車規(guī)級功率半導(dǎo)體：IGBT和MOSFET是主要產(chǎn)品

據(jù)統(tǒng)計，2022年上半年中國新能源乘用車占比世界新能源車份額59%，位居全球第一，我國新能源汽車產(chǎn)量已連續(xù)7年位居世界第一，中國市場新能源汽車的滲透率達(dá)到21.6%，新能源汽車中功率半導(dǎo)體的含量達(dá)到55%。對于新能源汽車而言，汽車不再使用傳統(tǒng)汽油車“三大件”——汽油發(fā)動機、油箱或變速器，“三電系統(tǒng)”即電池、電機、電控系統(tǒng)取而代之，為實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換及傳輸，新能源汽車中新增了電機控制系統(tǒng)、DC/DC模塊、高壓輔助驅(qū)動、車載充電系統(tǒng)OBC、電源管理IC等部件，其中的功率半導(dǎo)體含量大大增加。

功率半導(dǎo)體發(fā)展過程在半導(dǎo)體功率器件中，MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開關(guān)器件，相比于功率二極管、功率三級管和晶閘管等電流控制型開關(guān)器件，具有易于驅(qū)動、開關(guān)速度快、損耗低等特點，應(yīng)用前景十分廣闊。在分立器件發(fā)展過程中，20世紀(jì)50年代，功率二極管、功率三極管面世并應(yīng)用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。20世紀(jì)60至70年代，晶閘管等半導(dǎo)體功率器件快速發(fā)展。20世紀(jì)70年代末，平面型功率MOSFET發(fā)展起來；20世紀(jì)80年代后期，溝槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世，半導(dǎo)體功率器件正式進(jìn)入電子應(yīng)用時代。20世紀(jì)90年代，超結(jié)MOSFET逐步出現(xiàn)，打破傳統(tǒng)“硅限”以滿足大功率和高頻化的應(yīng)用需求。2008年，英飛凌（Infineon）率先推出屏蔽柵功率MOSFET，半導(dǎo)體功率器件的性能進(jìn)一步提升。對國內(nèi)市場而言，功率二極管、功率三極管、晶閘管等分立器件產(chǎn)品大部分已實現(xiàn)國產(chǎn)化，而IGBT、功率MOSFET特別是超級結(jié)MOSFET等高端分立器件產(chǎn)品由于其技術(shù)及工藝的復(fù)雜度，依然較大程度上依賴進(jìn)口，未來進(jìn)口替代空間巨大。

新興領(lǐng)域拉動全球功率器件行業(yè)加速成長，根據(jù)WSTS統(tǒng)計，在整個功率器件市場中，MOSFET占比最高，約占40%，其次為功率二極管（30%），IGBT緊隨其后約占25%，晶閘管占約為5%，MOSFET、IGBT市場占比較高。ICInsights指出，在各類半導(dǎo)體功率器件中，未來增長最強勁的產(chǎn)品將是MOSFET與IGBT模塊。根據(jù)Yole，受益于新能源等下游新興應(yīng)用領(lǐng)域的高速增長，2023年MOSFET、IGBT及其模組的市場規(guī)模預(yù)計達(dá)到132億美元，年均復(fù)合增長率為4.05%。

IGBT和MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，IGBT輸入電壓高，MOSFET輸入電壓低，這也決定了其應(yīng)用領(lǐng)域的不同，MOS管適合較小輸出功率的場景，IGBT適合較大輸出功率的場景。MOSFET應(yīng)用于開關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、高頻感應(yīng)加熱、高頻逆變焊機、通信電源等高頻電源領(lǐng)域；IGBT集中應(yīng)用于焊機、逆變器、變頻器、電鍍電解電源、超音頻感應(yīng)加熱、電驅(qū)等高壓領(lǐng)域。MOSFET根據(jù)工作載流子的不同，可分為“N型”與“P型”，又稱為NMOS、PMOS。IGBT同樣分成N型和P型。MOS管工作原理是利用VGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，然后達(dá)到控制漏極電流的目的。根據(jù)不同器件結(jié)構(gòu)又可分為溝槽型MOSFET、超結(jié)MOSFET、屏蔽柵MOSFET等。

IGBT是功率器件最具發(fā)展前景的細(xì)分賽道

IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT和MOS組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，主要用于變頻器逆變和其他逆變電路，交流電和直流電的轉(zhuǎn)換、變頻，結(jié)合了高輸入阻抗和低導(dǎo)通電壓兩項優(yōu)點，相當(dāng)于電力電子領(lǐng)域的“CPU”，也是新能源應(yīng)用的心臟。IGBT有陰極、陽極和控制極，關(guān)斷的時候阻抗非常大，接通的時候存在很小的電阻，通過接通或斷開控制極來控制陰極和陽極之間的接通和關(guān)斷。

IGBT是國家16個重大技術(shù)突破專項中的重點扶持項目，產(chǎn)業(yè)大致可分為芯片設(shè)計、晶圓制造、模塊封裝、下游應(yīng)用四個環(huán)節(jié)，其中設(shè)計環(huán)節(jié)技術(shù)突破難度略高于其他功率器件，制造環(huán)節(jié)資本開支相對大同時更看重工藝開發(fā)，封裝環(huán)節(jié)對產(chǎn)品可靠性要求高，應(yīng)用環(huán)節(jié)客戶驗證周期長，綜合看IGBT屬于壁壘較高的細(xì)分賽道。隨著下游應(yīng)用的不斷提出新的挑戰(zhàn)，IGBT結(jié)構(gòu)也一直在創(chuàng)新和發(fā)展，向更好的性能進(jìn)化。

隨著汽車電動化趨勢日益明顯，車用功率器件的需求也增多，作為當(dāng)前主流的車規(guī)級功率器件，IGBT在汽車市場的表現(xiàn)非常突出。集幫咨詢在《2019中國IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展及市場報告》中表示，新能源汽車中的IGBT成本約占整車成本的10%。基于以上信息可預(yù)測，到2025年，中國車用IGBT市場規(guī)模將達(dá)到210億人民幣。另外，IGBT模塊成本約占充電樁成本的20%，到2025年，國內(nèi)充電樁用IGBT市場規(guī)模將達(dá)100億元人民幣。通過觀察以上數(shù)據(jù)大致可推斷出，在未來幾年內(nèi)，中國新能源汽車市場將是全球IGBT廠商的兵家必爭之地。社會各領(lǐng)域?qū)π履茉雌嚨闹С?，將促使中國IGBT產(chǎn)業(yè)鏈的繁榮發(fā)展。

MOSFET器件是功率器件領(lǐng)域中市場占比最大的產(chǎn)品

功率MOSFET于20世紀(jì)70年代首次推出，并成為世界上應(yīng)用最廣泛的功率晶體管。與雙極功率晶體管等老技術(shù)相比，它們在線性和開關(guān)應(yīng)用中具有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括極大改進(jìn)的開關(guān)特性、易于并聯(lián)、沒有二次擊穿效應(yīng)以及更寬的安全工作區(qū)(SOA)。MOSFET屬于電壓驅(qū)動型跨導(dǎo)器件。構(gòu)成MOSFET管芯的硅的不同摻雜方式將MOSFET分成兩個技術(shù)大類，即平面型和溝槽型，管芯由許多并聯(lián)的獨立單元或平面帶組成，并通過網(wǎng)狀柵極連接在一起。

根據(jù)中金企信數(shù)據(jù)，2020年，全球MOSFET市場規(guī)模達(dá)80.67億美元，2021年在全球尤其是中國5G基礎(chǔ)設(shè)施和5G手機、PC及云服務(wù)器、電動汽車、新基建等市場推動下，全球MOSFET增速將以比較高速度增長，預(yù)計2021年至2025年，MOSFET每年的增速將不低于6.7%，至2025年將達(dá)到118.47億美元。目前全球MOSFET市場主要被海外廠商占據(jù)，全球前十大廠商主要為歐美或日本企業(yè)，中國本土企業(yè)中，中國本土成長起來的華潤微電子、聞泰科技收購的安世半導(dǎo)體、士蘭微也能夠躋身。由于應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，MOSFET下游市場整體比較分散，市場可以容納足夠多的公司進(jìn)行發(fā)展。從士蘭微和華潤微可以看到，中國本土企業(yè)正在快速成長，市占率不斷提升，未來我們還會看到更多的本土公司成長起來，尤其在細(xì)分的高壓領(lǐng)域。

小結(jié)

功率半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域已從單一的工業(yè)控制領(lǐng)域擴(kuò)展到新能源車、發(fā)電、變頻家電等諸多領(lǐng)域，在我國雙碳政策下，新能源，新基建以及光伏等領(lǐng)域?qū)β拾雽?dǎo)體的需求呈現(xiàn)幾何式的增長。隨著汽車電子零組件增加，功率半導(dǎo)體元件乃至MOSFET的應(yīng)用也不斷增加，新能源汽車是中國IGBT下游應(yīng)用領(lǐng)域中最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，但我國IGBT行業(yè)仍存在巨大供需缺口，“國產(chǎn)替代”將會是IGBT行業(yè)未來發(fā)展的主道路之一。

審核編輯 ：李倩