行業知識：電子元器件行業研究寶典（一）

皇華電子元器件IC供應商 2021-12-28 18:04

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簡介：能源轉換的核心器件，細分品類眾多

功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，主要指能夠耐受高電壓或承受大電流的半導體分立器件，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉換等。

功率半導體主要起源于1904年第一個二極管的誕生，而1957年的美國通用電氣公司發表的第一個晶閘管，標志著電子電力技術的誕生；
1970年代，功率半導體進入快速發展時期，GTO、BJT和MOSFET的快速發展，標志著第二代電子電力器件的誕生。
之后1980年后期，IGBT開始出現，各種功率模組推動著功率半導體快速向前發展。進入21世紀，以全新寬禁帶材料為襯底的半導體器件開始出現，功率半導體的性能和市場需求進入一個全新的階段。

功率半導體目前主要可以分為功率IC和功率器件兩大類。功率器件按照外界條件控制器件的開通和關斷的分類標準可分為：不可控型、半控型和全控型功率器件。

其中，二極管單向導通，可以實現整流，屬于不可控型；晶閘管只能觸發導通，不能觸發關斷，屬于半控型；晶體管包括IGBT和MOSFET等，可以觸發導通，也可以觸發關斷，屬于全控型器件。功率IC指功率類集成電路設計，屬于模擬IC的一種，主要分為AC/DC、DC/DC、電源管理IC和驅動IC等。

功率器件主要為二極管、三極管、晶閘管、MOSFET和IGBT等，市場主要被國外廠商壟斷。

二極管是基礎性器件，主要用作整流，雖然原理成熟，但受產品穩定性及客戶認證壁壘影響，國產化率仍然較低；

三極管主要適用于消費電子等產品，用于開關或功率放大，國外廠商仍占據市場份額的前列，國內廠商在附加值較低的部分已完成了國產替代；

晶閘管主要用于工業領域，屬于電流控制型開關器件，市場整體規模較小。

MOSFET和IGBT是最主要的功率器件，其中MOSFET適用于消費電子、網絡通信、工業控制、汽車電子等，相較于前三者，適用頻率高，但一般用于功率不超過10kw的電力電子裝置，在中低壓領域，國內廠商正逐步展開國產替代。

IGBT可用于電機節能、軌道交通、智能電網、航空航天、家用電器、汽車電子等高壓高頻領域，高壓下，開關速度高，電流大，但開關速度低于MOSFET，前五大企業的市場份額超過70%，國內企業與國外企業技術水平存在一定差距。

功率半導體根據材料種類來劃分，主要分為三類：

以Si、Ge為代表的第一代半導體；
以GaAs、InP為代表的第二代半導體；
以SiC、GaN為代表的第三代半導體。

第三代半導體材料禁帶更寬，具備更好的高頻性能和高溫性能。以SiC和GaN為主要形式的分立器件以及功率模組，相比于Si基IGBT和Si基MOSFET可以適用于更加高電壓、高電流的環境，并可以有效縮小所需芯片面積，減少變頻器三分之二的熱損耗。

SiC與GaN由于其性能的優越性，可以適用于更廣泛的范圍。SiC與GaN在5G、電動汽車、光伏等各個領域均表現出更加優異的性能。其中，特斯拉已經將電動汽車model3中的IGBT器件替換為多個SiCMOSFET模塊，取得了更優的性能。

在功率半導體的發展路徑中，功率半導體從結構、制程、技術、工藝、集成化、材料等各方面進行了全面提升，其演進的主要方向為更高的功率密度，更小的體積，更低的功耗及損耗。

在結構更改方面，從晶閘管到IGBT，功率半導體的器件結構進行了顯著的升級和更改，IGBT結構與MOSFET結構就有較大的變化；

在制程縮小方面，功率半導體的線寬制程從最初的10μm縮小至如今的0.15-0.35μm；

在技術變化和工藝進步方面，超薄圓片結構、背面擴散技術、超級結技術等的優化都使產品更加適應小功率市場，具備更出色的性能和易用性；
在集成調整方面，成功推出功率模塊，即將多個功率器件進行封裝，使其可以在更高頻率工作的同時，能夠擁有更小的設備體積和重量；
在材料迭代方面，從Si材料逐漸向GaN、SiC等寬禁帶材料升級，使得功率器件體積和性能均有顯著提升。

市場特征：廣闊應用下周期性減弱，市場規模呈上升趨勢

從縱向角度看，看細分品類，根據Omdia的數據，2019年功率半導體全球市場規模為463億美元。功率IC市場規模為244億美元，占52.7%，功率器件市場規模為210億美元，占47.3%。功率器件中的晶體管市場規模為144.4億美元，占功率器件市場的68.76%。

晶體管市場主要由MOSFET和IGBT組成，其中MOSFET市場占56.09%，約81億美元，IGBT市場占43.91%，約63.4億美元。其主要廠商包括英飛凌、意法半導體、德州儀器、安森美、三菱等，其中功率半導體龍頭廠商為英飛凌。

看下游應用，功率半導體下游需求主要以車載方向和電機驅動等為主。根據Yole的2019年統計數據，功率半導體主要下游驅動應用方向分別為車載方向（包括EV、HEV，硅MOSFET）、電機驅動（MotorDrive，IGBT模組）、智能手機以及無線設備（硅MOSFET）、計算機技術以及存儲（硅MOSFET）、工業方向（硅MOSFET）和EV、HEV方向（IGBT模組）等。

從區域角度看，中國是全球最大的功率半導體消費國，且中國的功率半導體的市場規模在全球的占比仍在逐步增加。根據IHSmarkit的數據，2018年，中國功率半導體市場規模為138億美元，占全球需求比例高達35%，14-18年市場占比平均每年約增加0.8pct。

未來中國的功率半導體市場占比仍將加速增加，預計2021年中國市場規模達到159億美元，18-21年CAGR為2.39%，在全球市場的占比增加到36.1%，18-21年市場占比平均每年約增加0.37pct。

從橫向角度看，回溯過去七年：

市場規模方面，功率半導體的市場規模在全球半導體行業的占比在8%-10%之間，結構占比基本保持穩定，功率半導體的周期性相對較弱。這主要是因為功率半導體應用領域廣泛，下游客戶季節性需求呈現此消彼長的動態均衡關系，致使行業的季節性特征并不非常明顯；

增速方面，功率半導體14-20年CAGR為3.41%，略小于半導體行業14-20年CAGR的4.33%。

展望未來，根據Omdia的數據，2023年功率半導體市場規模預計達到504.66億美元，17-23年CAGR為4.93%。另外根據SEMI的數據，從17-23年，細分市場增速最快的是IGBT與模塊產品和IPM，CAGR分別為7.86%和7.61%，隨著未來電動汽車、工業物聯網等新領域的不斷拓展，高密度、能承受高電流和高電壓的IGBT、IPM以及相關模塊產品的需求量將加速上升。

細分品類：分立器件中MOSFET和IGBT占比最大，寬禁帶進入快速發展期

MOSFET和IGBT是占比最大的分立器件。根據可控類型分類角度進行細分領域分析，功率半導體除了功率IC以外，主要包括IGBT、MOSFET、晶閘管和二極管等分立器件，其中IGBT和MOSFET市場占比最大，分別占14.51%和18.54%。在IGBT器件中，主要包括分立IGBT、IGBT模塊和IPM模塊，其中主要為IGBT模塊，占52.21%。

1、MOSFET是最為成熟的功率器件之一，MOSFET全球市場規模穩定增長。根據Yole統計數據，全球MOSFET市場規模由2020年的75億美元，預計增長至2026年的94億美

元，20-26年CAGR為3.8%，其中汽車、工業等下游細分MOSFET需求增速較快。

2、IGBT在MOSFET基礎上升級，市場空間增速快。IGBT作為半導體功率器件中的全控器件，是由BJT（雙極型三極管）和MOSFET（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

IGBT的開關特性可以實現直流電和交流電之間的轉化或者改變電流的頻率，有逆變和變頻的作用，其應用領域極其廣泛。

按電壓分布來看，消費電子領域運用的IGBT產品為600V以下；

太陽能逆變器、白色家電、電動汽車所需的IGBT在600-1700V之間；

動車組常用的IGBT模塊為3300V和6500V，軌道交通所使用的IGBT電壓在1700V-6500V之間。

IGBT在電動汽車中主要運用于電力驅動系統、車載空調系統和充電樁。

根據Yole的預測，IGBT全球市場規模預計由2020年的54億美元，增長至2026年的84億美元，2020-2026年CAGR為7.5%，或將是市場空間增速最快的分立器件。

3、功率二極管和晶閘管作為傳統的功率器件之一，市場規模基本趨于穩定。根據IHSmarkit的統計數據，晶閘管2019年全球市場規模為4.93億美元，預計2024年為4.76億美元，中國市場2019年為2.05億美元，預計2024年為1.91億美元，基本保持不變。

二極管2019年全球市場規模為43.26億美元，預計2024年為46.62億美元，19-24年CAGR為1.51%；

中國市場2019年為14.39億美元，預計2024年為15.54億美元，19-24年CAGR為1.55%。從變化增速可以看出，兩者市場規模基本趨于穩定。

功率半導體從襯底材料角度的細分領域分析，Si仍舊占據市場主導位置，SiC和GaN的市場占比加速增加。SiC和GaN由于成本和技術原因，在功率器件中的占比仍較小，2019年SiC占總份額的3.3%，GaN僅占0.4%，但是占比在不斷增加。GaN的市場占比2017-2023年平均每年增長0.57pct，SiC的市場占比17-22年平均每年增長0.88pct。