī)模有望達到221.5億美元規(guī)模，年復合增長率為3.38%。

圖表2 全球及中國大陸功率半導體市場規(guī)模分析(來源：Yole、IHS、Gartner、中國半導體協會、賽迪顧問，單位：億美元)

注：中國大陸市場規(guī)模按當年匯率換算成美元

功率半導體應用

一、工業(yè)領域

功率半導體器件在占比最大的工業(yè)領域應用非常廣泛，如數控機床的伺服電機、軋鋼機和礦山牽引、大型鼓風機、發(fā)電系統(tǒng)等實現電力電子變頻調速功能均有采用。

從ABI Research和中商產業(yè)研究院的統(tǒng)計數據可知，2017年全球工業(yè)半導體市場規(guī)模達490億美元，其中功率半導體器件規(guī)模大約為98億美元，占比達到20%，并以8.6%的年復合增長率繼續(xù)成長，預計到2020年，全球工業(yè)功率半導體市場規(guī)模有望達到125億美元。

不僅如此，功率半導體在工業(yè)領域的市場份額比重也在不斷提升，將由2016年的19.7%提升至2020年的20.8%。

圖表3 2016-2020年全球工業(yè)領域半導體整體市場及其功率半導體器件市場規(guī)模分析(來源：ABI Research、中商產業(yè)研究院，單位：億美元)

二、光伏、風電領域

光伏、風電行業(yè)已經成為電力行業(yè)的重要補充，部分國家，如丹麥，40%的電力由風電供應，中國大陸近幾年可再生新能源發(fā)電量更是快速增長中根據中國光伏行業(yè)協會、CWEA統(tǒng)計，2017年全球風電新增裝機量為59.4GW，光伏新增裝機量約為80GW，合計帶動功率半導體器件市場規(guī)模約為16.6億美元。

中國產業(yè)信息研究院推斷，預計2020年全球光伏與風電市場將帶動功率模塊27.54億美元。其中IGBT模塊市場占比達到74%，約為20億美元。

圖表4 2015-2020年全球、中國大陸光伏、風電市場分析(來源：中國光伏行業(yè)協會、CWEA)

三、汽車領域

近年來，最受關注的應用領域為汽車行業(yè)，正在經歷汽車發(fā)展史上最快的電子化轉型期，搭載電機、電池、電控的新能源汽車在汽車總產量中的占比由2014年的0.39%增長至2017年的1.26%，預計2020年占比有望達到4.65%。

2018年1~8月，中國大陸新能源汽車產銷分別完成60.7萬輛和60.1萬輛，比上年同期分別增長75.4%和88%;其中，新能源乘用車銷量占比達87%。

圖表5 全球新能源汽車產量及在總產量中的占比分析(來源：搜狐、中國汽車工業(yè)協會)

結合英飛凌、中商產業(yè)研究院數據得知，2017年全球汽車半導體市場規(guī)模約為347.69億美元，并以3.3%的年復合增長率增長，預計到2020年，全球汽車半導體市場規(guī)模可擴大到383億美元。

與此同時，功率半導體器件市場規(guī)模也達到了58億美元，并以6.4%的增速發(fā)展，預計到2020年達到70億美元。功率半導體器件的增長速度幾乎是汽車半導體市場增速的2倍，其比重也在不斷增大，將從2014年的15.66%增加到2020年的18.27%。

圖表6 全球汽車半導體、功率半導體器件市場規(guī)模分析(來源：英飛凌、中商產業(yè)研究院、中國汽車工業(yè)協會)

四、充電樁領域

充電樁是與新能源汽車產業(yè)相關的一大應用領域，也是IGBT或MOSFET重要應用高地。

現階段，主流直流充電樁的功率在60kw和120kw，如果采用15kw的功率模塊，則需要4個或8個功率模塊。目前充電樁的功率模塊有兩種解決方案，一是采用MOSFET芯片，另一種是采用IGBT芯片。

其中IGBT適用于1000V以上、350A以上的大功率直流快充，其成本可達充電樁總成本的20-30%;只是當下基于充電樁功率、工作頻率、電壓、電流、性價比等綜合因素考量，MOSFET暫時成為充電樁的主流應用功率半導體器件。

不過，近年新能源車采用快充方式越來越多，著眼未來，IGBT才是充電樁的最佳選擇，預計未來其將在充電樁領域獲得快速發(fā)展。

由于國內外新能源汽車產業(yè)發(fā)展進度不一樣，對配套的公共充電樁、私人充電樁建設進度也不一樣，下面以全球充電樁建設規(guī)模最大的中國大陸市場為例介紹。

據信息產業(yè)研究院統(tǒng)計數據，截至2018年4月，中國大陸在運營公共充電樁約為262058臺，同比增長62.5%;其中交流充電樁114472臺、直流充電樁81492臺、交直流一體充電樁66094臺;另外還投建有281847臺私人充電樁，同時國家政策也在向私人充電樁傾斜，預測2020年，私人充電樁累計建設規(guī)模有望達到400萬臺。

圖表7 中國大陸2015-2020年充電樁新增建設規(guī)模分析(來源：易車網、中國產業(yè)信息研究院，單位：萬臺)

目前公共充電樁制造成本約為3萬元/臺、私人充電樁約為5000元/臺，若以每臺充電樁中功率半導體器件成本占比為25%計算，則有，2015-2020年中國大陸充電樁功率器件新增市場規(guī)模分別為：7.8億、3.3億、6.7億、10.87億、19.79億、37.84億元。

另外，從數據中我們發(fā)現，2016年中國大陸因整頓新能源車企造假問題，充電樁產量增量大幅下滑，該年充電樁功率半導體器件市場增速為-56.9%，但進入2017年后，并預計到2020年，年增速不低于61%。

圖表8 2015-2020年充電樁功率半導體器件新增市場規(guī)模分析(來源：易車網、中國產業(yè)信息研究院，單位：億人民幣)

五、通信領域

通信行業(yè)同樣擁有龐大的應用市場，細分市場主要包括路由器、交換機、通信基站、光端機、對講機等。

中國產業(yè)信息研究院統(tǒng)計數據顯示，2017年全球路由器、無線路由器、交換機、光端機、通信基站的市場規(guī)模分別為：153億美元、266億美元、97.9億美元、36.6億美元、530億美元。

圖表9 全球通信行業(yè)市場規(guī)模及結構分析(來源：中國信息產業(yè)研究院，單位：億美元)

注：本圖表不含通信衛(wèi)星領域市場規(guī)模

以2017年通信領域功率半導體器件占整體15%的比例計算，2017-2020年通信領域功率半導體器件市場規(guī)模將分別為57.45億美元、59.39億美元、62.44億美元、65.96億美元。其中，基站向5G升級將會成為通信設備功率半導體器件用量增加的最大變動因素。

圖表10 2017-2020年通信領域功率半導體器件市場規(guī)模分析(來源：中國信息產業(yè)研究院、英飛凌，單位：億美元)

六、消費領域

消費類電子也是功率半導體器件的消費重地，由于消費電子產品類型非常多，包括電視機、電腦、冰箱、收/錄機、數碼像機、手機、平板電腦、平衡車、空調、照明等產品，因此消費類電子產品對功率半導體器件的應用類型也各不一樣，一般以600V以內的產品為主，其中0-40V低耐壓功率半導體器件是使用量最為龐大的類別產品。

另外，新興的無線充電等科技產品雖然比較分散，但數量也比較可觀，由此也是功率半導體器件不可忽略的消耗大戶。

圖表11 不同中低壓耐壓范圍功率半導體器件應用領域(來源：百度文庫)

根據中商產業(yè)研究院數據，2017年消費類電子行業(yè)功率半導體器件市場規(guī)模為19.6億美元，占全球總體市場份額的20%左右。預計到2020年，全球消費類電子行業(yè)功率半導體器件市場規(guī)模將達到23億美元。

圖表12 2017-2020年全球消費類功率半導體器件市場規(guī)模分析(來源：中商產業(yè)研究院，單位：億美元)