功率半導體分類、發展現狀及應用前景分析

多維市場持續推動，功率半導體穩健增長。

1.功率半導體介紹及分類

功率半導體，又稱電力電子器件或功率電子器件，是電子產業鏈中最核心的一類 器件之一。能夠實現電能轉換和電路控制，在電路中主要起著功率轉換、功率放大、 功率開關、線路保護、逆變（直流轉交流）和整流（交流轉直流）等作用。

功率半導體包括功率半導體分立器件（含模塊）以及功率 IC 等。其中，功率半 導體分立器件，按照器件結構劃分，可分為二極管、晶閘管和晶體管等。

據中商產業研究院數據，功率半導體分立器件中，以 MOSFET 和 IGBT 為代表 的晶體管占比最大，約 28.8%。 從目前市場需求來看，硅基 MOSFET、硅基 IGBT 以及碳化硅為目前功率半導 體分立器件的主力產品。本文也將重點圍繞硅基 MOSFET、IGBT 和碳化硅等功率分立器件（含模塊）展開分析和研究。

MOSFET，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、制造工藝簡單和輻射強等優 點，通常被用于放大電路或開關電路。MOSFET 按照不同的工藝可分為平面型 Planar MOSFET、溝槽型 Trench MOSFET、屏蔽柵 SGT MOSFET 和超級結 SJ MOSFET。按照導電溝道可分為 N 溝道和 P 溝道，即 N-MOSFET 和 PMOSFET。按照柵極電壓幅值可分為耗盡型和增強型。

隨著 MOSFET 技術和工藝不斷成熟，成本將不斷下調。中高端產品也將逐漸向 中低端產品下沉。比如 Trench MOSFET 將從中端下沉至中低端，替代部分平面 MOSFET 的低端市場。SGT MOSFET 將部分替代 Trench MOSFET 的低壓應 用市場，從中高端下沉至中端。 SGT MOSFET、SJ MOSFET 和碳化硅 MOSFET 或是 MOSFET 未來三大主 力產品。自上世紀 70 年代 MOSFET 誕生以來，從平面 MOSFET 發展到 Trench MOSFET，再到 SGT MOSFET 和 SJ MOSFET，再到當下火熱的第三代寬禁帶 MOSFET（碳化硅、氮化鎵），功率 MOSFET 的技術迭代方向主要圍繞制程、 設計（結構上變化）、工藝優化以及材料變更，以實現器件的高性能——高頻率、 高功率和低損耗等。

IGBT 俗稱電力電子裝置的“CPU”，是能源變換與傳輸的核心器件，由 BJT 和 MOSFET 組合而成，是一種全控型、電壓驅動的功率半導體器件。IGBT 沒有 放大電壓的功能，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。IGBT 同時具有 BJT 和 MOSFET 的優點，即高輸入阻抗、低導通壓降、驅動功率小而飽和壓降低等， IGBT 與 BJT 或 MOS 管相比，其優勢是它提供了一個比標準雙極型晶體管更大 的功率增益，以及更高的工作電壓和更低的 MOS 管輸入損耗。因此廣泛應用于 直流電壓為 600V 及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路 和牽引傳動等場景。

IGBT 相比 MOSFET，可在更高電壓下持續工作，同時需要兼顧高功率密度、低 損耗、高可靠性、散熱好、低成本等因素。一顆高性能、高可靠性與低成本的 IGBT 芯片，不僅僅需要在設計端不斷優化器件結構，對晶圓制造和封裝也提高了更高的要 求。

2. 中國功率半導體發展現狀

產品由低端逐步走向中高端，國產替代空間廣闊。我國功率半導體產業仍處于起 步階段，總體呈現產業鏈完整、廠家多、發展迅速等特點。截止 2022 年 4 月，中國 功率半導體相關企業已超 320 家。主要分布在廣東（130 家）和江蘇（56 家）等東 南沿海地區。

國產功率半導體已在眾多領域應用，特別是低端產品，如二極管、三極管、晶閘 管、低壓 MOSFET（非車規）等，已初現“規模化效應、國產化率相對較高”等特 點。在中高端領域，如 SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特別是車規產品，由于起步 晚、工藝相對復雜以及缺乏車規驗證機會等問題，國內廠家依然在追隨海外廠家技術 發展路線。但近年來，市場逐漸從依賴進口向國內自給自足轉變，國產替代潛力大。

芯片進口金額持續處于高位，功率半導體市場空間足夠大。據中國海關總署數據， 2021 年，中國進口集成電路 6354.8 億個，同比增長 16.92%。全年進口金額累計為 4325.54 億美元，同比增漲 23.59%。中國為功率半導體消費大國，2021 年中國功率 半導體市場規模約為 183 億美元，同比增長 6.4%，預計 2022 年將進一步增長至 191 億美元。

國家和地方政策支持，加速國產替代進程。受益于國家和地方政府的鼓勵政策， 國內電動汽車與充電樁、光伏與儲能等領域需求增長，功率半導體競爭格局有望被重 塑——國內功率半導體的國產化進程有望加速。

3. 功率半導體前景廣闊，汽車、充電樁和光伏多輪驅動

功率半導體應用前景廣闊，幾乎涵蓋了所有電子產業鏈。以 MOSFET、IGBT 以 及 SiC MOSFET 為代表的功率器件需求旺盛。根據性能不同，廣泛應用于汽車、充 電樁、光伏發電、風力發電、消費電子、軌道交通、工業電機、儲能、航空航天和軍 工等眾多領域。

據 Yole 數據預測，至 2025 年，全球功率半導體分立器件和模塊的市場規模將 分別達到 76 億美元和 113 億美元。據中國產業信息網數據，2023 年中國大陸地區 IGBT 市場規模預計達到 290.8 億元，同比增長 11.6%。據中國半導體器件行業現狀 深度分析與未來投資預測報告數據，2023 年中國大陸地區 MOSFET 市場規模將達 到 396.2 億元（56.6 億美元，人民幣兌美元匯率按照 7 計算），同比增長 4.8%。

以 MOSFET 為例，據 Yole 預測，到 2026 年，全球 MOSFET（包括分立器件 和模塊）市場總規模預計將達到 94.8 億美元，復合增長率達 3.8%（2020 年至 2026 年）。 MOSFET 汽車應用（電動汽車和汽車充電樁）占比居首位，高達 33%，其中電 動汽車和充電樁分別占比 25%和 8%。從耐壓范圍看，到 2026 年，低壓 MOSFET （0-40V）占總需求的 39%，中壓（41V-400V）占 26%，高壓（大于等于 600V）廣 泛應用在 220V 系統中，占總需求的 35%。同時，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET 市場滲透率在逐步提高。

2020 年以來，電動汽車、汽車充電樁和光伏逆變器可謂拉動功率半導體增長的 三駕馬車。

電動汽車： 電動汽車進一步滲透終端消費市場，帶動功率器件和模塊需求快速 增長。特別是 MOSFET 和 IGBT（包括單管及模組）的增長較為顯著。據貝殼投 研數據，2021 年中國車規級 IGBT 市場規模為 47.8 億元，預計到 2025 年，其 將達到 151.6 億元。據芯謀研究數據，2021 年和 2025 年中國車規 MOSFET 的 市場規模分別為 73.5 億元（10.5 億美元，匯率按 7 計算）和 122.5 億元（預測 數據，17.5 億美元，匯率按 7 計算）。

充電樁： 受益于新能源汽車快速增長，與之配套的充電樁市場亦呈現快速發 展態勢。據億渡數據預測，至 2026 年，中國充電設施市場規模將達 2870.2 億元，2022 年到 2026 年復合增長率高達 37.83%。從直流充電樁相關零部 件分解可以看出，充電機是充電樁的最核心部件，成本占充電樁的 50%以上， 而功率半導體是充電機的最核心組成部分，成本占充電機的一半以上。

光伏：據中國光伏行業協會數據，至 2025 年，中國新增光伏裝機保守預測為 90GW，同比增長 10%。據未來智庫數據預測，2025 年中國光伏逆變器市場 規模達 196 億元。 逆變器是光伏系統的心臟，中高壓 MOSFET、IGBT 及碳化硅等功率器件是 光伏逆變器的核心，其決定著光伏逆變器的性能高低，進而直接影響光伏系 統的穩定性、發電效率以及使用壽命。據中商產業研究院數據，光伏逆變器 主要由機械件、電感和半導體器件構成，分別占比 27.6%、14.2%、11.8%。

綜上，在電動汽車、充電樁以及光伏逆變器等多輪驅動下，功率器件有望穩健增 長，為千億賽道奠定堅實路基。