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功率半导体器件是实现电能转换的核心器件。主要用途包括逆变、变频等。受惠于 5G 及电动车需求的显著增长，我们对功率半导体的市场发展持乐观 看法。
本文重点讨论 IGBT/三代化合物半导体功率器件在技术推进和应用驱动下迎来新一轮发展机遇
。
1.1. 功率半导体概述
功率半导体器件是实现电能转换的核心器件，
主要用途包括逆变、变频等。
功率半导体可以根据载流子类型分为双极型功率半导体和单极型功率半导体。
双极型功率半导体包括功 率二极管、双极结型晶体管（BJT）、电力晶体管（GTR）、晶闸管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
单极型功率半导体包括功率 MOSFET、肖特基势垒功率二极管等。
它们的工作电压和 工作频率也有所不同。
功率半导体器件广泛应用于消费电子、新能源交通、轨道交通、发电与配电等电力电子领域。
受惠于 5G 及电动车需求的显著增长，我们对功率半导体的市场发展持乐观看法。
1.2. 功率半导体市场格局
国际厂商制造水平较高，已经形成了较高的专业壁垒。我们预计在 2022 年全球功率半导体市场规模
将达426亿美元
。在 2015年全球功率半导体市场中，英飞凌以 12%的市场占 有率排名第一。欧美日厂商凭借其技术和品牌优势，占据了
全球功率半导体器件市场的70%
。
大陆、台湾地区主要集中在二极管、低压 MOSFET 等低端功率器件市场，IGBT、中高压 MOSFET等高端器件市场主要由欧美日厂商占据。
我们看好功率半导体的国产代替空间。
我国开展功率半导体的研究工作比较晚，且受到资 金、技术及人才的限制，功率半导体产业整体呈现出数量偏少、企业规模偏小、技术水平 偏低及产业布局分散的特点。
原始创新问题成为阻碍国内功率半导体产业发展的重要因素。
国际功率半导体厂商
尚未形成专利和标准的垄断
。相比国外厂商，国内厂商在服务客户需求和降低成本等方面具有竞争优势。我们认为，功率半导体的国产代替空间十分广阔。
1.3. 汽车电子点燃功率半导体市场
新能源汽车为功率半导体带来了极大的增长潜力。
新能源汽车是指采用非常规车用燃料作 为动力来源的汽车，如纯电动车、插电式混合动力汽车。
我们预计在 2020 年我国新能源汽车销量将达 200 万辆，同比增长 53.8%。
新能源汽车新增大量功率半导体器件的应用。
2020 年全球汽车功率半导体市场规模
将达70亿
美元。特斯拉 model S 车型使用的三相异 步电机驱动，其中每一相的驱动控制都需要使用 28 颗 IGBT 芯片，三相共需要使用 84 颗 IGBT 芯片。
我国财政部、税务总局联合发布了公告：自 2018 年 1 月 1 日起至 2020 年 12 月 31 日，对购置的新能源汽车免征车辆购置税，鼓励用户购买新能源汽车。我们认为
政策红利将全面带动市场对功率半导体的需求
。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管） 和 MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
IGBT 可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用。
在结构方面，IGBT 比 MOSFET 多一层 P+区，通过 P 层空穴的注入能够降低器件的导通电 阻。
随着电压的增大，MOSFET 的导通电阻也变大，因而其传导损耗比较大，尤其是在高 压应用场合中。
相较而言，IGBT 的导通电阻较小。
IGBT 多应用于高压领域，MOSFET 主要应用在高频领域。
从产品来看，IGBT 一般应用在 高压产品上，电压范围为 600-6500V。
MOSFET 的应用电压相对较低，从十几伏到 1000V。
但是，IGBT 的工作频率比 MOSFET 低许多。
MOSFET 的工作频率可以达到 1MHz 以上，甚 至几十 MHz，而 IGBT 的工作频率仅有 100KHz。
IGBT 集中应用在逆变器、变频器等高压产 品。
而 MOSFET 主要应用在镇流器、高频感应加热等高频产品。
2.1. IGBT 市场格局
全球 IGBT 市场主要竞争者包括德国英飞凌、日本三菱、富士电机、美国安森美、瑞士 ABB 等，前五大企业的市场份额超过 70%。我们预计在 2022 年全球 IGBT 市场规模
将达 60 亿 美元
，增量空间巨大。国外厂商已研发出完善的 IGBT 产品系列。
其中，仙童等企业在消 费级 IGBT 领域处于优势地位。ABB、英飞凌和三菱电机在 1700V 以上的工业级 IGBT 领域 占据优势。在 3300V 以上电压等级的领域，英飞凌、ABB 和三菱电机三家公司居垄断地位， 代表着国际 IGBT 技术的最高水平。
国产追赶仍需时间。中国功率半导体市场占世界功率半导体市场份额的
50%以上
，但在中高端 MOSFET 及 IGBT器件中，
90%依赖于进口
。
2.2. IGBT 应用广泛，新能源车是重要下游增长引擎
按电压分布来看，消费电子领域运用的 IGBT 产品主要在 600V 以下，如数码相机闪光灯等。
1200V 以上的 IGBT 多用于电力设备、汽车电子、高铁及动车中。
动车组常用的 IGBT 模块 为 3300V 和 6500V。
智能电网使用的 IGBT 通常为 3300V。
2.2.1. 新能源汽车
电机控制系统和充电桩是车用 IGBT 的主要增长点。电力驱动系统将电能转换为机械能， 驱动电动汽车行驶，是控制电动汽车最关键的部分。IGBT 在电力驱动系统中属于逆变器模块，将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。IGBT 约占新能源汽车电机驱动系统及车载充电系统成本的 40%，折合到整车上约
占总成本的 7~10%
，其性能直接决定了 整车的能源利用率。
汽车半导体行业的认证周期长，标准非常严苛。
一方面，汽车的大众消费属性使得它对 IGBT 的寿命要求比较高。
另一方面，汽车面临着更为复杂的工况，需 要频繁启停、爬坡涉水、经历不同路况和环境温度等，对 IGBT 是极为严苛的考验。
2.2.2. 轨道交通
在高铁短时间内将时速从零提升到 300 公里的过程中，需要通过 IGBT 来确保牵引变流器 及其他电动设备所需要的电流、电压精准可靠。IGBT 在轨道交通领域
已经实现了全面的国产化
。
2.2.3. 智能电网
IGBT 广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端。
从发电端来看，风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用 IGBT 模块。
从输电端来看，特高压直流输 电中 FACTS 柔性输电技术需要大量使用 IGBT 功率器件。
从变电端来看，IGBT 是电力电子变压的关键器件。
从用电端来看，家用 LED 照明等都对 IGBT 有大量的需求。
3.1. SiC——高压器件领域的破局者
SiC 是第三代半导体材料的代表。
以硅而言，目前 Si MOSFET 应用多在 1000V 以下，约在 600~900V 之间，若超过 1000V，其芯片尺寸会很大，切换损耗、寄生电容也会上升。
SiC 器件相对于 Si 器件的优势之处在于，降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。
SiC 功率器件的损耗是 Si 器件的 50%左右。
SiC 主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。
图 16：
SiC 的开关损耗
英飞凌和科锐占据了全球 SiC 市场的 70%。
罗姆公司在本田的 Clarity 上搭载了 SiC 功率器 件， Clarity是世界首次用Full SiC驱动的燃料电动车，由于具有高温下动作和低损耗等特点， 可以缩小用于冷却的散热片，扩大内部空间。
丰田的燃料车 MIRAI 可以坐 4 个人，本田的 Clarity 实现了 5 人座。
2017 年全球 SiC 功率半导体市场总额达 3.99 亿美元。预计到 2023 年市场总额
将达 16.44 亿美元
，年复合增长率 26.6%。从应用来看，混合动力和纯电动汽车的增长率最高，达 81.4%。从产品来看，SiC JFETs 的增长率最高，达 38.9%。其次为全 SiC 功率模块，增长率达 31.7%。
政策支持力度大幅提升，推动第三代半导体产业弯道超车。
国家和各地方政府持续推出政 策和产业扶持基金支持第三代半导体发展。
2018 年 7 月国内首个《第三代半导体电力电子 技术路线图》正式发布，提出了中国第三代半导体电力电子技术的发展路径及产业建设。
福建省更是投入 500 亿，成立专门的安芯基金来建设第三代半导体产业集群。
3.2. GaN——应用场景增多，迎来发展机遇
由于 GaN 的禁带宽度较大，利用 GaN 可以获得更大带宽、更大放大器增益、尺寸更小的 半导体器件。
GaN器件可以分为射频器件和电力电子器件。
GaN的射频器件包括PA、 MIMO 等面向基站卫星、雷达市场。
电力电子器件产品包括 SBD、FET 等面向无线充电、电源开 关等市场。
英飞凌、安森美和意法半导体是全球 GaN 市场的行业巨头。我们预计到 2026 年全球 GaN功率器件市场规模将达到
4.4 亿美元
，复合年增长率 29.4％。近年来越来越多的公司加入 GaN 的产业链。如初创公司 EPC、GaN System、Transphorm 等。它们大多选择台积电或 X-FAB 为代工伙伴。行业巨头如英飞凌、安森美和意法半导体等则采用 IDM 模式。
3.3. SiC VS GaN——各有擅长，应用驱动
3.3.1. 基本特性
SiC 适合高压领域，GaN 更适用于低压及高频领域。
较大的禁带宽度使得器件的导通电阻 减小。
较高的饱和迁移速度使得 SiC、GaN 都可以获得速度更快、体积更小的功率半导体 器件。
但二者一个重要的区别就是热导率，这使得在高功率应用中，SiC 居统治地位。
而 GaN 因为拥有更高的电子迁移率，能够获得更高的开关速度，在高频领域，GaN 具备优势。
SiC 适合 1200V 以上的高压领域，而 GaN 更适用于 40-1200V 的高频领域。
目前商业化 SiC MOSFET 的最高工作电压为 1700V，工作温度为 100-160℃，电流在 65A 以下。
SiC MOSFET 现在主要的产品有 650V、900V、1200V 和 1700V。
在 2018 年国际主 要厂商推出的 SiC 新产品中，Cree 推出的新型 E 系列 SiC MOSFET 是目前业内唯一通过汽 车 AEC-Q101 认证，符合 PPAP 要求的 SiC MOSFET。
