功率半導(dǎo)體器件（PowerSemiconductorDevice） 又稱為電力電子器件,，是電力電子裝置實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換,、電路控制的核心器件,。 主要用途包括變頻,、整流,、變壓,、功率放大、功率控制等,，同時具有節(jié)能功效,。功率半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于移動通訊、消費(fèi)電子,、新能源交通,、軌道交通、 工業(yè)控制,、 發(fā)電與配電等電力,、電子領(lǐng)域，涵蓋低,、中,、高各個功率層級。

　　功率半導(dǎo)體器件種類眾多,。 功率半導(dǎo)體根據(jù)載流子類型可分為雙極型與單極型功率半導(dǎo)體,。雙極型功率半導(dǎo)體包括功率二極管、雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor,，BJT）,、電力晶體管（Giant Transistor， GTR）,、晶閘管,、 絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）等,，單極型功率半導(dǎo)體包括功率 MOSFET,、肖特基勢壘功率二極管等。按照材料類型可以分為傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體器件以及寬禁帶材料功率半導(dǎo)體器件,。傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件基于硅基制造,，而采用第三代半導(dǎo)體材料（如 SiC、 GaN）具有寬禁帶特性,，是新興的半導(dǎo)體材料,。

　　功率半導(dǎo)體的器件分類

　　功率半導(dǎo)體器件：二極管→晶閘管→硅基 MOSFET→硅基 IGBT。 功率二極管發(fā)明于20 世紀(jì) 50 年代,， 起初用于工業(yè)和電力系統(tǒng),。 60-70 年代，以半控型晶閘管為代表的功率器件快速發(fā)展,，晶閘管體積小,、明顯的節(jié)能功效引起廣泛重視。 80 年代,，晶閘管的電流容量已達(dá) 6000 安,，阻斷電壓高達(dá) 6500 伏； 80 年代發(fā)展起來的硅基 MOSFET 工作頻率達(dá)到兆赫級,，同時功率器件正式進(jìn)入電子應(yīng)用時代,。

　　功率器件的演進(jìn)史

　　硅基 IGBT 的出現(xiàn)實現(xiàn)了功率器件同時具備大功率化（6500V）與高頻化（10-100kHz）。二十一世紀(jì)前后,，將功率器件與集成電路集中在同一個芯片中,，功率器件集成化使器件功能趨于完整。

　　不同功率半導(dǎo)體器件的特性

　　經(jīng)歷了那么多年的發(fā)展,，衍生出了不同的半導(dǎo)體器件,，而他們也都各自有各自的特性：

　　功率半導(dǎo)體器件的比較

　　（1）功率二極管： 最傳統(tǒng)功率器件,， 應(yīng)用于工業(yè),、電子等領(lǐng)域

　　功率二極管是基礎(chǔ)性功率器件，廣泛應(yīng)用于工業(yè),、電子等各個領(lǐng)域,。功率二極管（Diode）是一種具有兩個電極裝置的電子元件，只允許電流由單一方向流過,，同時無法對導(dǎo)通電流進(jìn)行控制,，屬于不可控型器件。 二極管主要用于整流,、開關(guān),、穩(wěn)壓、限幅,、續(xù)流,、檢波等。 根據(jù)其不同用途,，可分為檢波二極管,、整流二極管、穩(wěn)壓二極管,、開關(guān)二極管,、隔離二極管、肖特基二極管,、發(fā)光二極管,、硅功率開關(guān)二極管、旋轉(zhuǎn)二極管等,。

　　整流二極管示意圖

　?。?）硅基 MOSFET： 高頻化器件，應(yīng)用領(lǐng)域拓展至 4C

　　硅基 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)簡稱金氧半場效晶體管,，高頻化運(yùn)行,，耐壓能力有限,。1960 年由貝爾實驗室 Bell Lab.的 D. Kahng 和 Martin Atalla 首次實作成功， 制造成本低廉,、 整合度高,、 頻率可以達(dá)到上 MHz， 廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管,， 具體有開關(guān)電源,、鎮(zhèn)流器、通信電源等高頻領(lǐng)域,，應(yīng)用領(lǐng)域由二 極管的工業(yè),、電子等拓展到了四個新的領(lǐng)域， 即 4C ：Compute,Communication,Consumer,Car,。

　　功率 MOSFET 結(jié)構(gòu)圖

　?。?）硅基 IGBT：融合 BJT 和 MOSFET， 廣泛應(yīng)用于新能源汽車,、光伏,、軌道交通

　　IGBT 集 BJT 與 MOSFET 優(yōu)點于一身， 1988 年以來已進(jìn)展至第六代產(chǎn)品,。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),， 即絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT(雙極型三極管)和 MOSFET(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件,。 IGBT 在開通過程中,，大部分時間作為 MOSFET 運(yùn)行，在斷開期間,， BJT 則增強(qiáng) IGBT 的耐壓性,。自從 1988 年第一代 IGBT 產(chǎn)品問世以來，目前已經(jīng)進(jìn)展至第六代產(chǎn)品,，性能方面有顯著的提升,，工藝線寬由 5 微米縮小至 0.3 微米，功率損耗則將為 1/3 左右,，斷態(tài)電壓大幅提高近 10倍,。

　　IGBT=MOSFET+BJY 結(jié)構(gòu)圖

　　600-1200V 的 IGBT 需求量最大， 1200V 以上未來需求強(qiáng)勁,。 從應(yīng)用領(lǐng)域看,， IGBT 廣泛應(yīng)用于新能源汽車、電機(jī),、新能源發(fā)電,、軌道交通等領(lǐng)域；從電壓結(jié)構(gòu)看,，電壓在 600-1200V的 IGBT 需求量最大,，占市場份額 68.2%,， 1200V 以上的 IGBT 應(yīng)用在高鐵、動車,、汽車電

　　子及電力設(shè)備中,， 伴隨著軌道交通、再生能源,、工業(yè)控制等行業(yè)市場在近幾年內(nèi)的高速成長,，對更高電壓應(yīng)用的 IGBT 產(chǎn)品（1200V~6500V）提出了強(qiáng)烈的需求

　　2015 年全球 IGBT 市場應(yīng)用結(jié)構(gòu)（單位：百萬美元）

　　IGBT 模塊是新能源發(fā)電逆變器的關(guān)鍵器件,。 太陽能電池陣列的直流輸出電壓經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換和逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，再?jīng)過低頻濾波器得到 50Hz 的交流輸出電壓并入電網(wǎng)。逆變器是實現(xiàn)交流電轉(zhuǎn)直流電的關(guān)鍵器件,，而 IGBT 單元是逆變器和驅(qū)動電路的核心,。選擇IGBT 器件的基本準(zhǔn)則是提高轉(zhuǎn)換效率、降低系統(tǒng)散熱片的尺寸,、提高相同電路板上的電流密度,。目前，市場上多家公司提供用于太陽能逆變器的功率器件,，其中,，包括 IR、英飛凌,、ST,、飛兆半導(dǎo)體、 Vishay,、 Microsemi,、東芝等公司。

　　IGBT 廣泛地應(yīng)用于新能源汽車的控制系統(tǒng),，包括主逆變器（main inverter）,、輔助HV/LV DC-DC（auxiliary HV/LV DC-DC converter）、輔逆變器（Auxiliary loads）和電池充電器（On-board charger）,， 占整車成本近 10%,， 占到充電樁成本的 20%。 在電動傳動系統(tǒng)中,，主逆變器負(fù)責(zé)控制電動機(jī),， 還用于捕獲再生制動釋放的能量并將此能量回饋給電池。輔助 HV-LV DC-DC 用于不同供電網(wǎng)絡(luò)之間的能量轉(zhuǎn)換,，在電動汽車中系統(tǒng)輔助 HV-LVDC-DC 的作用是在低壓子供電網(wǎng)和高壓子供電網(wǎng)之間實現(xiàn)能量的雙向流動,。

　　輔助逆變器主要負(fù)責(zé)控制除了主電動機(jī)以外的其余電動機(jī)。電池充電器的作用是實現(xiàn)汽車電池快速高效充電,， 而 PFC 電路通過糾正電流和電壓的相位差提高功率因素,，實現(xiàn)高效充電,。 跟據(jù) Hitachi，車用逆變器中 IGBT 需要工作在 650-700V,，開關(guān)頻率為 5-12kHz,， IGBT 的轉(zhuǎn)化效率在 90%以上，最大可以達(dá)到 95%,。

　　英飛凌提供的混合動力汽車/電動汽車功率器件應(yīng)用方案

　　IGBT 是動車,、高鐵等動力轉(zhuǎn)換的核心器件， 占動車總成本的 1.25%左右,。 和諧號 CRH3列車的牽引變流器將超高電流轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的動力,，運(yùn)營時速達(dá) 350 公里/小時，每輛列車共裝有 4 臺變流器,，每臺變流器搭載了 32 個 IGBT 模塊,， 每個 IGBT 模塊含 6 塊 DCB，每塊DCB 含有 4 個 IGBT 新芯片和 2 個二極管芯片,，每個模塊標(biāo)稱電流 600 安,，可承受 6500伏高的電壓。

　　總的來說,，一輛 8 節(jié)編組動車上的 128 個 IGBT 模塊為整個列車提供了 10 兆瓦的功率,。 據(jù)中車株洲所報道，一個 IGBT 模塊就高達(dá)一萬多元,，一輛 CRH3C 出廠價大約1.6 億,， IGBT 模塊占動車總成本的 1.25%左右。 高鐵電力機(jī)車需要 500 個 IGBT 模塊,動車組需要超過 100 個 IGBT 模塊,一節(jié)地鐵需要 50~80 個 IGBT 模塊,， 每年中國高鐵國外采購的 IGBT 模塊數(shù)量達(dá)十萬個以上,， 金額超過 12 億元人民幣。

　　高鐵動力結(jié)構(gòu)圖

　　步入第三代,， SiC,、 GaN 等有望占領(lǐng)高端應(yīng)用

　　目前 Si 材料仍占主流，占據(jù) 95%以上半導(dǎo)體器件和 99%集成電路,。 根據(jù)功率分立器件所使用的材料可分為三代,。將硅、鍺元素半導(dǎo)體材料稱為第一代半導(dǎo)體材料,；第二代半導(dǎo)體材料包括砷化鎵(GaAs)等化合物半導(dǎo)體材料,、 GaAsAl 等三元化合物半導(dǎo)體、 Ge-Si 等固溶體半導(dǎo)體,、 非晶硅等玻璃半導(dǎo)體以及酞菁等有機(jī)半導(dǎo)體,； 第三代半導(dǎo)體材料主要以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料,。由于產(chǎn)業(yè)工藝成熟及生產(chǎn)成本低,， 95%以上的的半導(dǎo)體器件和 99%以上的集成電路是用硅材料制作的,，硅仍然是半導(dǎo)體材料的主體。

　　功率半導(dǎo)體硅基元器件,、砷化鎵元器件,、 碳化硅元器件

　　相對于 Si 器件， SiC 功率器件具有三大優(yōu)勢：

　　第一,，高壓特性,。 SiC 器件是同等 Si 器件耐壓的 10 倍，碳化硅肖特基管耐壓可達(dá) 2400V,，碳化硅場效應(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)萬伏,，且通態(tài)電阻并不很大。

　　第二,，高頻,、高效特性,。 SiC 器件的工作頻率一般是 Si 器件的 10 倍,。 在PFC 電路中，使用碳化硅可使電路工作在 300kHz 以上,，效率基本保持不變,，而使用硅 FRD的電路在 100kHz 以上的效率急劇下降。隨著工作頻率的提高,，電感等無源原件的體積相應(yīng)減小,，整個電路板的體積可下降 30%以上。

　　第三,， 耐高溫,、低損耗特性。 碳化硅芯片可在600℃下工作,，而一般的 Si 器件最多到 150℃,。 SiC 功率器件的能量損耗只有 Si 器件的功率50%左右， 發(fā)熱量也約為 Si 器件的 50%,。

　　Si/SiC/GaN 適用頻率和功率

　　SiC 材料已在多個電力電子系統(tǒng)開始應(yīng)用,。 首先推出的是 SiC 肖特基二極管，具有零反向回復(fù)電流,，非常適合功率因數(shù)校正領(lǐng)域,，將取代 Si 的 PiN 整流二極管。其次推出的碳化硅 MOSFET,， 有望取代太陽能逆變器中的高壓硅絕緣柵雙極晶體管(IGBT),。除了比 IGBT降低 50%的能耗外，碳化硅 MOSFET 無需特殊的驅(qū)動電路,，且工作頻率更高,，這讓設(shè)計人員能夠盡可能減少電源元器件數(shù)量,，降低電源成本和尺寸，并提高能效,。

　　SiC功率器件的應(yīng)用時間表

　　碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件具有更高的電壓等級,、更高的開關(guān)速度、更高的結(jié)溫,、更低的開關(guān)損耗等優(yōu)勢,，將會在不間斷電源、交流電機(jī)驅(qū)動器,、新能源汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。 根據(jù)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）發(fā)布的產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告， 截至 2018 年 1 月,，有 30多家半導(dǎo)體廠商推出共 677 個品類 SiC 或 GaN 電力電子器件及模塊,，供應(yīng)數(shù)量和品類均實現(xiàn)較大增長。

　　采用不同半導(dǎo)體材料的 ROHM 逆變器產(chǎn)品比較

　　高昂成本是 SiC 推廣最大障礙,， 單價可達(dá)硅器件的 5~6 倍,。 據(jù) ROHM 半導(dǎo)體資料，目前同一規(guī)格的產(chǎn)品,，碳化硅器件的價格是原有硅器件的 5~6 倍,。極大阻礙了碳化硅功率器件的應(yīng)用推廣， 2014 年全球硅功率器件市場規(guī)模大約為 100 億美元左右,，但是碳化硅功率器件市場則僅有 1.2 億美元,。碳化硅功率器件市場滲透率不到硅功率器件的 1/500。對于耐壓1200V 的應(yīng)用,， 由于成本相當(dāng)而性能更出眾,，碳化硅晶體管已經(jīng)具備競爭優(yōu)勢。

　　SiC 功率器件價格高于 Si 器件（同一技術(shù)要求的產(chǎn)品）

　?。?）碳化硅二極管： 損耗低耐溫高,，有望搶占硅快恢復(fù)二極管（FRD） 部分市場

　　SiC 肖特基二極管能動態(tài)性能優(yōu)越。 肖特基二極管(SBD)是通過金屬與 N 型半導(dǎo)體之間形成的接觸勢壘具有整流特性而制成的一種屬-半導(dǎo)體器件,。肖特基二極管的基本結(jié)構(gòu)是重?fù)诫s的 N 型 4H-SiC 片,、 4H-SiC 外延層、肖基觸層和歐姆接觸層,。

　　SiC 肖特基二極管做為單子器件,，它的工作過程中沒有電荷儲存，其反向恢復(fù)電荷以及其反向恢復(fù)損耗比 Si 超快恢復(fù)二極管要低一到兩個數(shù)量級,。和它匹配的開關(guān)管的開通損耗也可以得到大幅度減少,，因此提高電路的開關(guān)頻率。在常溫下，其正態(tài)導(dǎo)通壓降和 Si 超快恢復(fù)器件基本相同,，但是由于SiC 肖特基二極管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù),，這將有利于將多個 SiC 肖特基二極管并聯(lián)。

　　碳化硅肖特基二極管與硅 FRD 比較

　　肖特基二極管主要用在 600-1200V 的應(yīng)用領(lǐng)域,目前主要用以替代硅快恢復(fù)二極管(FRD),。 碳化硅肖特基二極管可廣泛應(yīng)用于中高功率領(lǐng)域,，可顯著的減少電路的損耗，提高電路的工作頻率,。在 PFC 電路中用碳化硅 SBD 取代原來的硅 FRD,，可使電路工作在 300khz以上，效率基本保持不變,，而相比下使用硅 FRD 的電路在 100khz 以上的效率急劇下降,。一些國家和地區(qū)（比如歐盟、加州,、澳大利亞等）對光伏微型逆變器入網(wǎng)有效率限制,，大致為95%左右，這就使得 SiC-SBD 成為必須的選擇,。

　　新能源汽車對小型輕量化的要求迫切,，所以普遍地采用 SiC-SBD。 目前 Cree 公司,、 Microsemi 公司,、 Infineon 公司,、 Rohm 公司的SiC 肖特基二極管用于變頻或逆變裝置中替換硅基快恢復(fù)二極管,，顯著提高了工作頻率和整機(jī)效率。中低壓 SiC 肖特基二極管目前已經(jīng)在高端通訊開關(guān)電源,、光伏并網(wǎng)逆變器領(lǐng)域上產(chǎn)生較大的影響,。

　　SiC 二極管電壓分布及其供應(yīng)商

　　（2）碳化硅 MOSFET：高頻高效,，將在高端領(lǐng)域有效替代硅基 IGBT

　　碳化硅 MOSFET 優(yōu)勢明顯,， 頻率高+損耗低+高溫穩(wěn)定性好。 20 世紀(jì) 90 年代以來,，碳化硅(silicon carbide,， SiC)MOSFET 技術(shù)的迅速發(fā)展，引起人們對這種新一代功率器件的廣泛關(guān)注,。 與相同功率等級的 Si MOSFET 相比,， SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻、開關(guān)損耗大幅降低,，適用于更高的工作頻率,，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩(wěn)定性。但由于SiC MOSFET 的價格相當(dāng)昂貴,，限制了它的廣泛應(yīng)用,。

　　碳化硅 MOSFET 和硅基 MOSFET 比較

　　相比硅功率器件，碳化硅 MOSFET 在工作頻率和效率上具有巨大優(yōu)勢,。 硅 IGBT 在一般情況下只能工作在 20khz 以下的頻率,。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無法實現(xiàn),。碳化硅 MOSFET 不僅適合于從 600V 到 10kV 的廣泛電壓范圍,，同時具備單極型器件的卓越開關(guān)性能。相比于硅 IGBT,，碳化硅 MOSFET 在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況,，具有更低的開關(guān)損耗和更好的工作頻率。 20kHz 的碳化硅 MOSFET 模塊的損耗可以比 3kHz 的硅IGBT 模塊低一半,， 50A 的碳化硅模塊就可以替換 150A 的硅模塊,。

　　碳化硅 MOSFET 主要用于 1200V 應(yīng)用領(lǐng)域,取代目標(biāo)是硅基 IGBT。 據(jù) Yole,，全球不同供應(yīng)商的 SiC MOSFET 開發(fā)集中在 1200V,，應(yīng)用重點在于光伏逆變器、不間斷電源（UPS）或充電/儲能系統(tǒng)等應(yīng)用的系統(tǒng)性能提升以及工業(yè)變頻器等,。 碳化硅的 MOSFET 有望取代太陽能逆變器中的高壓硅絕緣柵雙極晶體管(IGBT),。除了比 IGBT 降低 50%的能耗外，碳化硅MOSFET 無需特殊的驅(qū)動電路,，且工作頻率更高,，這讓設(shè)計人員能夠盡可能減少電源元器件數(shù)量，降低電源成本和尺寸,，并提高能效,。

　　不同供應(yīng)商的 SiC MOSFET 開發(fā)活動的狀況

　　新能源汽車推動，功率器件市場達(dá) 160 億美元

　　功率器件和功率 IC 平分功率半導(dǎo)體市場,，器件規(guī)模達(dá) 160 億美元,。 據(jù) IHS 數(shù)據(jù)， 2016年全球功率半導(dǎo)體(功率器件,、功率模塊,、功率 IC、其他)市場銷售額從 2015 年的 339 億美元增長了 3.5%達(dá)到 351 億美元,，其中,， 功率 IC 增長 2.1%，功率分立器件增長 5.9%,，功率模塊增長 3.5%,。

　　全球功率器件市場規(guī)模

　　其中功率模塊+器件中，功率二極管、 IGBT,、 MOSFET 占據(jù)較大份額,，MOSFET 市場規(guī)模達(dá) 62 億美元，占功率器件比例為 39%,，功率二極管/IGBT 分別占 33/27%,。

　　功率半導(dǎo)體市場結(jié)構(gòu)

　　中低端功率器件供不應(yīng)求，交貨周期延長,、價格上漲,。 根據(jù) TTBank 統(tǒng)計， MOSFET,、整流管和晶閘管的交貨周期一般是 8 周左右,，從 2016 年下半年開始， 交期已被拉長到 24至 30 周,。 由于上游原材料短缺,、漲價以及 8 英寸產(chǎn)線上功率器件產(chǎn)能被擠占，二極管大廠因火災(zāi)關(guān)停,，中低壓 MOSFET 大廠轉(zhuǎn)單,，下游 HEV 48V 混動系統(tǒng)帶來增量預(yù)計達(dá) 680 億元， 導(dǎo)致中低端功率器件供不應(yīng)求,，價格持續(xù)走高,。 2017 年 9 月 1 日，長電科技發(fā)出通知,，將公司所有的 MOSFET 價格上調(diào) 20%,。 2017 年下半年，無錫新潔能發(fā)布通知,， 決定從 2018年元旦起對 MOSFET 各系產(chǎn)品執(zhí)行 2018 年價格,，據(jù)估計漲價幅度在 10%左右。

　　功率器件交貨普遍延長

　　受益于汽車,、工業(yè)終端市場，功率 IC 市場穩(wěn)定增長,。 根據(jù) Yole Development 數(shù)據(jù),，得益于多個關(guān)鍵終端市場的發(fā)展，功率 IC 將在 2016-2022 年實現(xiàn) CAGR=3.6％的增長率,。 終端市場主要分為 5 大方面：汽車,、計算、通信,、消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用,。 根據(jù) IHS， 2016 年全球功率 IC 市場營收達(dá) 192 億美元，同比+2.1%,。其中汽車與工業(yè)是功率 IC 增長的推動力,，從汽車來看，功率 IC 增長的關(guān)鍵單車中電子與半導(dǎo)體零部件使用量大幅增加,。據(jù)統(tǒng)計,， 在傳統(tǒng)汽車?yán)铮骄枯v汽車的半導(dǎo)體成本大約 320 美元,，其中功率元器件占 26%,。在混合電動汽車（HEV）中，每輛車的半導(dǎo)體成本大約 690 美元,，功率元器件占比高達(dá) 75%,，在純電動汽車（EV）中，半導(dǎo)體成本大約 700 美元,，功率元器件占 55%,。

　　功率IC市場規(guī)模預(yù)測

　　下游汽車和消費(fèi)電子驅(qū)動， MOSFET 仍然是功率半導(dǎo)體器件主戰(zhàn)場,。 據(jù) Yole,， 2016 年MOSFET 市場收入接近 62 億美元。隨著汽車和工業(yè)銷售的穩(wěn)步增長,， 2016 年整體硅功率MOSFET 市場規(guī)模超過 2014 年的表現(xiàn),， 預(yù)計未來 5 年 CAGR 達(dá) 3.4%，至 2022 年 75 億美元市場規(guī)模,。 Allied market research 預(yù)測,，未來消費(fèi)電子和汽車電子將會是 MOSFET 增長的主要驅(qū)動力， 兩者對 MOSFET 需求占比超 50%,， 逆變器與 UPS 為第二驅(qū)動力,，而能源與電力與其他應(yīng)用對 MOSFET 的需求將會保持平穩(wěn)。

　　全球 MOSFET 市場規(guī)模預(yù)測（單位：億美元）

　　IGBT 快速發(fā)展,，增速主要來自 IGBT 功率模塊,。 據(jù)博思數(shù)據(jù)， 2016 年全球 IGBT 市場規(guī)模達(dá)到 42.9 億美元,。 中國 IGBT 市場規(guī)模從 2008 年的 38.7 億元上漲到 2016 年的 105.4億元,，年復(fù)合增長率達(dá)到 13.3%，而近三年則超過了 15%,，顯著高于全球 IGBT 市場 10%的增長速度,。 預(yù)計到 2022 年，全球 IGBT 市場規(guī)模將超過 50 億美元,，增長將主要來自 IGBT功率模組,。雖然以 SiC 和 GaN 為代表的第三代功率半導(dǎo)體的出現(xiàn)導(dǎo)致 IGBT 功率模塊的份額略有降低,，然而在短期內(nèi)，其霸主地位不可撼動,。 根據(jù) Yole,，到 2020 年， IGBT 模塊占功率模塊份額仍然達(dá)到 73.7%,，其中光伏（PV）和純電動汽車/混合動力汽車（EV/HEV）兩大應(yīng)用領(lǐng)域占比超過三分之二,，在這兩大市場驅(qū)動下，IGBT 功率模組市場年增速達(dá) 15%,。

　　全球 IGBT 市場規(guī)模預(yù)測（單位：億美元）

　　SiC 功率器件市場快速發(fā)展,， SiC 二極管占比最大。 據(jù) Yole, 包括 SiC 二極管,、晶體管和模塊在內(nèi)的 SiC 功率市場將從 2015 年的 2 億美元上漲到 2020 年 8 億美元,， 5 年 CAGR達(dá) 39%， 其中 SiC 二極管目前仍是主流,，市場占比達(dá)到 85%,。細(xì)分下游方面， 太陽能電源轉(zhuǎn)換器（PV inverters）,，交流電機(jī)驅(qū)動器（Motor AC Drive）,，純電動汽車/混合動力汽車（EV/HEV），功率因素校正（PFC）四大應(yīng)用領(lǐng)域占比超過三分之二,。其中,，純電動汽車/混合動力汽車市場和太陽能電源轉(zhuǎn)換器將會是主要細(xì)分市場。

　　SiC 器件各應(yīng)用領(lǐng)域十年期市場預(yù)測（單位：百萬美元）

　　競爭格局分析：歐美日廠商領(lǐng)先高端產(chǎn)品線

　　縱觀整個功率器件市場,，整體態(tài)勢是歐美日廠商三足鼎立,。 其中美國功率器件處于世界領(lǐng)先地位，擁有一批具有全球影響力的廠商,，例如 TI,、Fairchild、Maxim,、ADI,、ONSemiconductor和 Vishay 等廠商。歐洲擁有 Infineon,、ST 和 NXP 三家全球半導(dǎo)體大廠,。日本主要有 Toshiba、 Renesas,、 Rohm、 Matsushita,、Fuji Electric 等,。中國臺灣擁有富鼎先進(jìn),、茂達(dá)、安茂,、致新和沛亨等一批廠商,。中國大陸擁有吉林華微電子、蘇州固锝電子,、無錫華潤華晶微電子,、揚(yáng)州揚(yáng)杰電子等一批廠商。

　　功率半導(dǎo)體器件細(xì)分領(lǐng)域多,， 行業(yè)整體增速較緩,，大廠傾向于業(yè)內(nèi)并購，通過布局新領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)增長,。 2016 年英飛凌科技成為全球功率半導(dǎo)體的主要供應(yīng)商,，其在 2015 年初收購美國國際整流器公司（InternationalRectifier）后，英飛凌超過三菱電機(jī)成為領(lǐng)先的功率模塊制造商,。 德州儀器在 2015 年被英飛凌超越后,，于 2016年退居全球第二。 安森美完成對飛兆半導(dǎo)體（Fairchild）的收購后,，市場排名升至第三位,，其在功率分立器件市場份額躍升 10%。 2016 年建廣資本以 27.5 億美元并購了 NXP 的標(biāo)準(zhǔn)器件部門,，中國企業(yè)首次進(jìn)入行業(yè)全球前十強(qiáng),。

　　2016 年功率半導(dǎo)體市場份額

　　國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模大，產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段,。 據(jù)賽迪顧問,， 2016 年， 中國功率半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá)到了 1496 億元,， 占據(jù)了全球 40%以上的市場,。 然而供應(yīng)鏈仍然被國外廠商所壟斷， 國內(nèi)企業(yè)相對而言規(guī)模較小,、技術(shù)落后,、品類不全，產(chǎn)業(yè)仍然處于起步和加速追趕的階段,。 國內(nèi)功率半導(dǎo)體企業(yè)排名第一的吉林華微,， 2016 年營收為 13.95 億元，凈利潤僅為 4060 萬元,。而全球行業(yè)老大英飛凌 2016 集團(tuán)營收高達(dá) 64.73 億歐元,， 中國龍頭企業(yè)和行業(yè)龍頭的差距在 30 倍以上。

　　中國功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)與全球功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)營收對比（單位：億元）

　　政策,、資金,、技術(shù)齊發(fā)力,， 國內(nèi)廠商發(fā)展?jié)摿薮蟆?功率半導(dǎo)體在軍事等戰(zhàn)略性領(lǐng)域起著關(guān)鍵性作用，是關(guān)系著高鐵動力系統(tǒng),、汽車動力系統(tǒng),、消費(fèi)及通訊電子系統(tǒng)等領(lǐng)域能否實現(xiàn)自主可控的核心零部件，戰(zhàn)略地位突出,，國內(nèi)全方位推動行業(yè)發(fā)展,。 政策上，國家持續(xù)推動行業(yè)發(fā)展,， 國務(wù)院發(fā)布《中國制造 2025》強(qiáng)國戰(zhàn)略,， 明確提出將先進(jìn)軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車,、電力裝備,、高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等列為突破發(fā)展的十大重點領(lǐng)域。 資金上,， 功率半導(dǎo)體采用特色工藝,，不追求先進(jìn)制程，資金投入僅為集成電路的 1/10,，國家大基金,、地方政府基金必將鼎力支持。 技術(shù)上,，國內(nèi)企業(yè)具備低端領(lǐng)域全面實現(xiàn)國產(chǎn)化能力,，同時向中高端進(jìn)軍， 以南車,、比亞迪為代表的廠商已實現(xiàn)技術(shù)突破,，成功實現(xiàn)國產(chǎn)化 IGBT 在高鐵和新能源汽車中的應(yīng)用。

　　2016 年中國半導(dǎo)體功率器件十大企業(yè)排行榜

　　國際市場格局趨穩(wěn)定,，國內(nèi)企業(yè)在功率 IC 領(lǐng)域獲突破,。 據(jù) Yole， 功率 IC 市場競爭格局成熟,，供應(yīng)鏈較為完善,。 美國在功率 IC 領(lǐng)域具有絕對領(lǐng)先優(yōu)勢，歐洲在功率 IC 和功率分立器件方面也都具有較強(qiáng)實力,， 日本在功率 IC 芯片方面,，雖然廠商數(shù)量眾多，但整體市場份額不高,。 功率 IC 下游核心產(chǎn)品—電源 IC,， Dialog、 Qualcomm 以及 Maxim 三家主要供應(yīng)商以遙遙領(lǐng)先的市占率主宰了智能手機(jī)市場。 2016 年建廣資本 27.5 億美元收購 NXP 標(biāo)準(zhǔn)部門完成交割,，力圖填補(bǔ)國內(nèi)汽車,、工業(yè) IC 領(lǐng)域空白,。

　　2016 年功率 IC 市場份額

　?。?）功率二極管： 技術(shù)門檻較低， 國內(nèi)廠商具有競爭力

　　市場相對分散,， 國內(nèi)廠商具競爭力,，進(jìn)口替代空間大。 國際最大廠商是 Vishay,，占據(jù)11.71%市場份額,，而后第二至第七大廠商市場份額為 5%-8%，與第一相差無幾,，再在其后廠商市場份額不足 5%,，市場相對分散。其中國內(nèi)廠商揚(yáng)杰科技市場份額為 2.01%,。功率二極管技術(shù)成熟,、市場進(jìn)入門檻低， 注重的是生產(chǎn)過程的控制和成本的控制,。國內(nèi)廠商由于生產(chǎn)工藝控制精湛,、人力成本低具有一定競爭力，國產(chǎn)替代空間較大,。 根據(jù)工信部發(fā)布的中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒,， 自 2014 年后， 中國二極管及類似半導(dǎo)體器件出口數(shù)量持續(xù)超過進(jìn)口額,。

　　中國二極管及類似半導(dǎo)體器件進(jìn)出口情況（單位：百萬個）

　　國際大廠退出,，國內(nèi)具有價格優(yōu)勢。 功率二極管門檻低,、毛利小,，國際大廠逐漸退出功率二極管市場，全球功率二極管生產(chǎn)重心可望逐漸轉(zhuǎn)移至中國大陸與中國臺灣地區(qū),。由于大陸人工成本低,、政策扶持半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展，在低價位二極管（一半整流二極管,、快速整流二極管）上占據(jù)著優(yōu)勢,，而目前國產(chǎn)二極管領(lǐng)先企業(yè)揚(yáng)杰科技僅占據(jù)全球市場份額的 2.01%，未來有望持續(xù)替代進(jìn)口,，并搶占市場,。而臺灣二極管廠商以生產(chǎn)表面粘著型及其他高附加值產(chǎn)品為主，并朝著肖特基性,、突波抑制器,、靜電保護(hù)原件及晶閘管等領(lǐng)域發(fā)展,。

　　2015 年功率二極管龍頭、臺商與揚(yáng)杰科技市占率（單位：百萬美元）

　?。?）硅基 MOSFET&IGBT：國內(nèi)廠商迎頭趕上,，進(jìn)口替代正當(dāng)時

　　硅基 MOSFET： 國內(nèi)廠商潛力大，進(jìn)口替代正當(dāng)時,。國內(nèi)廠商主要集中在低壓 MOSFET領(lǐng)域,，中高壓 MOSFET 主要被國外廠商占據(jù)。據(jù) IHS,，國內(nèi)功率 MOSFET 市場主要廠商是英飛凌,， 2016 年市場份額達(dá) 28.5%，與位于第二的安森美半導(dǎo)體占據(jù)了國內(nèi)將近一半市場,。國內(nèi)廠商只有士蘭微和吉林華微上榜,，分別占據(jù)了 1.9%和 1.1%的市場份額，進(jìn)口替代的空間巨大,。

　　2016 年中國功率 MOSFET 主要廠商市場份額

　　資本助力,，向汽車電子等中高端市場邁進(jìn)。 2016 年,， 建廣資本以 27.5 億元收購恩智浦半導(dǎo)體（NXP Semiconductors）標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品業(yè)務(wù)部門,， 成立一家名為 Nexperia 的獨立公司。

　　Nexperia 承接了 NXP 中 MOSFET 所有業(yè)務(wù),，一躍成為 MOSFET 領(lǐng)域全球第十,、國內(nèi)第八（市場份額 3.8%）的廠商。 NXP 是工業(yè)與汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域大廠商,， 相比之下,，工業(yè)和汽車半導(dǎo)體一直是中國半導(dǎo)體企業(yè)的弱項，由于這個領(lǐng)域的產(chǎn)品門類多,、單量小,、售價高、迭代慢,，國內(nèi)企業(yè)很難進(jìn)入,。 Nexperia 的成立彌補(bǔ)了國內(nèi)廠商在這一領(lǐng)域的短板。此外,， 2016年建廣資本還與 NXP 成立合資公司瑞能半導(dǎo)體,，產(chǎn)品主要為二極管、雙極性晶體管,、可控硅整流器,， 以及收購 NXP RF Power 部門，成立安譜隆公司致力于射頻技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新與研發(fā)。

　　2016 年全球汽車半導(dǎo)體市場份額

　　Nexperia 有望成國內(nèi) MOSFET 新龍頭,。Nexperia 是世界一流標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的首選生產(chǎn)商,、供應(yīng)商， 專注于邏輯,、分立器件和 MOSFET 市場,，擁有恩智浦半導(dǎo)體的設(shè)計部門， 以及位于英國和德國的兩座晶圓制造工廠（一座 8 英寸廠,、一座 6 英寸廠）,、位于中國、馬來西亞,、菲律賓的三座封測廠和位于荷蘭的恩智浦工業(yè)技術(shù)設(shè)備中心。 每年量產(chǎn) 850 億個功率器件,，產(chǎn)品面向工業(yè)和汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域,，客戶數(shù)量超 2 萬家，2015 年在車用半導(dǎo)體市占率為 15%,，在物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵的微處理器領(lǐng)域,，市占率全球第 2。 2015 年 SP 業(yè)務(wù)部門收入約為 12.4 億美元,，稅前利潤超 2 億美元,。

　　Nexperia、華微電子營收（單位：億元）

　　硅基 IGBT： 海外廠商優(yōu)勢明顯,， CR4 高達(dá) 70.8%,。 據(jù) IHS， 2016 年,， 英飛凌,、 三菱電機(jī)、 富士電機(jī)(Fuji Electric),、 德國賽米控(SEMIKRON)四大海外供應(yīng)商占了全球 IGBT 市場的 70.8%,。盡管中國功率半導(dǎo)體市場占世界市場的 40%以上，但在 IGBT 主流器件上,， 90%主要依賴進(jìn)口,，目前僅在大功率軌道交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)化， 2016 年國廠嘉興斯達(dá),、中國中車市占率分別為 1.6/0.6%,。

　　2016 年 IGBT 全球供應(yīng)商市場份額

　　高壓 IGBT：技術(shù)突破， 中國中車立足高鐵用 IGBT,。 北車在 IGBT 模塊封裝上與 ABB技術(shù)合作,，建設(shè)高功率模塊生產(chǎn)線，成為國內(nèi)首家能夠封裝 6500V 大功率模塊及解決方案的提供商。南車則在海外收購 Dynex 公司建立 IGBT 芯片設(shè)計中心,，總投資 14 億元建設(shè)國內(nèi)首條八英寸 IGBT 芯片生產(chǎn)線,，除芯片外，還有 9 條滿足不同行業(yè)的 IGBT 模塊生產(chǎn)線,，預(yù)計完全投產(chǎn)后,，中車將年產(chǎn) 12 萬片 8 英寸 IGBT 芯片和 100 萬只 IGBT 模塊。

　　國內(nèi) IGBT 主要廠商營收（單位：百萬美元）

　　中高壓 IGBT：群雄逐鹿,，嘉興斯達(dá)技術(shù)領(lǐng)先,。 嘉興斯達(dá)已成功開發(fā)近 600 種 IGBT 模塊產(chǎn)品，電壓等級涵蓋 100V～3300V,，電流等級涵蓋 10A～3600A,，實現(xiàn)了 IGBT 模塊的產(chǎn)業(yè)化。 據(jù) IHS,， 2016 年嘉興斯達(dá)在 IGBT 模塊領(lǐng)域的市場占有率排全球第 11 位,，在國廠中排名首位， 是國內(nèi) IGBT 領(lǐng)先的廠家,。 上海先進(jìn)是國內(nèi)首家獲得歐洲汽車電子 VDA6.3(A 級)資質(zhì)的公司,，也是國內(nèi)最大的汽車電子芯片以及 IGBT 芯片制造商， 累計生產(chǎn) IGBT 芯片 70多萬片,。 華微電子已研發(fā)成功第六代 IGBT 產(chǎn)品,，士蘭微則已具備 IGBT 6 英寸產(chǎn)線投產(chǎn)能力，產(chǎn)能在 12000--15000 片/月,。

　　國內(nèi) IGBT 主要廠商

　　第三代半導(dǎo)體材料功率器件：國外技術(shù)領(lǐng)先,，國內(nèi)正起步

　　海外公司技術(shù)領(lǐng)先， 國內(nèi)起步時間晚,， 尚在追趕,。 SiC 關(guān)鍵技術(shù)由海外公司壟斷，從產(chǎn)業(yè)鏈來看,，上游部分,， CREE 公司獨占 SiC 晶元制造市場份額 60%以上；中游部分,，英飛凌,、 CREE、意法半導(dǎo)體和安森美等功率半導(dǎo)體領(lǐng)域國際排名前十的企業(yè)合計已在 SiC 功率器件市場占據(jù) 50%以上份額,。 相比于美國 CREE 公司于 2003 年推出 SiC 產(chǎn)品,， 國內(nèi)公司起步晚，技術(shù)相對落后,。直到 2015 年初,，泰科天潤才首次實現(xiàn)了碳化硅肖特基二極管的量產(chǎn),，目前國內(nèi) SiC 產(chǎn)業(yè)規(guī)模于國外相比尚有較大差距。

　　SiC 功率器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司

　　國家政策加碼,，戰(zhàn)略性項目部署,，著力彎道超車。 國家和各地方政府陸續(xù)推出政策發(fā)展第三代半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè),，福建,、廣東、江蘇,、北京,、青海等 27 個地區(qū)出臺第三代半導(dǎo)體相關(guān)政策(不包括 LED)近 30 條。 2016 年我國啟動了“十三五”國家重點研發(fā)計劃“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”重點專項的組織實施工作,，第三代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體照明作為重點專項中最重要的研究領(lǐng)域,，得到了國家層面的重點支持，以全鏈條部署,、一體化實施的組織模式部署了 11 個研究方向,，并在 2016 年和 2017 年分兩批啟動。

　　國內(nèi)投資熱潮持續(xù),，產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步完善。 2016 年全國公示的 SiC 半導(dǎo)體相關(guān)項目達(dá) 17項,，總投資金額近 178 億元,，共涉及投資主體企業(yè) 17 家。從投產(chǎn)時間來看,，絕大部分 SiC項目尚在建設(shè)中,，加上設(shè)備調(diào)試和技術(shù)磨合時間，預(yù)計投產(chǎn)時間將在 2018 年及以后,。從 SiC半導(dǎo)體投資的構(gòu)成來看,， SiC 材料（晶片+外延片）相關(guān)投資項目 7 個，投資額約 62.3 億元,，其中江西德義半導(dǎo)體科技有限公司投資規(guī)模為 30 億元,，占 48.2%。 SiC 裸片及分立器件相關(guān)項目 4 個,， 投資額約 66.6 億元,。 2017 年國內(nèi)投資擴(kuò)產(chǎn)熱度持續(xù)，項目共計 10 起,，總投資金額達(dá)到 700 億元,，其中投向 SiC 材料項目共 3 個， GaN 材料項目共 3 個,，其他以寬禁帶半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體名義投資的項目共 5 起,。

　　SiC 材料,、 器件齊發(fā)力，國內(nèi)競爭格局初顯,。 SiC 材料（SiC 單晶和外延片）是國內(nèi) SiC產(chǎn)業(yè)鏈中較為成熟的環(huán)節(jié),。天科合達(dá)、 世紀(jì)金光,、 山東天岳等廠商已經(jīng)實現(xiàn)了 SiC 單晶的商業(yè)化量產(chǎn),。瀚天天成、新鄉(xiāng)神舟科技,、 東莞天域等廠商已經(jīng)掌握了 SiC 外延片量產(chǎn)的核心技術(shù),。 在需求驅(qū)動下， 隨著資本投入和技術(shù)發(fā)展,， 國內(nèi)不斷涌現(xiàn)出掌握 SiC 器件核心技術(shù)的公司,。 泰科天潤擁有完整的碳化硅功率器件量產(chǎn)生產(chǎn)線可以進(jìn)行芯片代工服務(wù)； 2014 年實現(xiàn)了 600V-3300V/1A-100A 碳 化 硅 肖 特 基 二 級 管 量 產(chǎn) ,。 華 天 恒 芯 已 經(jīng) 具 備 量 產(chǎn)650V/1200V/1700V SiC 肖特基二極管的能力,。 嘉興思達(dá)、揚(yáng)杰科技,、三安光電等公司也在積極布局 SiC 功率器件,。