功率半導體市場及機會深度解析！

功率半導體器件是實現電能轉換的核心器件。主要用途包括逆變、變頻等。受惠於 5G 及電動車需求的顯著增長，我們對功率半導體的市場發展持樂觀看法。本文重點討論 IGBT/三代化合物半導體功率器件在技術推進和應用驅動下迎來新一輪發展機遇。

1.功率半導體市場需求大增

1.1. 功率半導體概述

功率半導體器件是實現電能轉換的核心器件，主要用途包括逆變、變頻等。功率半導體可以根據載流子類型分為雙極型功率半導體和單極型功率半導體。

雙極型功率半導體包括功率二極管、雙極結型晶體管（BJT）、電力晶體管（GTR）、晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。單極型功率半導體包括功率 MOSFET、肖特基勢壘功率二極管等。它們的工作電壓和工作頻率也有所不同。

功率半導體器件廣泛應用於消費電子、新能源交通、軌道交通、發電與配電等電力電子領域。受惠於 5G 及電動車需求的顯著增長，我們對功率半導體的市場發展持樂觀看法。

1.2. 功率半導體市場格局

國際廠商製造水準較高，已經形成了較高的專業壁壘。我們預計在 2022 年全球功率半導體市場規模將達426億美元。在 2015年全球功率半導體市場中，英飛凌以 12%的市場佔有率排名第一。歐美日廠商憑借其技術和品牌優勢，佔據了全球功率半導體器件市場的70%。

大陸、台灣地區主要集中在二極管、低壓 MOSFET 等低端功率器件市場，IGBT、中高壓 MOSFET等高端器件市場主要由歐美日廠商佔據。

我們看好功率半導體的國產代替空間。我國開展功率半導體的研究工作比較晚，且受到資金、技術及人才的限制，功率半導體產業整體呈現出數量偏少、企業規模偏小、技術水準偏低及產業布局分散的特點。原始創新問題成為阻礙國內功率半導體產業發展的重要因素。

國際功率半導體廠商尚未形成專利和標準的壟斷。相比國外廠商，國內廠商在服務客戶需求和降低成本等方面具有競爭優勢。我們認為，功率半導體的國產代替空間十分廣闊。

1.3. 汽車電子點燃功率半導體市場

新能源汽車為功率半導體帶來了極大的增長潛力。新能源汽車是指採用非常規車用燃料作為動力來源的汽車，如純電動車、插電式混合動力汽車。我們預計在 2020 年我國新能源汽車銷量將達 200 萬輛，同比增長 53.8%。新能源汽車新增大量功率半導體器件的應用。

2020 年全球汽車功率半導體市場規模將達70億美元。特斯拉 model S 車型使用的三相異步電機驅動，其中每一相的驅動控制都需要使用 28 顆 IGBT 芯片，三相共需要使用 84 顆 IGBT 芯片。

我國財政部、稅務總局聯合發布了公告：自 2018 年 1 月 1 日起至 2020 年 12 月 31 日，對購置的新能源汽車免征車輛購置稅，鼓勵用戶購買新能源汽車。我們認為政策紅利將全面帶動市場對功率半導體的需求。

2. IGBT——矽基功率半導體核心

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和 MOS（絕緣柵型場效應管）組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件。IGBT 可以實現直流電和交流電之間的轉化或者改變電流的頻率，有逆變和變頻的作用。

在結構方面，IGBT 比 MOSFET 多一層 P+區，通過 P 層空穴的注入能夠降低器件的導通電阻。隨著電壓的增大，MOSFET 的導通電阻也變大，因而其傳導損耗比較大，尤其是在高壓應用場合中。相較而言，IGBT 的導通電阻較小。

IGBT 多應用於高壓領域，MOSFET 主要應用在高頻領域。從產品來看，IGBT 一般應用在高壓產品上，電壓範圍為 600-6500V。MOSFET 的應用電壓相對較低，從十幾伏到 1000V。但是，IGBT 的工作頻率比 MOSFET 低許多。MOSFET 的工作頻率可以達到 1MHz 以上，甚至幾十 MHz，而 IGBT 的工作頻率僅有 100KHz。IGBT 集中應用在逆變器、變頻器等高壓產品。而 MOSFET 主要應用在鎮流器、高頻感應加熱等高頻產品。

2.1. IGBT 市場格局

全球 IGBT 市場主要競爭者包括德國英飛凌、日本三菱、富士電機、美國安森美、瑞士 ABB 等，前五大企業的市場份額超過 70%。我們預計在 2022 年全球 IGBT 市場規模將達 60 億美元，增量空間巨大。國外廠商已研發出完善的 IGBT 產品系列。

其中，仙童等企業在消費級 IGBT 領域處於優勢地位。ABB、英飛凌和三菱電機在 1700V 以上的工業級 IGBT 領域佔據優勢。在 3300V 以上電壓等級的領域，英飛凌、ABB 和三菱電機三家公司居壟斷地位，代表著國際 IGBT 技術的最高水準。

國產追趕仍需時間。中國功率半導體市場佔世界功率半導體市場份額的50%以上，但在中高端 MOSFET 及 IGBT器件中，90%依賴於進口。

2.2. IGBT 應用廣泛，新能源車是重要下遊增長引擎

按電壓分布來看，消費電子領域運用的 IGBT 產品主要在 600V 以下，如數位相機閃光燈等。1200V 以上的 IGBT 多用於電力設備、汽車電子、高鐵及動車中。動車組常用的 IGBT 模塊為 3300V 和 6500V。智能電網使用的 IGBT 通常為 3300V。

2.2.1. 新能源汽車

電機控制系統和充電樁是車用 IGBT 的主要增長點。電力驅動系統將電能轉換為機械能，驅動電動汽車行駛，是控制電動汽車最關鍵的部分。IGBT 在電力驅動系統中屬於逆變器模塊，將動力電池的直流電逆變成交流電提供給驅動電動機。IGBT 約佔新能源汽車電機驅動系統及車載充電系統成本的 40%，折合到整車上約佔總成本的 7~10%，其性能直接決定了整車的能源利用率。

汽車半導體行業的認證周期長，標準非常嚴苛。一方面，汽車的大眾消費屬性使得它對 IGBT 的壽命要求比較高。另一方面，汽車面臨著更為複雜的工況，需要頻繁啟停、爬坡涉水、經歷不同路況和環境溫度等，對 IGBT 是極為嚴苛的考驗。

2.2.2. 軌道交通

在高鐵短時間內將時速從零提升到 300 公里的過程中，需要通過 IGBT 來確保牽引變流器及其他電動設備所需要的電流、電壓精準可靠。IGBT 在軌道交通領域已經實現了全面的國產化。

2.2.3. 智能電網

IGBT 廣泛應用於智能電網的發電端、輸電端、變電端及用電端。從發電端來看，風力發電、光伏發電中的整流器和逆變器都需要使用 IGBT 模塊。從輸電端來看，特高壓直流輸電中 FACTS 柔性輸電技術需要大量使用 IGBT 功率器件。從變電端來看，IGBT 是電力電子變壓的關鍵器件。從用電端來看，家用 LED 照明等都對 IGBT 有大量的需求。

3. 第三代化合物半導體前景廣闊

3.1. SiC——高壓器件領域的破局者

SiC 是第三代半導體材料的代表。以矽而言，目前 Si MOSFET 應用多在 1000V 以下，約在 600~900V 之間，若超過 1000V，其芯片尺寸會很大，切換損耗、寄生電容也會上升。SiC 器件相對於 Si 器件的優勢之處在於，降低能量損耗、更易實現小型化和更耐高溫。SiC 功率器件的損耗是 Si 器件的 50%左右。SiC 主要用於實現電動車逆變器等驅動系統的小量輕化。

英飛凌和科銳佔據了全球 SiC 市場的 70%。羅姆公司在本田的 Clarity 上搭載了 SiC 功率器件， Clarity是世界首次用Full SiC驅動的燃料電動車，由於具有高溫下動作和低損耗等特點，可以縮小用於冷卻的散熱片，擴大內部空間。豐田的燃料車 MIRAI 可以坐 4 個人，本田的 Clarity 實現了 5 人座。

2017 年全球 SiC 功率半導體市場總額達 3.99 億美元。預計到 2023 年市場總額將達 16.44 億美元，年複合增長率 26.6%。從應用來看，混合動力和純電動汽車的增長率最高，達 81.4%。從產品來看，SiC JFETs 的增長率最高，達 38.9%。其次為全 SiC 功率模塊，增長率達 31.7%。

政策支持力度大幅提升，推動第三代半導體產業彎道超車。國家和各地方政府持續推出政策和產業扶持基金支持第三代半導體發展。2018 年 7 月國內首個《第三代半導體電力電子技術路線圖》正式發布，提出了中國第三代半導體電力電子技術的發展路徑及產業建設。福建省更是投入 500 億，成立專門的安芯基金來建設第三代半導體產業集群。

3.2. GaN——應用場景增多，迎來發展機遇

由於 GaN 的禁帶寬度較大，利用 GaN 可以獲得更大帶寬、更大放大器增益、尺寸更小的半導體器件。GaN器件可以分為射頻器件和電力電子器件。GaN的射頻器件包括PA、 MIMO 等面向基地台衛星、雷達市場。電力電子器件產品包括 SBD、FET 等面向無線充電、電源開關等市場。

英飛凌、安森美和意法半導體是全球 GaN 市場的行業巨頭。我們預計到 2026 年全球 GaN功率器件市場規模將達到4.4 億美元，複合年增長率 29.4％。近年來越來越多的公司加入 GaN 的產業鏈。如初創公司 EPC、GaN System、Transphorm 等。它們大多選擇台積電或 X-FAB 為代工夥伴。行業巨頭如英飛凌、安森美和意法半導體等則採用 IDM 模式。

3.3. SiC VS GaN——各有擅長，應用驅動

3.3.1. 基本特性

SiC 適合高壓領域，GaN 更適用於低壓及高頻領域。較大的禁帶寬度使得器件的導通電阻減小。較高的飽和遷移速度使得 SiC、GaN 都可以獲得速度更快、體積更小的功率半導體器件。但二者一個重要的區別就是熱導率，這使得在高功率應用中，SiC 居統治地位。而 GaN 因為擁有更高的電子遷移率，能夠獲得更高的開關速度，在高頻領域，GaN 具備優勢。SiC 適合 1200V 以上的高壓領域，而 GaN 更適用於 40-1200V 的高頻領域。

目前商業化 SiC MOSFET 的最高工作電壓為 1700V，工作溫度為 100-160℃，電流在 65A 以下。SiC MOSFET 現在主要的產品有 650V、900V、1200V 和 1700V。在 2018 年國際主要廠商推出的 SiC 新產品中，Cree 推出的新型 E 系列 SiC MOSFET 是目前業內唯一通過汽車 AEC-Q101 認證，符合 PPAP 要求的 SiC MOSFET。

目前商業化 GaN HEMT 的最高工作電壓為 650V，工作溫度為 25℃，電流在 120A 以下。GaN HEMT 現在主要的產品有 100V、600V 和 650V。在 2018 年國際主要廠商推出的 GaN 新產品中，GaN Systems 的 GaN E-HEMT 系列產品實現了業內最高的電流等級，同時將系統的功率密度從 20kW 提高到了 500kW。而 EPC 生產的 GaN HEMT 是其首款獲得汽車 AEC-Q101 認證的 GaN 產品。其體積遠小於傳統的 Si MOSFET，且開關速度是 Si MOSFET 的10-100 倍。

目前商業化 SiC 功率模塊的最高工作電壓為 3300V。2018 年 1 月，三菱電機開發的全 SiC 功率模塊通過 SiC MOSFET 和 SIC SBD 一體化設計，實現了業內最高的功率密度（9.3kVA/cm3）。

目前商業化 GaN 功率放大器的最高工作頻率為 31GHz。在 2018 年 MACOM、Cree 等企業陸續推出 GaN MMIC PA 模塊化功率產品，面向基地台、雷達等應用市場。

3.3.2. 應用場景

SiC 主要應用在光伏逆變器（PV）、儲能/電池充電、不間斷電源（UPS）、開關電源（SMPS）、工業驅動器及醫療等市場。SiC 可以用於實現電動車逆變器等驅動系統的小量輕化。

手機快速充電佔據功率 GaN 市場的最大份額。GaN 應用於充電器時可以有效縮小產品的尺寸。目前市面上的 GaN 充電器支持 USB 快充，以 27W、30W 和 45W 功率居多。領先的智能手機制造商 Apple 也考慮將 GaN 技術作為其無線充電解決方案，這有可能帶來 GaN 功率器件市場的殺手級應用。

5G 應用臨近，RF GaN 市場快速發展。5G 主要部署的頻段是用於廣域覆蓋的 sub-6-GHz 和用於機場等高密度區域的 20GHz 以上頻帶。要想滿足 5G 對於更高數據傳輸速率和低延遲的要求，需要 GaN 技術來實現更高的目標頻率。高輸出功率、線性度和功耗要求也推動了基地台部署的 PA 從 LDMOS 轉換為 GaN。另外，在 5G 的關鍵技術 Massive MIMO 中，基站收發信機上使用了大量的陣列天線，這種結構需要相應的射頻收發單元，因此射頻器件的使用數量將明顯增加。利用 GaN 的小尺寸和功率密度高的特點可以實現高度集成化的產品解決方案，如模塊化射頻前端器件。

4. 功率半導體市場供需及增量空間測算

我們根據功率半導體的單車價值量和全球新能源汽車的銷量來推導新能源汽車所帶來的功率半導體的市場需求。

IGBT 是新能源汽車電機控制系統的核心器件。特斯拉 Model S 車型使用的三相異步電機驅動，其中每一相都需要使用 28 顆 IGBT 芯片，三相共需要使用 84 顆 IGBT 芯片。每顆的價格大約在 4~5 美元。我們預計 IGBT 的單車價值量大約在 420 美元左右。根據全球新能源汽車的銷量能夠推導出新能源汽車所帶來的 IGBT 市場需求。

SiC 主要用於實現新能源汽車逆變器等驅動系統的小量輕化。2018 年，特斯拉 Model 3 的逆變器採用了意法半導體制造的SiC MOSFET，每個逆變器包括了48個SiC MOSFET。Model 3 的車身比 Model S 減小了 20%。每個 SiC MOSFET 的價格大約在 50 美元左右。我們判斷SiC 的單車價值量大約在 2500 美元左右。

GaN 技術在汽車中的應用才剛剛開始發展。EPC 生產的 GaN HEMT 是其首款獲得汽車 AEC-Q101 認證的 GaN 產品。GaN 技術可以提升效率、縮小尺寸及降低系統成本。這些良好的性能使得 GaN 的汽車應用來日可期。

我們通過測算 IGBT/SiC 的新能源汽車市場供需量推測其增量空間。受惠於新能源汽車需求的顯著增長，我們認為 IGBT 的增量空間巨大。SiC 市場可能會出現供不應求的情況。高成本是限制各國際廠商擴大 SiC 產能的重要因素。

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