功率半導(dǎo)體歐美日三足鼎立,國(guó)產(chǎn)替代正當(dāng)時(shí)

功率半導(dǎo)體是電子裝臵電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，本質(zhì)上，是通過(guò)利用半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)和電力轉(zhuǎn)換的功能。無(wú)論是水電、核電、火電還是風(fēng)電，甚至各種電池提供的化學(xué)電能，大部分均無(wú)法直接使用，75%以上的電能應(yīng)用需由功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行功率變換以后才能供設(shè)備使用。

模擬 IC 中的電源管理 IC 與分立器件中的功率器件功能相似，二者經(jīng)常集成在一顆芯片中，因此功率半導(dǎo)體包括功率 IC 和功率器件。功率半導(dǎo)體的具體用途是變頻、變相、變壓、逆變、整流、增幅、開(kāi)關(guān)等，相關(guān)產(chǎn)品具有節(jié)能的作用，被廣泛應(yīng)用于汽車、通信、消費(fèi)電子和工業(yè)領(lǐng)域。在汽車中，汽車蓄電池的輸入電壓在 12V-36V，而民用電電壓為 220V，將民用電電壓轉(zhuǎn)換至輸入電壓的過(guò)程叫做變壓。蓄電池的輸入電流一般是直流電，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過(guò)程叫做整流。汽車運(yùn)行時(shí)，蓄電池持續(xù)輸出直流電，而汽車的各個(gè)模塊需要使用交流電，交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過(guò)程叫做逆變。汽車蓄電池輸出的電壓很低，無(wú)法滿足各個(gè)模塊的需求，將低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓的過(guò)程叫做增幅。電動(dòng)汽車的馬達(dá)使用的電流是三相電。首先，蓄電池輸出的直流電經(jīng)過(guò)逆變后成為單向交流電，將單向交流電變?yōu)槿嚯姷倪^(guò)程叫做變相。

功率半導(dǎo)體分類

功率半導(dǎo)體主要分為功率器件、功率 IC。其中功率器件經(jīng)歷了近 70 年的發(fā)展歷程：20 世紀(jì) 40 年代，功率器件以二極管為主，主要產(chǎn)品是肖特基二極管、快恢復(fù)二極管等；晶閘管出現(xiàn)于 1958 年，興盛于六七十年代；近 20 年來(lái)各個(gè)領(lǐng)域?qū)β势骷碾妷汉皖l率要求越來(lái)越嚴(yán)格，MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流，多個(gè) IGBT可以集成為 IPM 模塊，用于大電流和大電壓的環(huán)境。功率 IC 是由功率半導(dǎo)體與驅(qū)動(dòng)電路、電源管理芯片等集成而來(lái)的模塊，主要應(yīng)用在小電流和低電壓的環(huán)境。根據(jù)可控性分類

根據(jù)功率半導(dǎo)體的可控性可以將功率半導(dǎo)體分為三類：

第一類是不可控型功率器件，主要是功率二極管。功率二極管一般為兩端器件，其中一端為陰極，另一端為陽(yáng)極，二極管的開(kāi)關(guān)操作完全取決于施加在陰極和陽(yáng)極的電壓，正向?qū)?，反向阻斷，電流的方向也是單向的，只能正向通過(guò)。二極管的開(kāi)通和關(guān)斷都不能通過(guò)器件本身進(jìn)行控制，因此將這類器件稱為不可控器件。

第二類是半控型功率器件，半控型器件主要是晶閘管（SCR）及其派生器件，如雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等。這類器件一般是三段器件，除陽(yáng)極和陰極外，還增加了一個(gè)控制用門(mén)極。半控型器件也具有單向?qū)щ娦裕溟_(kāi)通不僅需在陽(yáng)極和陰極間施加正向電壓，還必須在門(mén)極和陰極間輸入正向可控功率。這類器件一旦開(kāi)通就無(wú)法通過(guò)門(mén)極控制關(guān)斷，只能從外部改變加在陽(yáng)、陰極間的電壓極性或強(qiáng)制陽(yáng)極電流變?yōu)榱?。這類器件的開(kāi)通可控而關(guān)斷不可控，因此被稱之為半控型器件。

第三類是是全控型器件，以 IGBT 和 MOSFET 等器件為主。這類器件也是帶有控制端的三端器件，其控制端不僅可以控制開(kāi)通，也能控制關(guān)斷，因此稱之為全控型器件。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式分類

根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式的不同，我們將功率半導(dǎo)體分為三類，第一類是電流驅(qū)動(dòng)型，第二類是電壓驅(qū)動(dòng)型，第三類是光驅(qū)動(dòng)型。

電流驅(qū)動(dòng)型器件有 SCR、BJT、GTO 等，這類器件必須有足夠的驅(qū)動(dòng)電流才能使器件導(dǎo)通或者關(guān)斷，本質(zhì)上是通過(guò)極電流來(lái)控制器件。GTO 和 SCR 一般通過(guò)脈沖電流控制，BJT 則需要通過(guò)持續(xù)的電流控制。

電壓控制型電路主要是 IGBT 和 MOSFET 等，這類器件的導(dǎo)通和關(guān)斷只需要一定的電壓和很小的驅(qū)動(dòng)電流，因此器件的驅(qū)動(dòng)功率很小，驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單。

光控型器件一般是專門(mén)制造的功率半導(dǎo)體器件，如光控晶閘管。這類器件的開(kāi)關(guān)行為通過(guò)光纖和專用光發(fā)射器來(lái)控制，不依賴電流或者電壓驅(qū)動(dòng)。

1.二極管：最簡(jiǎn)單的功率器件

二極管是最簡(jiǎn)單的功率器件，由 P 極和 N 極形成 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)，電流只能從 P極流向 N 極。二極管由電流驅(qū)動(dòng)，無(wú)法自主控制通斷，電流單向只能通過(guò)。二極管的作用有整流電路、檢波電路、穩(wěn)壓電路和各種調(diào)制電路。二極管承受的電壓和電流較低（鍺管導(dǎo)通電壓為 0.3V，硅管為 0.7V），電流一般不超過(guò)幾十毫安，電壓和電流過(guò)高會(huì)導(dǎo)致二極管被擊穿。常見(jiàn)的二極管有肖特基二極管、快恢復(fù)二極管、TVS 二極管等。

二極管應(yīng)用：二極管是最簡(jiǎn)單的功率器件，由于二極管具有單向?qū)щ姷奶匦裕ǔＳ糜诜€(wěn)壓電路、整流電路、檢波電路等。齊納二極管通常用于穩(wěn)壓電路，在達(dá)到反向擊穿電壓前，齊納二極管的電阻非常高。達(dá)到反向擊穿電壓時(shí)，反向電阻降低，在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓保持恒定。TVS 二極管常用于電路保護(hù)，TVS管的響應(yīng)速度很高，當(dāng) TVS 管兩端經(jīng)受瞬間高能量沖擊時(shí)，TVS 能以極高的速度將高阻抗降為低阻抗，從而吸收大電流，保護(hù)電路。

二極管市場(chǎng)規(guī)模：整流器由二極管與一些金屬堆疊而成，二者在功能上相似，因此將二極管和整流器合并研究。根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，2016 年全球二極管及整流器市場(chǎng)規(guī)模為 33.43 億美元，其中整流器市場(chǎng)規(guī)模為 27.58 億美元，占比為 82.50%。

2.MOSFET：高頻開(kāi)關(guān)，功率器件最大市場(chǎng)

金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可廣泛運(yùn)用于數(shù)字電路和模擬電路。MOSFET 由 P 極、N 極、G 柵極、S 源極和 D 漏級(jí)組成。金屬柵極與 N 極、P 極之間有一層二氧化硅絕緣層，電阻非常高。不斷增加 G 與 S 間的電壓至一定程度，絕緣層電阻減小，形成導(dǎo)電溝道，從而控制漏極電流。因此 MOSFET 是通過(guò)電壓來(lái)控制導(dǎo)通，在 G 與 S 間施加一定電壓即可導(dǎo)通，不施加電壓則關(guān)斷，器件通斷完全可控。MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度很高，通常在幾十納秒至幾百納秒，開(kāi)關(guān)損耗很小，通常用于開(kāi)關(guān)電源，缺點(diǎn)是在高壓環(huán)境下壓降很高，隨著電壓上升電阻變大，傳導(dǎo)損耗很高。MOSFET 的導(dǎo)通與阻斷都由電壓控制，電流可以雙向通過(guò)。

MOSFET工作原理：MOSFET 本質(zhì)上是一個(gè)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷完全可控。通過(guò)脈寬調(diào)制，MOSFET 可以完成變頻等功能。假設(shè)一個(gè)器件前 1 秒輸入電壓為 100V，后 1 秒 MOSFET 關(guān)斷，這 2 秒內(nèi)相當(dāng)于持續(xù)輸入 50V 的等效電壓，這就是脈寬調(diào)制的原理。通過(guò)控制 MOSFET 導(dǎo)通關(guān)斷可以改變電壓和頻率。

MOSFET 是功率器件最大市場(chǎng)。MOSFET 在功率器件中占比最高，2018 年全球 MOSFET 市場(chǎng)規(guī)模為 59.61 億美元，占功率器件市場(chǎng)的 39.78%。MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)在于穩(wěn)定性好，適用于 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源、DC/DC 轉(zhuǎn)換器，因此 MOSFET 通常用于計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車和工業(yè)等領(lǐng)域。Yole 預(yù)測(cè)到 2022 年 MOSFET下游應(yīng)用中，汽車占比為 22%，計(jì)算機(jī)及存儲(chǔ)占比為 19%，工業(yè)占比為 14%。

3.IGBT：電力電子行業(yè)“CPU”

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(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合式半導(dǎo)體。IGBT 兼具 MOS 和 BJT 的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)通原理與 MOSFET 類似，都是通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)通。IGBT 在克服了 MOSFET 缺點(diǎn)，擁有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)，在高壓環(huán)境下傳導(dǎo)損耗較小。IGBT 是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心，廣泛應(yīng)用與逆變器、變頻器等，在 UPS、開(kāi)關(guān)電源、電車、交流電機(jī)等領(lǐng)域，逐步替GTO、GTR 等產(chǎn)品。IGBT 的應(yīng)用范圍一般都在耐壓 600V 以上，電流 10A 以上，頻率 1KHz 以上的區(qū)域。IGBT 固有結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其作為高頻開(kāi)關(guān)時(shí)損耗較大，IGBT 工作頻率通常為 40-50KHz。IGBT 的導(dǎo)通與阻斷都受電壓控制，可以雙向?qū)ā?/p>

IGBT 應(yīng)用：IGBT 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，小到家電、數(shù)碼產(chǎn)品，大到航空航天、高鐵等領(lǐng)域，新能源汽車、智能電網(wǎng)等新興應(yīng)用也會(huì)大量使用 IGBT。按電壓需求分類，消費(fèi)類電子應(yīng)用的 IGBT 電壓通常在 600V 以下，太陽(yáng)能逆變器需要1200V 的低損耗 IGBT，動(dòng)車使用的 IGBT 電壓在 1700V 至 6500V 之間，智能電網(wǎng)應(yīng)用的 IGBT 通常為 3300V。

IGBT分為 IGBT 芯片和 IGBT模塊，其中 IGBT模塊是由 IGBT 芯片封裝而來(lái)，具有參數(shù)優(yōu)秀、最高電壓高、引線電感小的特點(diǎn)，是 IGBT 最常見(jiàn)的應(yīng)用形式，IGBT模塊常用于大電流和大電壓環(huán)境。根據(jù) ASMC 的數(shù)據(jù)，2018 年全球 IGBT 芯片市場(chǎng)規(guī)模為 11.36 億美元，IGBT 模塊市場(chǎng)規(guī)模為 37.61 億美元，總計(jì) 48.97 億美元，占功率器件市場(chǎng)的 32.68%。

4.功率 IC：功率器件與其他元器件集成，用于小電流環(huán)境

功率 IC 通常由功率器件、電源管理芯片和驅(qū)動(dòng)電路集成而來(lái)，能承受的電流比較小，能承受大電流的模塊一般是 IGBT 集成形成的 IPM 模塊。功率 IC 可以分為以下五大類：線性穩(wěn)壓、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、 電壓基準(zhǔn)、開(kāi)關(guān) IC 和其他功率 IC。

線性穩(wěn)壓器：傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器、LDO 穩(wěn)壓器；

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器：AC-DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、DC-DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、隔離開(kāi)關(guān)控制器、非隔離開(kāi)關(guān)控制器；

開(kāi)關(guān) IC：電壓監(jiān)控器、定序器、開(kāi)關(guān)、熱插拔控制器、以太網(wǎng)電源控制器；電壓基準(zhǔn)：緩沖放大器、交流放大器；

其他功率管理 IC：以太網(wǎng)供電控制器、功率因數(shù)校正控制器、多通道電源管理 IC、多芯片功率級(jí)、單芯片功率級(jí)、熱插拔控制器和其他電源管理 IC。

新興應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)持續(xù)向好

功率半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2017 年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為 327 億美元，預(yù)計(jì)到 2022 年達(dá)到 426 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率為 5.43%。其中，工業(yè)、汽車、無(wú)線通訊和消費(fèi)電子是功率半導(dǎo)體的前四大終端市場(chǎng)。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2017 年工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)占全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的 34%，汽車領(lǐng)域占比為 23%，消費(fèi)電子占比為 20%，無(wú)線通訊占比為 23%。隨著對(duì)節(jié)能減排的需求日益迫切，功率半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域和 4C 領(lǐng)域逐步進(jìn)入新能源、智能電網(wǎng)、軌道交通、變頻家電等市場(chǎng)。

受益于工業(yè)、電網(wǎng)、新能源汽車和消費(fèi)電子領(lǐng)域新興應(yīng)用不斷出現(xiàn)，功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)。根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2017 年全球功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)規(guī)模 為 144.01 億美元，預(yù)計(jì)到 2022 年功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 174.88 億美元， 復(fù)合增長(zhǎng)率為 3.96%。

工業(yè)領(lǐng)域是功率半導(dǎo)體最大的市場(chǎng)，數(shù)控機(jī)床、牽引機(jī)等電機(jī)對(duì)功率半導(dǎo)體需求很大，主要使用的功率半導(dǎo)體是 IGBT。隨著《中國(guó)制造 2025》和“工業(yè) 4.0”不斷推進(jìn)，工業(yè)的生產(chǎn)制造、倉(cāng)儲(chǔ)、物流等流程改造對(duì)電機(jī)需求不斷擴(kuò)大，工業(yè)功率半導(dǎo)體需求增加。

根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2016 年全球工業(yè)功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模為 90 億美元，受益于工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，2020 年全球工業(yè)功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 125億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率為 8.56%。

汽車中使用最多的半導(dǎo)體分別是傳感器、MCU 和功率半導(dǎo)體。其中 MCU 占比最高，其次是功率半導(dǎo)體，功率半導(dǎo)體主要運(yùn)用在動(dòng)力控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、燃油噴射、底盤(pán)安全系統(tǒng)中。傳統(tǒng)汽車中，功率半導(dǎo)體主要應(yīng)用于啟動(dòng)、發(fā)電和安全領(lǐng)域，新能源汽車普遍采用高壓電路，當(dāng)電池輸出高壓時(shí)，需要頻繁進(jìn)行電壓變化，對(duì)電壓轉(zhuǎn)換電路需求提升，此外還需要大量的 DC-AC 逆變器、變壓器、換流器等，這些對(duì) IGBT、MOSFET、二極管等半導(dǎo)體器件的需求量很大。汽車電機(jī)控制系統(tǒng)中需要使用數(shù)十個(gè) IGBT，特斯拉后三相交流異步電機(jī)每相要用到 28 個(gè) IGBT 總共使用 84 個(gè) IGBT，加上電機(jī)其他部位的 IGBT，特斯拉共使用 96 個(gè) IGBT。按照每個(gè) IGBT4-5 美元的價(jià)格計(jì)算，雙電機(jī) IGBT 價(jià)格大概在 650 美元左右，如果使用IGBT 模塊則為 1200 美元左右。

單輛汽車的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要有：（1）車載充電機(jī)（chargeronboard），（2）DC/AC系統(tǒng)，給汽車空調(diào)系統(tǒng)、車燈系統(tǒng)供電，（3）DC/DC 轉(zhuǎn)換器（300v 到 14v 的轉(zhuǎn)換），給車載小功率電子設(shè)備供電，（4）DC/DC converter（300v 轉(zhuǎn)換為 650v），（5）DC/AC逆變器，給汽車馬達(dá)電機(jī)供電。（6）汽車發(fā)電機(jī)。

電動(dòng)汽車將搭載大量新的功率模塊，拉動(dòng)功率半導(dǎo)體快速發(fā)展。電動(dòng)汽車將新增大量與電池能源轉(zhuǎn)換相關(guān)的功率半導(dǎo)體器件，功率半導(dǎo)體應(yīng)用大幅上升。根據(jù)麥肯錫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，純電動(dòng)汽車的半導(dǎo)體成本為 704 美元，比傳統(tǒng)汽車 350 美元高出近1 倍，其中功率半導(dǎo)體的成本為 387 美元，占總成本的 55%.

全球汽車功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院、英飛凌數(shù)據(jù)，2017年全球汽車功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為58億美元，預(yù)計(jì)到 2020年達(dá)到 70 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率 6.47%。

通信行業(yè)也是功率半導(dǎo)體的一大終端市場(chǎng)，其中通信基站和數(shù)據(jù)中心等設(shè)備需要維持全天供電，供電系統(tǒng)中的逆變器、整流器使用大量的功率半導(dǎo)體。5G 將成為通信功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的增長(zhǎng)動(dòng)力，5G 通信帶動(dòng)基站等設(shè)備的建設(shè)。根據(jù) MarketResearch Future 的預(yù)測(cè)，受益于 5G 通信爆發(fā)，全球通信設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將維持高速增長(zhǎng)，2016 年全球通信設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約 288 億美元，預(yù)計(jì)到 2023 年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 562 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率約 10%。通信設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模不斷提升，功率半導(dǎo)體需求不斷增加，根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，全球通信功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將由 2017 年的 57.45 億美元增長(zhǎng)至 2020 年的65.96 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率為 4.71%，5G 基站升級(jí)是通信功率半導(dǎo)體市場(chǎng)最重要的推動(dòng)力。

功率半導(dǎo)體歐美日三足鼎立，國(guó)產(chǎn)替代正當(dāng)時(shí)

功率半導(dǎo)體廠商大多有完整的晶圓廠、芯片制造廠和封裝廠，英飛凌、安森美等龍頭企業(yè)均為 IDM 模式，對(duì)成本和質(zhì)量控制能力很強(qiáng)，實(shí)力強(qiáng)勁。歐美日的功率半導(dǎo)體廠家大多是 IDM 模式，以高端產(chǎn)品為主；中國(guó)大陸的廠商大多也是 IDM模式，產(chǎn)品以低端二極管和低壓 MOSFET 為主，實(shí)力較弱；中國(guó)臺(tái)灣以 Fabless 模式為主，主要負(fù)責(zé)芯片制造和封裝。

功率半導(dǎo)體行業(yè)集中度很高，根據(jù) IHS 的數(shù)據(jù)，2017 年全球前 10 大功率半導(dǎo)體廠商占據(jù)了 60.60%的市場(chǎng)份額。其中英飛凌是全球最大的功率半導(dǎo)體廠商，市場(chǎng)占比為 18.50%。功率半導(dǎo)體廠商以歐美日為主，中國(guó)廠商起步較晚，技術(shù)比較落后，與歐美日廠商差距較大。目前功率半導(dǎo)體廠商可以分為三個(gè)梯隊(duì)，第一梯隊(duì)是英飛凌、安森美等歐美廠商為主，第二梯隊(duì)億三菱電機(jī)、富士電機(jī)等日本廠商為主，第三梯隊(duì)是士蘭微、安世半導(dǎo)體等中國(guó)廠商。

從供給端來(lái)看，全球功率半導(dǎo)體的主要產(chǎn)地集中在歐美日，當(dāng)?shù)貜S商擁有先進(jìn)的技術(shù)和良好的成本管理能力，是 IGBT 和中高壓 MOSFET 的主要制造商，占據(jù)全球功率半導(dǎo)體 70%的市場(chǎng)份額。其次是中國(guó)臺(tái)灣，中國(guó)臺(tái)灣的廠商從代工向設(shè)計(jì)的方向發(fā)展，與歐美日仍然有一定差距，目前占據(jù)全球 10%的市場(chǎng)份額。中國(guó)大陸以二極管、低壓 MOSFET、晶閘管等低端功率半導(dǎo)體為主，目前實(shí)力較弱，占據(jù)全球 10%的市場(chǎng)份額。

從需求端來(lái)看，中國(guó)是全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)。根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，中國(guó)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)空間占全球比例為 39%，居第一位；歐洲第二位，占比 18%，美國(guó)占比 8%，日本占比 6%，其他地區(qū)占比 29%。

功率半導(dǎo)體呈供需嚴(yán)重不匹配的格局，歐美日的功率器件產(chǎn)量占全球的 70%，中國(guó)是全球最大的功率器件市場(chǎng)，中國(guó)功率器件產(chǎn)能僅占全球的 10%，且以低端產(chǎn)品為主，功率器件缺口巨大。

其中， 二極管市場(chǎng)集中度低，有望率先實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

二極管市場(chǎng)集中度低。二極管是最早出現(xiàn)的功率半導(dǎo)體，第一代二極管距今已經(jīng)有 100 多年的歷史。與其他功率半導(dǎo)體相比，二極管的技術(shù)壁壘較低，市場(chǎng)上二極管廠商數(shù)量眾多。前 5 大廠商中，Vishay 市場(chǎng)占比約 11%，其他廠商市場(chǎng)占比在5%-8%之間，二極管市場(chǎng)相對(duì)分散，市場(chǎng)集中度較低。

技術(shù)壁壘低，國(guó)外廠商產(chǎn)能下降。Diodes 在全球二三極管擁有很高的市場(chǎng)份額，2016 年底公司的晶圓廠因設(shè)備老化發(fā)生火災(zāi)，晶圓廠停產(chǎn)整改。此次事故涉及的主要產(chǎn)品是二三極管和通用料，將對(duì)全球二三極管供給造成較大影響。

二極管制造已經(jīng)非常成熟，技術(shù)門(mén)檻比較低，注重生產(chǎn)成本和質(zhì)量的控制。我國(guó)二極管生產(chǎn)企業(yè)大多是 IDM 模式，對(duì)質(zhì)量控制比較嚴(yán)格，加上勞動(dòng)力成本較低，二極管廠商具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)外廠商產(chǎn)能下降，國(guó)內(nèi)廠商有望進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)份額，進(jìn)口替代空間巨大。自 2014 年起，我國(guó)二極管的出口數(shù)量已經(jīng)超過(guò)進(jìn)口數(shù)量，有望率先實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

來(lái)到MOSFET方面，中低壓市場(chǎng)有望替代，高壓市場(chǎng)取得突破。

根據(jù) IHS 的數(shù)據(jù)，中國(guó) MOSFET 市場(chǎng)規(guī)模約 26.40 億美元，市場(chǎng)被歐美廠商所把持，國(guó)內(nèi)最大的 MOSFET 廠商是英飛凌，2017 年在中國(guó)市場(chǎng)占比為 26.90%，前 5 大廠商市場(chǎng)占比為 64.00%，MOSFET 市場(chǎng)集中度較高。國(guó)內(nèi)廠商士蘭微市場(chǎng)占比為 2.5%，排名第十。建廣資本收購(gòu)恩智浦的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)部門(mén)后成立了 Nexperia（現(xiàn)已經(jīng)被聞泰收購(gòu)），公司承接了恩智浦的 MOSFET 業(yè)務(wù)，2017 年 Nexperia 在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比為 3.2%，排名第八，在全球市場(chǎng)排名第十。士蘭微與 Nexperia 市場(chǎng)占比總計(jì)為 5.7%，國(guó)產(chǎn)替代空間巨大。當(dāng)中中低壓市場(chǎng)國(guó)外大廠退出，國(guó)內(nèi)廠商有望承接市場(chǎng)份額，

瑞薩電子是全球最大的中低壓MOSFET廠商，公司在該領(lǐng)域市場(chǎng)占比為40%，2013 年瑞薩率先退出中低壓 MOSFET 領(lǐng)域，其他廠商也紛紛開(kāi)始向毛利率較高的高壓 MOSFET 領(lǐng)域轉(zhuǎn)型。中國(guó)是全球最大的消費(fèi)電子生產(chǎn)國(guó)，對(duì)中低壓 MOSFET需求巨大，目前士蘭微的產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋了白色家電領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)廠商有望承接中低壓MOSFET 領(lǐng)域的市場(chǎng)份額，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

至于IGBT，自給率不足 10%，國(guó)內(nèi)廠商有望逐個(gè)突破。

IGBT 市場(chǎng)上的主要供應(yīng)商是英飛凌、三菱、富士電機(jī)、ABB、安森美等歐美和日本廠商。英飛凌是全球最大的 IGBT 廠商，2016 年英飛凌市場(chǎng)占比為 21.40%，前 5 大廠商占比為 64.10%，市場(chǎng)集中度很高。英飛凌、富機(jī)電子和安森美等廠家在 1700V 以下的中低電壓 IGBT 領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位，三菱則主宰了 2500V 以上的高電壓 IGBT 領(lǐng)域。

英飛凌：公司是功率半導(dǎo)體全球龍頭企業(yè)，產(chǎn)品主要用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域，2018年汽車產(chǎn)品占公司總營(yíng)收的 43%，電源管理占公司總營(yíng)收的 31%，工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品占公司總營(yíng)收的 17%。2014-2018 年公司營(yíng)收從 43.20 億歐元增長(zhǎng)至 75.99 億歐元，復(fù)合增長(zhǎng)率為 15.16%，凈利潤(rùn)從 5.35 億歐元增長(zhǎng)至 10.75 億歐元，復(fù)合增長(zhǎng)率為19.06%。英飛凌的營(yíng)收主要來(lái)自中國(guó)，中國(guó)市場(chǎng)占總營(yíng)收的 34%。

布局 12 英寸產(chǎn)線，有望繼續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。受 8 寸晶圓產(chǎn)能吃緊的影響，英飛凌積極拓展 12 英寸功率半導(dǎo)體生產(chǎn)線。與 8 英寸晶圓生產(chǎn)線相比，12 英寸生產(chǎn)線的技術(shù)難度更大，對(duì)品質(zhì)把控要求更加嚴(yán)格。另一方面，單個(gè) 12 英寸晶圓切割產(chǎn)生的功率半導(dǎo)體數(shù)量比 8 寸晶圓切割產(chǎn)生的數(shù)量多，能夠有效提高產(chǎn)能，解決 8英寸晶圓供給不足的問(wèn)題。2019 年 2 月，英飛凌的財(cái)報(bào)表示公司將新建 12 英寸功率半導(dǎo)體廠，憑借優(yōu)秀的成本和質(zhì)量管控能力，未來(lái)英飛凌有望降低功率半導(dǎo)體生產(chǎn)成本。同時(shí)，公司將部分產(chǎn)能委托給一些勞動(dòng)力成本較低的國(guó)家代工，降低生產(chǎn)成本。隨著 12 英寸產(chǎn)線的建成和委托代工比例不斷增大，公司有望鞏固功率半導(dǎo)體龍頭地位。

中國(guó) IGBT 行業(yè)比較落后，前 10 大廠商中僅斯達(dá)股份一家中國(guó)廠商。根據(jù) IHS的數(shù)據(jù)，2016 年斯達(dá)股份在 IGBT 市場(chǎng)占比為 2.50%。中國(guó)中車在 4500V 以上 IGBT（一般用于高鐵）領(lǐng)域取得突破，2017 年在 4500V 以上高壓 IGBT 領(lǐng)域排名第五。

根據(jù)集邦咨詢的數(shù)據(jù)，2017 年我國(guó) IGBT 市場(chǎng)規(guī)模為 121 億元，按當(dāng)年美元匯率折算，市場(chǎng)規(guī)模為 17.92 億美元，占全球 IGBT 市場(chǎng)的 39.83%。我國(guó)是全球最大的 IGBT消費(fèi)國(guó)，但自給率很低。2017 年中國(guó) IGBT 行業(yè)產(chǎn)量為 820 萬(wàn)只，我國(guó) IGBT 市場(chǎng)需求為 6680 萬(wàn)只，自給率 12.28%，供給嚴(yán)重不足。

中國(guó) IGBT 廠商大多專注于某一領(lǐng)域的產(chǎn)品，斯達(dá)股份的產(chǎn)品主要用于電力和電機(jī)牽引，2017 年?duì)I收排名世界前 10，公司產(chǎn)品性能優(yōu)異，專注于第六代 IGBT研發(fā)與生產(chǎn)，有望在電力和電機(jī)牽引領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。中國(guó)時(shí)代專注于 4500V以上 IGBT 研發(fā)生產(chǎn)，產(chǎn)品用于軌道交通領(lǐng)域。目前中車時(shí)代在 4500V 以上的 IGBT領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模排名第五。我國(guó)新出廠的高鐵將全部使用國(guó)產(chǎn) IGBT，中車時(shí)代的IGBT 已經(jīng)出口到印度，我國(guó)高鐵 IGBT 基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。比亞迪專注于汽車IGBT 領(lǐng)域，擁有 IGBT 全產(chǎn)業(yè)鏈。2017 年公司推出 IGBT4.0，產(chǎn)品部分性能已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，在新能源汽車 IGBT 領(lǐng)域有望打破國(guó)外廠商的壟斷。

新材料功率半導(dǎo)體大有可為，國(guó)內(nèi)企業(yè)有機(jī)會(huì)

隨著功率半導(dǎo)體性能要求不斷提高，原有材料無(wú)法滿足新的需求，新型半導(dǎo)體材料不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)。半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程共經(jīng)歷了三代，第一代材料是硅和鍺，第二代材料是砷化鎵和磷化銦，第三代半導(dǎo)體材料是碳化硅和氮化鎵。在不同的領(lǐng)域使用的半導(dǎo)體材料不同，各種半導(dǎo)體材料形成互補(bǔ)的關(guān)系。

第一代半導(dǎo)體材料

第一代半導(dǎo)體材料是鍺和硅，20 世紀(jì) 50 年代半導(dǎo)體材料以鍺為主，基爾比開(kāi)發(fā)出了基于鍺的集成電路。鍺可用于低壓、低頻、中功率晶體管及光探測(cè)電路中，缺點(diǎn)是耐輻射和耐高溫性能很差。20 世紀(jì) 60 年代，硅取代鍺成為新的半導(dǎo)體材料，硅絕緣性好，提純簡(jiǎn)單，至今仍然是應(yīng)用最多的半導(dǎo)體材料，硅主要用于數(shù)據(jù)運(yùn)算領(lǐng)域。

第二代半導(dǎo)體材料

第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表。人類對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求越來(lái)越高，硅的傳輸速度慢，化合物半導(dǎo)體應(yīng)運(yùn)而生。化合物半導(dǎo)體砷化鎵和磷化銦可用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子器件，主要用于通信領(lǐng)域。

第三代半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體性能要求不斷提高，在高溫、強(qiáng)輻射、大功率環(huán)境下，第一、二代半導(dǎo)體材料效果不佳，第三代半導(dǎo)體材料開(kāi)始嶄露頭角。第三代半導(dǎo)體材料又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等，其中碳化硅和氮化鎵比較成熟。與第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)是禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強(qiáng)、發(fā)光效率高、頻率高，常用于藍(lán)、綠、紫光的發(fā)光二極管，第三代半導(dǎo)體材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保，不會(huì)產(chǎn)生砷化鎵（GaAs）、鎵離子、銦離子等污染物。

首先看碳化硅功率器件，這個(gè)產(chǎn)品市場(chǎng)前景廣闊，但歐美日三分天下。

4H-SiC 適用于微電子領(lǐng)域，通常用于高頻、高溫、大功率器件，6H-SiC 適用于光電子領(lǐng)域。SiC 器件的優(yōu)點(diǎn)在于功耗大大降低：

1.應(yīng)用在高鐵領(lǐng)域，節(jié)能可達(dá) 20%以上，并減小電力系統(tǒng)體積；2.應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域，可降低能耗 20%；3.應(yīng)用在家電領(lǐng)域，可節(jié)能 50%；4.應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可提高效率 20%；5.應(yīng)用在太陽(yáng)能領(lǐng)域，可降低光電轉(zhuǎn)換損失 25%以上；6.應(yīng)用在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域，可節(jié)能 30%-50%；7.應(yīng)用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域，可使電力損失降低 60%，供電效率提升 40 以上；8.應(yīng)用在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，可幫助數(shù)據(jù)中心大幅降低能耗；9.應(yīng)用在通信領(lǐng)域，可顯著提高信號(hào)傳輸效率和傳輸安全及穩(wěn)定性；10.應(yīng)用在航天領(lǐng)域，可使設(shè)備損耗減小 30%-50%，工作頻率提高 3 倍，電容電感體積縮小 3 倍，散熱器重量大幅降低。

（一）SiC 二極管：取代快恢復(fù)二極管

碳化硅二極管通常是 SiC 肖特基二極管，主要用于在 600V 以上領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的快恢復(fù)二極管。碳化硅肖特基二極管的正向?qū)妷罕裙?PIN 功率二極管低，但導(dǎo)通電阻高，導(dǎo)通損耗取決于正向電流的大小，因此碳化硅肖特基二極管損耗較小。

碳化硅肖特基二極管的正向?qū)妷菏钦郎囟认禂?shù)，流過(guò)各自二極管的電流能夠連續(xù)自主平衡分配，電流流向溫度低的二極管，最終達(dá)到均流。而硅 PIN 功率二極管的導(dǎo)通電壓是負(fù)溫度系數(shù)，溫度升高，電流流向溫度高的二極管，最終電流分配失衡，因此碳化硅二極管適用于高溫領(lǐng)域。碳化硅肖特基二極管的反向漏電流和反向恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硅功率二極管，可大幅降低開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)頻率很高，適用于高電壓領(lǐng)域。

（二）SiC MOSFET：取代硅基 IGBT

MOSFET 和 IGBT 都用作開(kāi)關(guān)，不同點(diǎn)在于硅基 MOSFET 不耐高壓，只能用在低壓領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)頻率高，損耗低。IGBT 結(jié)合了 BJT 和 MOS 的優(yōu)點(diǎn)，耐高壓性能較強(qiáng)，開(kāi)關(guān)頻率低于 MOSFET，損耗較高。SiC MOSFET 具有較高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，比傳統(tǒng) Si MOSFET 更耐高壓，同時(shí)擁有更高的開(kāi)關(guān)頻率和下降的通態(tài)電阻，開(kāi)關(guān)速度比 Si IGBT 快，損耗比 Si IGBT 小，在高頻、高電壓領(lǐng)域?qū)⑷〈?Si IGBT和 Si MOSFET。

碳化硅前景廣闊：在過(guò)去，高昂的價(jià)格制約了碳化硅的發(fā)展。根據(jù)各個(gè)廠商的報(bào)價(jià)，SiC MOSFET 的價(jià)格約 20 美元，而硅基 IGBT 的單價(jià)為 4-5 美元，碳化硅器件的價(jià)格是硅基器件的 4-5 倍，考慮到碳化硅器件價(jià)格過(guò)高，目前大部分廠商還是采用硅基 IGBT。預(yù)計(jì)到 2020 年碳化硅器件的價(jià)格將于硅器件價(jià)格持平，在新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電和軌道交通等領(lǐng)域，碳化硅器件將逐步取代硅基 IGBT 等器件，碳化硅器件市場(chǎng)將迎來(lái)爆發(fā)。根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，2015 年碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模在 2.1億美元左右，2016-2020 年碳化硅功率器件市場(chǎng)復(fù)合增長(zhǎng)率為 28%，在 2020 年后碳化硅功率器件市場(chǎng)迎來(lái)爆發(fā)，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 40%，預(yù)計(jì)到 2022 年碳化硅市場(chǎng)將達(dá)到 10 億美元。

在新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電和軌道交通等領(lǐng)域用來(lái)替代硅基 IGBT。目前 SiCMOSFET 最大的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槟芰總鬏?，主要是因?yàn)槠鋵?dǎo)通壓降很低，輸電時(shí)損耗很小。SiC MOSFET 的損耗和體積都比硅基 IGBT 小，可以縮小新能源汽車中器件的尺寸，降低功耗。隨著新能源汽車爆發(fā)，SiC MOSFET 需求不斷上升，預(yù)計(jì)未來(lái)新能源將成為 SiC MOSFET 最大的應(yīng)用領(lǐng)域。

場(chǎng)上處于領(lǐng)先地位。英飛凌和科銳處于第一梯隊(duì)，英飛凌在 2001 年就將 SiCMOSFET 等產(chǎn)品投入市場(chǎng)，2012 年 1200V 碳化硅器件量產(chǎn)，科銳在 2012 年實(shí)現(xiàn) 6寸碳化硅晶圓量產(chǎn)。2014 年英飛凌和科銳市場(chǎng)占比為 68%。第二梯隊(duì)是日本和歐洲的企業(yè)，如意法半導(dǎo)體、富機(jī)電子、羅姆半導(dǎo)體等，市場(chǎng)占比為 32%，碳化硅功率半導(dǎo)體市場(chǎng)集中度很高。其中美國(guó)企業(yè)占全球碳化硅產(chǎn)量的 70%-80%，歐洲擁有完整的 SiC 襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，日本在設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)方面處于領(lǐng)先地位。

中國(guó)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈初具雛形，與國(guó)外廠商仍有一定差距。

襯底：山東天岳、天科合達(dá)等公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 4 英寸碳化硅晶圓量產(chǎn)，6 英寸碳化硅晶圓處于工藝固化階段。

外延片：瀚天天成和天域半導(dǎo)體可供應(yīng) 4-6 英寸碳化硅外延片。

器件：泰科天潤(rùn)的 600V-1700V 碳化硅二極管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量可以比肩國(guó)際同行業(yè)的先進(jìn)水平。

（三）氮化鎵（GaN）：起步較晚，襯底成本高昂

與碳化硅相比，氮化鎵適用于超高頻功率器件領(lǐng)域，GaN 器件最高頻率超過(guò)106 Hz，功率在 1000W 左右，開(kāi)關(guān)速度是 SiC MOSFET 的四倍。SiC 的最高頻率在105 Hz 左右，功率約是 GaN 器件的 1000 倍。GaN 定位在高功率、高電壓領(lǐng)域，集中在 600V-3300V，中低壓集中在 100V-600V，主要應(yīng)用于雷達(dá)、筆記本電源適配器等。

目前全球氮化鎵功率器件處于起步階段，根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，2018 年全球氮化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模約 4000 萬(wàn)美元，市場(chǎng)規(guī)模較小。新能源汽車爆發(fā)增長(zhǎng)，電網(wǎng)對(duì)輸電性能要求提高將推動(dòng)氮化鎵功率器件市場(chǎng)快速發(fā)展。Yole 預(yù)計(jì)到 2022 年氮化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 4.5 億美元。

受制于襯底成本，GaN 發(fā)展較慢：GaN 的功率密度、帶寬、可靠性和耐高溫方面遠(yuǎn)勝其他材料，缺點(diǎn)在于產(chǎn)品成本很高，不利于大批量生產(chǎn)。GaN 的襯底材料是硅、碳化硅和藍(lán)寶石，碳化硅襯底 GaN 器件性能非常好，但是成本高昂。與硅襯底相比，氮化硅襯底的 GaN 器件成本高 100 倍，襯底處理時(shí)間相差 200-300 倍。另一方面，硅晶圓不斷向大尺寸擴(kuò)展，預(yù)計(jì)硅基 GaN 器件成本將降低 30%-50%。

各廠商加緊布局 GaN 市場(chǎng)：英飛凌在全球 GaN 市場(chǎng)上處于領(lǐng)先地位，公司的CoolGaN 已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2015 年安森美與 Transphorm 建立合作關(guān)系，共同開(kāi)發(fā)及推廣基于 GaN 的產(chǎn)品和電源系統(tǒng)方案，兩家公司聯(lián)名推出 600V GaN 級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)晶體管。美國(guó) EPC 公司是首個(gè)推出增強(qiáng)型氮化鎵 FET 的公司，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)MOSFET 的有效替代。2018 年 5 月，公司推出 350V GaN 晶體管 EPC2050，體積是對(duì)應(yīng)硅 MOSFET 尺寸的 1/20，應(yīng)用領(lǐng)域包括太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)車充電器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。意法半導(dǎo)體預(yù)計(jì)在 2020 年前建立 GaN-on-Si 異質(zhì)外延生產(chǎn)線。

中國(guó)企業(yè)積極布局 GaN 領(lǐng)域，中航微電子（已被華潤(rùn)微電子收購(gòu)）2015 年成功研制出 600V硅基 GaN 器件。GaN 材料廠商有三安光電、士蘭微，其中三安光電的 6 寸氮化鎵外延片產(chǎn)線已經(jīng)建成，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白。2017 年 12 月，士蘭微投資一條 4/6 英寸兼容先進(jìn)化合物半導(dǎo)體器件生產(chǎn)線。珠海英諾賽科在這個(gè)市場(chǎng)也進(jìn)展神速。
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