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功率半导体器件又被称为电力电子器件，是电力电子技术的基础，也是构成电力电子变换装置的核心器件。

相较于发达国家，我国功率半导体行业发展起步相对较晚，其发展历程大致可划分为四个阶段：拓荒时代、本土联盟、变革时代和国产替代。

现阶段中国功率半导体的进口量和进口占比仍然较大，尤其是用于工业控制领域的高性能产品及用于高可靠领域的产品，国产化替代空间较大。中国模拟芯片仍高度依赖进口，2020年国产化率仅为12%左右。近年来，国产化替代需求随着中美贸易摩擦而更加迫切。

撰写：李俊杰

编辑：Anna

01 功率半导体概览

基础概况

功率半导体器件又被称为电力电子器件，是电力电子技术的基础，也是构成电力电子变换装置的核心器件。

基本定义： 功率半导体是一种广泛用于电力电子装置和电能转换和控制电路的半导体元件，可通过半导体的单向导电性实现 电源开关和电力转换 的功能。

作用： 功率半导体具有能够支持高电压、大电流的特性，主要用途包括 变频、整流、变压、功率放大、功率控制等 。除保障电路正常运行外，因其能够减少电能浪费，功率半导体还能起到节能、省电的作用。

分类： 根据对电路信号的可控程度分为 全控型、半控型及不可控型 ；或按驱动电路信号性质分为 电压驱动型、电流驱动型 等划分类别。

功率半导体原理示意图

产品分类

产品组成：一般可以分为功率 IC 和功率分立器件两大类。

分立器件： 主要包括二极管、晶闸管、晶体管等产品，晶体管又可以分为IGBT、MOSFET和双极晶体管等。

功 率 I C ： 是指将高压功率器件与其控制电路、外围接口电路及保护电路等集成在同一芯片的集成电路，是系统信号处理部分和执行部分的桥梁。

功率半导体产品范围

四种主要的功率半导体器件

分立器件：主要包括二极管、晶闸管、晶体管等产品 ，晶体管又可以分为IGBT、MOSFET和双极晶体管等。

功率IC ： 是指将高压功率器件与其控制电路、外围接口电路及保护电路等集成在同一芯片的集成电路， 是系统信号处理部分和执行部分的桥梁。

二极管： 结构相对简单，具备性能稳定且易于使用的优点

二极管是一种具有不对称电导的双电极电子元件。 理想的二极管在正向导通时两个电极（阳极和阴极）间拥有零电阻，而反向时则有无穷大电阻，即电流只允许由单一方向流过二极管。

常见的二极管有整流二极管、开关二极管、肖特基二极管、齐纳二极管、TVS二极管、高频二极管等。

晶体管： 功能丰富，主要产品包括MOSFET、IGBT等。

晶体管的导通原理， 以双极性晶体管为例，当集电极C有电流输入，同时基极B导通电压大于或等于导通电压时（硅管为0.7V，锗管为0.3V)，集电极C和发射极E形成导电沟道，进而导通。

场效应晶体管的三个端，栅极（Gate）、漏极（Drain）、源极（Source），分别大致对应双极性晶体管的基极（Base）、集电极（Collector）和发射极（Emitter）。

场效应晶体管示意图

MOSFET：具有开关速度快，工作频率高等优势，热稳定性强，被称为最理想的功率器件。

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor）即金属氧化物半导体场效应晶体管。

MOSFET是四端器件，所以除了栅极（G）、源极（S）、漏极（D）外，还有基极（B）。

栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起，这样，相当于D与S之间有一个PN结。根据结构不同，MOSFET可分为沟槽型（Trench）、平面型（Planer）以及超级结型（SJ）。

兼具MOSFET及BJT两类器件优势，IGBT：电力电子行业的“CPU”

IGBT全称绝缘栅双极晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

IGBT具有电导调制能力，相对于MOSFET和双极晶体管具有较强的正向电流传导密度和低通态压降，因此兼具有MOSFET的高输入、阻抗MOSFET器件驱动功率小、开关速度快、BJT器件饱和压降低、电流密度高和GTR的低导通压降的优点。

3种类型英飞凌IGBT结构示意图

IGBT结构图

功率IC： 功率器件、被动元件集成而来，功率半导体领域的“SoC”

功率IC是一种微型电子器件或部件。 采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。

功率IC可以分为AC/DC、DC/DC、电源管理IC、驱动IC等

AC/DC和DC/DC：实现交流电及直流电转换的元件

AC/DC转换器就是将交流电转换为直流电的设备。AC，即AlternatingCurrent的英文缩写，意思为“交流”；DC，即DirectCurrent的英文缩写，意思为“直流”。

AC/DC转换就是通过整流电路，将交流电经过整流、滤波，从而转换为稳定的直流电。

DC/DC转换器表示的是高压（低压）直流电源(DC)变换为低压（高压）直流电源(DC)。 例如车载直流电源上接的DC/DC变换器是把高压的直流电变换为低压的直流电。

AC/DC及DC/DC转换器的应用

电源管理IC（PMIC）：主要提供为主系统高效保障管理电源的工作

电源管理IC(PMIC)是在单一芯片内包括了多种电源轨和电源管理功能的集成电路，能够将多种功能集成到单片芯片内。PMIC常用于以电池作为电源的装置，能够为主系统提供管理电源的工作，从而提供更高的空间利用率和系统电源效率。

电源管理IC常用于为小尺寸、电池供电设备供电，常见功能包括电压转换器和调节器、电池充电器、电池电量计、LED驱动器、实时时钟、电源排序器和电源控制，应用于计算机、通信设备、数据中心等领域。

电源管理IC产品目标应用

各类功率半导体特性

发展历程

功率半导体最早出现在1950年代，1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，并在60年代得到广泛应用；1980年后逐渐发展出功率各种新型晶闸管，单极性MOSFET，双极性MOSFET；90年代研发出IGBT，此后逐步出现功率模块和集成功率器件。

目前功率器件主要以Si基材料为主 ，包括SOI高压集成电路，随着第三代半导体的发展，以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料开始成为功率半导体的新兴材料。

伴随功率半导体的发展，设计工艺不断进步， 高速、微型化的集成模块成为制造商更好的选择。

相较于发达国家，我国功率半导体行业发展起步相对较晚，其发展历程大致可划分为四个阶段： 拓荒时代、本土联盟、变革时代和国产替代。

现阶段中国功率半导体的进口量和进口占比仍然较大，尤其是用于工业控制领域的高性能产品及用于高可靠领域的产品，国产化替代空间较大。

中国模拟芯片仍高度依赖进口，2020年国产化率仅为12%左右。近年来，国产化替代需求随着中美贸易摩擦而更加迫切。

根据目前国内在研项目和产品布局看，国内企业开始向价值量更高的中高端产品转型。

应用领域

针对不同下游需求，各类功率产品应用于不同应用领域

二极管、晶闸管等传统器件在较复杂的高频率下应用较为困难，但优势在于成本较低，生产工艺相对简单，主要适用于结构相对简单的产品领域。

IGBT、MOSFET等全控器件主要用于汽车、逆变器、轨交等结构相对复杂的应用领域。 工艺结构相对复杂且生产工艺难度较高，成本也相对较高，在汽车、逆变器、轨交等领域广泛使用。

IGBT的主要应用领域

02 产业链的分析

商业模式： IDM模式具有核心竞争力，目前存在许多细分行业龙头。

产业链结构： 整个产业链涉及原材料、芯片设计、制造、封装测试、应用方案环节。

上游： 原材料，包括硅片（研磨片、抛光片和外延片）、钼片、引线框架、管壳及散热器等，涉及材料工业、装备制造业、化学工业等行业。原材料价格直接影响到下游企业整体成本。

中游： 芯片设计、晶圆制造、封装、测试

下游： 应用广泛，几乎涵盖所有电子制造业，包括为消费电子、工业控制、电力传输和新能源等领域。

功率半导体产业链

上 游

上游： 功率半导体材料=碳化硅器件优良性能带来全新替代需求

半导体材料历经三代，第三代半导体性能优势明显。 第一代半导体材料于上世纪50年代出现，以硅（Si）和锗（Ge）为代表，其中硅材料因其高绝缘性能、成本较低等优势，至今为止仍是大多数电子应用中的关键材料。

第二代半导体材料于上世纪80年代出现，以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表。第三代半导体材料又名宽禁带半导体材料，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表。

与硅基功率半导体相比，第三代半导体主要拥有三点优势：

（1）导通电阻降至硅基的1/1000：SiC与GaN拥有更高的绝缘击穿电场，电流在器件内通过时间缩短叠加载流子数量的大幅提升使得导通电阻实现降低；

（2）更高的开关频率：SiC与GaN的饱和漂移速度比硅基快2-3倍，饱和漂移速度的加快可以使提高开关频率；

（3）更高的导热率：更高的导热率可以使器件内产生的热量更容易的释放到外部，这样一来散热片等冷却部件可以采用更小型的产品。

三代半导体材料性能比较

上游：碳化硅产业链之咽喉=衬底

SiC 衬底的原材料为高纯碳粉和高纯硅粉，在 2,000℃以上的高温条件下通过特定反应合成碳化硅粉。在特殊温场下，采用成熟的物理气相传输法（PVT 法）生长不同尺寸的碳化硅晶锭，经过多道加工工序产出碳化硅衬底。

SiC 器件成本高的一大原因就是 SiC 衬底制造困难，与传统的单晶硅使用提拉法制备不同，目前规模化生 长 SiC 单晶主要采用物理气相输运法（PVT）或籽晶的升华法。

这也就带来了 SiC 晶体制备的两个难点：1、生长条件苛刻，需要在高温下进行。一般而言，SiC 气相生长温度在 2300℃以上，压力 350MPa，而 硅仅需 1600℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求，生产过程几乎是黑箱操作难以观测。如果温度 和压力控制稍有失误，则会导致生长数天的产品失败。2、生长速度慢。PVT 法生长 SiC 的速度缓慢，7 天才能生长 2cm 左右。而硅棒拉晶 2-3 天即可拉出约 2m 长的 8 英寸硅棒。

碳化硅制造成本结构分布

中 游

中游：IDM模式具有核心竞争力

截止 2020 年 12 年全球晶圆产能约为 2082 万片/月（等效 8 寸），中国大陆晶圆产能占比为 15.3%，预计为 318.4 万片/月（等效 8 寸），国内主要晶圆厂 12 寸产能约 100 万片/月，8 寸产线约为 115 万片/月。

其中我们统 计国内所有功率半导体厂商新增产线的产能增量，预计 2022 年全年新增功率半导体产能为 18 万片/月（等效 8 寸），如果假设 2022 年国内新增电动车销量为 200 万台，全球新增 500 万台电动车，所需要对应约 250 万片 8 寸的年产能，对应需要新增 20.8 万片月产能，而全球功率半导体的新增产能几乎都在中国，仅仅满足全球的电 动车的需求新增供给尚且不够，如果考虑光伏需要的产能则供应缺口进一步增加。

数据来源于互联网，产能：万片/月

下 游

下游：电动车功率半导体价值量提升5倍

功率半导体是电动汽车运行的关键，其性能和功率效率。普通传统汽车的半导体价值量约为340美元，主要产品是微控制器（78美元），传感器（44美元）和功率半导体（71美元）。

通常电气化意味着功率半导体内容的价值在传统汽车和电动汽车之间增加了五倍多。根据产业链调研，四驱版本的纯电车型前后双电机各需要 18 颗 IGBT，车载充电机需要 4 颗，电动空调 8颗，合计一台电动车需要 48 颗 IGBT 芯片。

在电动汽车中，主要功率半导体元件变为：为汽车的高扭矩电动机供电所需的转换器，用于降低电池电压的DC/DC转换器，用于电池充电器的附加类似组件，特别高增压要求。

这些组件的质量和性能是决定汽车性能的主要因素（更高的扭矩需要更强的转换器）和功率效率（更好的转换器和充电器可带来更高效，更快速的充电和更好的范围）。

下游：在实现工业4.0中，功率半导体作为实现整流、变频的器件之一，发挥着不可替代的作用。

工业4.0，即第四次工业革命，是生产中的物联网，可使整个价值链连接在一起，智能机器将彼此交换信息，并自行组织，整个价值链中的流程将实现互联和自动化。因此，整个生产将变得更高效、更敏捷。目前，美国和德国是工业4.0的全球领先者，有四分之一以上的企业实施了工业4.0项目。

我国仍处于发展初期，在《十四五”智能制造发展规划》中政府提出明确发展目标：到2025年，规模以上制造业企业基本普及数字化，重点行业骨干企业初步实现智能转型。到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化，骨干企业基本实现智能转型。

下游：电厂需要比传统燃煤电站多30倍的功率半导体。

在风力涡轮机中，功率半导体在能量的产生，转换和运输中起着至关重要的作用。风力涡轮机中的功率半导体的质量和可靠性要求特别严格，在恶劣环境中操作时，部件暴露于日常活动的大波动（特别是这适用于暴露于盐和湿度的海上涡轮机）。同样，太阳能发电和转换也需要整个系统的功率半导体。太阳能系统中的功率半导体需要高效，因为需要最小化开关损耗，而组件的可靠性和耐用性对系统的性能也是至关重要的。

可再生能源（特别是风能和太阳能）;取决于天气和气候，其固有地引起与电网运行不直接相关的能量波动。因此，高效的能量储存对于向可再生能源对总发电的更高贡献的转变至关重要。能量存储需要再次供电：电池充电器，逆变器，用电池为电网供电。