功率半導(dǎo)體簡介

功率半導(dǎo)體器件(Power Semiconductor Device)是電力電子裝置實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換和管理等，兼具節(jié)能功效。功率半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊、消費(fèi)電子、電動(dòng)車、軌道交通、工業(yè)控制、發(fā)電與配電等電力電子領(lǐng)域。

概括來說，功率半導(dǎo)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(guān)斷晶閘管)、MOSFET(電力場效應(yīng)晶體管)。

圖表1 各類功率半導(dǎo)體對比分析圖(來源：ittbank)

倘若遇到以其他分類出現(xiàn)的功率半導(dǎo)體，你還認(rèn)識嗎?

按照驅(qū)動(dòng)電路信號性質(zhì)劃分：1、電壓驅(qū)動(dòng)型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管);2、電流驅(qū)動(dòng)型器件，例如晶閘管、GTO、GTR。

按照驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)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(fù)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(jié)一下，Power Diode(功率二極管)、SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)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(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、BSIT(雙極型靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)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(qiáng)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(dǎo)體。不同功率半導(dǎo)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(shí)際使用中，需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景、不同需求來選用最適合的器件。

功率半導(dǎo)體市場

2019年，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)應(yīng)用的遍地開花，在基站、移動(dòng)通訊、新能源電動(dòng)車、軌道交通、光伏、風(fēng)電等應(yīng)用領(lǐng)域功率半導(dǎo)體器件需求持續(xù)增長。目前全球的功率半導(dǎo)體器件70%以上的市場份額由歐美日牢牢占據(jù)，憑借的是其先進(jìn)的技術(shù)、成熟的生產(chǎn)制造工藝和領(lǐng)先的品管體系。例如英飛凌、達(dá)爾、意法半導(dǎo)體、賽米控、瑞薩、東芝、富士電機(jī)、羅姆等知名企業(yè)。

中國作為制造業(yè)大國，功率半導(dǎo)體器件在通訊、工業(yè)、消費(fèi)、交通、軍事、電力、航空等領(lǐng)域必不可少，屬于核心器件。當(dāng)前我國制造業(yè)“大國”轉(zhuǎn)型“強(qiáng)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(chǎn)業(yè)鏈等多個(gè)維度對國產(chǎn)功率器件企業(yè)給予了大力支持。

中國是功率半導(dǎo)體器件需求最大的市場，國產(chǎn)替代機(jī)會(huì)巨大，國產(chǎn)替代率的逐年上升也是順應(yīng)趨勢。其中國產(chǎn)品牌吉林華微、士蘭微、揚(yáng)杰、嘉興斯達(dá)、中國中車、比亞迪、捷捷微電等在細(xì)分領(lǐng)域已經(jīng)很有名氣。

拍明芯城也看好這個(gè)市場，迄今所服務(wù)的中小微客戶中，有近50%客戶在功率半導(dǎo)體輻射的應(yīng)用領(lǐng)域，我們致力于成為國內(nèi)原廠的優(yōu)質(zhì)合作伙伴，幫助原廠線上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用案例、規(guī)格書、選型替代表等數(shù)據(jù)的共享，對于申請樣品或技術(shù)支持的客戶，原廠又可以完全了解客戶信息和產(chǎn)品項(xiàng)目信息及進(jìn)展。拍明芯城能真正實(shí)現(xiàn)與原廠資源和數(shù)據(jù)共享，共同為客戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，同時(shí)客戶也能在平臺(tái)找到更優(yōu)質(zhì)的方案、買到物美價(jià)廉的產(chǎn)品并獲得原廠直接的技術(shù)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(jìn)高效溝通，提高客戶需求的及時(shí)響應(yīng)。

綜合Yole、IHS、Gartner多家分析機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，功率半導(dǎo)體器件在2017年的全球市場規(guī)模為181.5億美元，2018年達(dá)到187.6億美元。其中，中國功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模約為全球的40%;并預(yù)估2023年全球功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模有望達(dá)到221.5億美元規(guī)模，年復(fù)合增長率為3.38%。

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

注：中國大陸市場規(guī)模按當(dāng)年匯率換算成美元

功率半導(dǎo)體應(yīng)用

一、工業(yè)領(lǐng)域

功率半導(dǎo)體器件在占比最大的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，如數(shù)控機(jī)床的伺服電機(jī)、軋鋼機(jī)和礦山牽引、大型鼓風(fēng)機(jī)、發(fā)電系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)電力電子變頻調(diào)速功能均有采用。

從ABI Research和中商產(chǎn)業(yè)研究院的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，2017年全球工業(yè)半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá)490億美元，其中功率半導(dǎo)體器件規(guī)模大約為98億美元，占比達(dá)到20%，并以8.6%的年復(fù)合增長率繼續(xù)成長，預(yù)計(jì)到2020年，全球工業(yè)功率半導(dǎo)體市場規(guī)模有望達(dá)到125億美元。

不僅如此，功率半導(dǎo)體在工業(yè)領(lǐng)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(lǐng)域半導(dǎo)體整體市場及其功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模分析(來源：ABI Research、中商產(chǎn)業(yè)研究院，單位：億美元)

二、光伏、風(fēng)電領(lǐng)域

光伏、風(fēng)電行業(yè)已經(jīng)成為電力行業(yè)的重要補(bǔ)充，部分國家，如丹麥，40%的電力由風(fēng)電供應(yīng)，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(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)、CWEA統(tǒng)計(jì)，2017年全球風(fēng)電新增裝機(jī)量為59.4GW，光伏新增裝機(jī)量約為80GW，合計(jì)帶動(dòng)功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模約為16.6億美元。

中國產(chǎn)業(yè)信息研究院推斷，預(yù)計(jì)2020年全球光伏與風(fēng)電市場將帶動(dòng)功率模塊27.54億美元。其中IGBT模塊市場占比達(dá)到74%，約為20億美元。

圖表4 2015-2020年全球、中國大陸光伏、風(fēng)電市場分析(來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)、CWEA)

三、汽車領(lǐng)域

近年來，最受關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槠囆袠I(yè)，正在經(jīng)歷汽車發(fā)展史上最快的電子化轉(zhuǎn)型期，搭載電機(jī)、電池、電控的新能源汽車在汽車總產(chǎn)量中的占比由2014年的0.39%增長至2017年的1.26%，預(yù)計(jì)2020年占比有望達(dá)到4.65%。

2018年1~8月，中國大陸新能源汽車產(chǎn)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(dá)87%。

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

結(jié)合英飛凌、中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)得知，2017年全球汽車半導(dǎo)體市場規(guī)模約為347.69億美元，并以3.3%的年復(fù)合增長率增長，預(yù)計(jì)到2020年，全球汽車半導(dǎo)體市場規(guī)?？蓴U(kuò)大到383億美元。

與此同時(shí)，功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模也達(dá)到了58億美元，并以6.4%的增速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2020年達(dá)到70億美元。功率半導(dǎo)體器件的增長速度幾乎是汽車半導(dǎo)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(dǎo)體、功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模分析(來源：英飛凌、中商產(chǎn)業(yè)研究院、中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì))

四、充電樁領(lǐng)域

充電樁是與新能源汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的一大應(yīng)用領(lǐng)域，也是IGBT或MOSFET重要應(yīng)用高地。

現(xiàn)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(gè)或8個(gè)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(dá)充電樁總成本的20-30%;只是當(dāng)下基于充電樁功率、工作頻率、電壓、電流、性價(jià)比等綜合因素考量，MOSFET暫時(shí)成為充電樁的主流應(yīng)用功率半導(dǎo)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(yù)計(jì)未來其將在充電樁領(lǐng)域獲得快速發(fā)展。

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

據(jù)信息產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2018年4月，中國大陸在運(yùn)營公共充電樁約為262058臺(tái)，同比增長62.5%;其中交流充電樁114472臺(tái)、直流充電樁81492臺(tái)、交直流一體充電樁66094臺(tái);另外還投建有281847臺(tái)私人充電樁，同時(shí)國家政策也在向私人充電樁傾斜，預(yù)測2020年，私人充電樁累計(jì)建設(shè)規(guī)模有望達(dá)到400萬臺(tái)。

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

目前公共充電樁制造成本約為3萬元/臺(tái)、私人充電樁約為5000元/臺(tái)，若以每臺(tái)充電樁中功率半導(dǎo)體器件成本占比為25%計(jì)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(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，2016年中國大陸因整頓新能源車企造假問題，充電樁產(chǎn)量增量大幅下滑，該年充電樁功率半導(dǎo)體器件市場增速為-56.9%，但進(jìn)入2017年后，并預(yù)計(jì)到2020年，年增速不低于61%。

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

五、通信領(lǐng)域

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

中國產(chǎn)業(yè)信息研究院統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年全球路由器、無線路由器、交換機(jī)、光端機(jī)、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(jié)構(gòu)分析(來源：中國信息產(chǎn)業(yè)研究院，單位：億美元)

注：本圖表不含通信衛(wèi)星領(lǐng)域市場規(guī)模

以2017年通信領(lǐng)域功率半導(dǎo)體器件占整體15%的比例計(jì)算，2017-2020年通信領(lǐng)域功率半導(dǎo)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(huì)成為通信設(shè)備功率半導(dǎo)體器件用量增加的最大變動(dòng)因素。

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

六、消費(fèi)領(lǐng)域

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

另外，新興的無線充電等科技產(chǎn)品雖然比較分散，但數(shù)量也比較可觀，由此也是功率半導(dǎo)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(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域(來源：百度文庫)

根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2017年消費(fèi)類電子行業(yè)功率半導(dǎo)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(yù)計(jì)到2020年，全球消費(fèi)類電子行業(yè)功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模將達(dá)到23億美元。

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