功率半导体概述

功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，本质上，是通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。无论是水电、核电、火电还是风电，甚至各种电池提供的化学电能，大部分均无法直接使用，75%以上的电能应用需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。

一、 功率半导体分类

功率半导体主要分为功率器件、功率IC，其**率器件经历了近70年的发展历程：20世纪40年代，功率器件以二极管为主，主要产品是肖特基二极管、快恢复二极管等；50-70年代，以晶闸管为主；近20年来，因应用领域对功率器件的电压和频率要求越来越严格，MOSFET和IGBT逐渐成为主流，多个IGBT可以集成为IPM模块，用于大电流和大电压的环境。

根据功率半导体的可控性可以将功率半导体分为三类：

**类是不可控型功率器件，主要是功率二极管。功率二极管一般为两端器件，其中一端为阴极，另一端为阳极，二极管的开关操作完全取决于施加在阴极和阳极的电压，正向导通，反向阻断，电流的方向也是单向的，只能正向通过。二极管的开通和关断都不能通过器件本身进行控制，因此将这类器件称为不可控器件。

第二类是半控型功率器件，半控型器件主要是晶闸管（SCR）及其派生器件，如双向晶闸管、逆导晶闸管等。这类器件一般是三端器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制用门极。半控型器件也具有单向导电性，其开通不仅需在阳极和阴极间施加正向电压，还必须在门极和阴极间输入正向可控功率。这类器件一旦开通就无法通过门极控制关断，只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电流变为零，因此被称之为半控型器件。

第三类是全控型器件，以IGBT和MOSFET等器件为主。这类器件也是带有控制端的三端器件，其控制端不仅可以控制开通，也能控制关断，因此称之为全控型器件。

二、功率半导体市场规模

功率半导体的应用领域非常广泛，预计到2026年全球功率半导体市场规模达到426亿美元。其中，汽车、工业和消费电子是功率半导体的最大终端市场。随着对节能减排的需求日益迫切，功率半导体的应用领域从传统的工业领域和4C领域逐步进入新能源、智能电网、轨道交通、变频家电等市场。

三、功率半导体应用领域

（一）新能源汽车

汽车中使用最多的半导体分别是传感器、MCU和功率半导体。其中MCU占比最多，其次是功率半导体，功率半导体主要运用在动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全系统中。传统汽车低功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域，新能源汽车普遍采用高压电路，当电池输出高压时，需要频繁进行电压变化，对电压转换电路需求提升，此外还需要大量的DC-AC逆变器、变压器、换流器等，这些对IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量很大。

（二）5G通讯

5G基站采用MassiveMIMO技术，在提高系统信道容量的同时，带来5G基站功耗的增加。未来智库数据显示，5G基站电力功耗为4G的两倍，降耗需求增加了对包括MOSFET、IGBT等在内的低损耗、高热稳定性器件的功率器件的需求。

（三）工业控制

工业领域是功率半导体仅次于汽车的第二大需求市场，数控机床、牵引机等电机对功率半导体需求很大，主要使用的功率半导体是IGBT。随着《中国制造2025》和“工业4.0”不断推进，工业的生产制造、仓储、物流等流程改造对电机需求不断扩大，工业功率半导体需求增加。

（四）光伏

光伏电网需要使用大量的光伏二极管，按常规配置，1MW的光伏组件约需接线盒2500只，每只接线盒平均需要4只光伏二极管，1MW的光伏组件共需要10000只光伏二极管。同时，用电过程也需要使用变压器对电压进行转换，变压器的**器件也是IGBT，智能电网对功率半导体需求非常大。配套的智能电表也需要使用功率半导体，智能电表需要使用二极管和桥式整流器来实现电路数据处理，一般情况下需要使用1-2只整流器，9-13只二极管。

四、功率半导体竞争格局

功率半导体行业集中度较高，欧美厂商占据第一梯队，国产厂商日渐崛起。目前功率半导体厂商可以分为三个梯队，第一梯队是英飞凌、安森美等欧美厂商为主，第二梯队以三菱电机、富士电机等日本厂商为主，第三梯队以斯达半导、捷捷微电、新洁能、闻泰科技（安世半导体）等中国厂商为主。

另外国内功率半导体市场呈供需严重不匹配的格局。从供给端来看，大陆厂商市场份额约20%。欧美日厂商占据全球功率半导体60%的市场份额，在IGBT和中高压MOSFET细分领域市场份额超八成。大陆以二极管、低压MOSFET、晶闸管等低端功率半导体为主，目前实力较弱，占据全球10%的市场份额。从需求端来看，中国是全球**的功率器件市场，占据全球39%市场份额。

五、功率半导体发展趋势

功率半导体逐步从硅基材料向化合物材料迭代。化合物半导体材料是由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质，其发展历程共经历了三代。

第一代半导体材料是锗和硅，20世纪50年代半导体材料以锗为主，锗可用于低压、低频、低功率晶体管及光探测电路中，缺点是耐辐射和耐高温性能很差。20世纪60年代，硅取代锗成为新的半导体材料，硅绝缘性好，提纯简单，至今仍然是应用最多的半导体材料，主要用于分立器件和芯片制造，在信息技术、航空航天、硅光伏等领域应用极其广泛。

第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。人类对数据的传输速度要求越来越高，硅的传输速度慢，化合物半导体应运而生。化合物半导体砷化镓和磷化铟主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料，**应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光器和卫星导航等领域。

第三代半导体材料又被称为宽禁带半导体材料，主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等，其中碳化硅和氮化镓比较成熟。与第二代半导体材料相比，第三代半导体材料的优点是禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高，应用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。

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