功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，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。隨著國家對電能替代和節(jié)能改造的推進，迫切需要高質量、高效率的電能，目前世界上大多數電能是經過功率半導體 處理后才能使用，這一比例還將進一步擴大。
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(fā)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、數據來源：英飛凌，公開信息整理，華福證券研究所設計（結構上變化）、工藝優(yōu)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。
根據WSTS統(tǒng)計數據，2023年全球MOSFET市場規(guī)模為143億美元，預計2026年將增長至160億美元；2023年中國MOSFET市場規(guī)模約為51億美元，占全球市場的36%。預計2026年中國MOSFET市場規(guī)模將增長至57.6億美元，增速高于全球市場增速。高壓MOSFET產品占比由2020年的29%增長至36%，出貨量復合增速達8.1%。
IGBT
IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，可在更高電壓下持續(xù)工作，具有高輸入阻抗、低導通壓降、驅動功率小而飽和壓降低的特點，功率增益更大，廣泛應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)。
功率半導體自誕生以來經過七十多年的研究應用，從基材的迭代、結構設計的優(yōu)化、先進封裝形式、大尺寸晶圓的應用等多個方面進行技術創(chuàng)新，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，其結構設計朝著理想目標不斷改進，以適應更多應用場景的需要。據Yole數據，功率半導體器件每隔二十年將進行一次產品迭代，相比其他半導體，迭代周期相對較慢，每一代芯片都擁有較長的生命周期。
發(fā)展至今，功率半導體已擁有較好的國內產業(yè)鏈基礎和相對成熟的技術，中低端國產功率半導體產品已形成規(guī)?；a化，從依賴進口轉變?yōu)閲鴥茸越o自足。在中高端領域，如SGT MOSFET、SJ MOSFET、IGBT、化合物半導體等，由于起步晚、設計門檻高、工藝相對復雜以及缺乏驗證機會等原因，國內廠家依然在追隨海外廠家技術發(fā)展路線。
一、市場規(guī)模分析
功率半導體的市場規(guī)模在全球半導體行業(yè)的占比在8%—10%之間，結構占比保持穩(wěn)定。由于半導體功率器件幾乎用于所有的電子制造業(yè)，包括計算機、網絡通信、消費電子、汽車電子、工業(yè)電子等電子產業(yè)，新興應用領域如新能源汽車/充電樁、數據中心、風光發(fā)電、儲能、智能裝備制造、機器人、5G通訊的快速發(fā)展也拉動了功率器件市場的增長，因此行業(yè)周期性波動較弱，全球功率半導體市場規(guī)模穩(wěn)步增長。
根據Omida的數據及預測，2023年全球功率半導體市場規(guī)模達到503億美元，預計2024年全球功率半導體市場規(guī)模將增長至522億美元，2027年市場規(guī)模將達到596億美元，其中功率IC市場占54.8%，功率分立器件占30.1%，功率模塊占15.1%。
我國作為全球最大的功率半導體消費國，約占全球市場的 1/3，預計2024年將達到206億美元，占全球市場約為39%，未來市場發(fā)展前景良好。
二、從產品品類角度分析
功率半導體可分為功率分立器件、功率IC（Integrated Circuit）和功率模組等。功率分立器件是進行電能（功率）處理的核心器件，是弱電控制與強電運行間的橋梁，主要由二極管、 晶閘管、晶體管等構成；功率IC是電力電子器件技術與微電子技術相結合的產物，將功率器件及其驅動電路、保護電路、接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，包括AC-AC變壓器、AC-DC整流器、DC-AC逆變器、DC-DC穩(wěn)壓器等；功率模組是功率器件按一定的功能組合封裝而成的模塊。
功率半導體分立器件中，以MOSFET、IGBT、SiC MOSFET為代表的功率器件需求旺盛，市場規(guī)模如下：
MOSFET
MOSFET具有開關速度快、輸入阻抗高、導通內阻小、易于驅動、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，既可在低電流和低電壓條件下工作，也可用于大電流開關電路和高頻高速電路，應用場景廣泛。
數據來源：Yole，公開信息整理，華福證券研究所
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(fā)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(yōu)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。
根據WSTS統(tǒng)計數據，2023年全球MOSFET市場規(guī)模為143億美元，預計2026年將增長至160億美元；2023年中國MOSFET市場規(guī)模約為51億美元，占全球市場的36%。預計2026年中國MOSFET市場規(guī)模將增長至57.6億美元，增速高于全球市場增速。高壓MOSFET產品占比由2020年的29%增長至36%，出貨量復合增速達8.1%。
IGBT
IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，可在更高電壓下持續(xù)工作，具有高輸入阻抗、低導通壓降、驅動功率小而飽和壓降低的特點，功率增益更大，廣泛應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)。
數據來源：英飛凌，公開信息整理，華福證券研究所
WSTS數據顯示，2023年全球IGBT市場規(guī)模達到90億美元，預計2026年將達到121億美元；中國是全球IGBT最大的消費市場，2023年中國IGBT市場規(guī)模達32億美元，預計到2026年中國IGBT市場規(guī)模將達到42億美元。
第三代半導體
碳化硅（SiC）器件具有耐高壓、大電流、耐高溫、高頻、高功率和低損耗等優(yōu)點。氮化鎵（GaN）器件具有高電子遷移率、寬頻帶、高擊穿場強、耐高溫等特點。
由于 SiC 在高功率、高溫應用應用上比 GaN 更有優(yōu)勢，目前 SiC 功率器件在新能源汽車行業(yè)迅速發(fā)展，市場規(guī)模增長快速。根據 Yolo 數 據，在汽車應用的強勁助推下，尤其是純電動汽車 EV 主逆變器日益增長的需求（占據70%以上的市場份額），整個 SiC 市場呈現出高速增長，同時工業(yè)控制和新能源領域 SiC 應用也高于市場預期的增長，2023年SiC器件全球市場規(guī)模約 27 億美元，預計2029年將超過100億美元，2023-2029年復合年增長率為25%。
圖 2023年-2029年SiC功率器件市場預測 來源 Yole
根據Yole數據，氮化鎵功率半導體器件市場將從2021年的1.26億美元增至2027年的20億美元，年復合增長率為59%。
三、從應用領域角度分析
隨著新能源汽車和充電樁、光伏及儲能、AI服務器及數據中心、無人機、5G、物聯網、人工智能等新興市場為功率半導體行業(yè)帶來新的應用場景和需求，工業(yè)自動化、消費電子等支柱行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，作為終端產品核心元器件的高性能功率器件使用需求勢必不斷增加。
1）新能源汽車及充電樁
新能源汽車產業(yè)是我國國民經濟發(fā)展的重要支柱產業(yè)，加速新能源汽車創(chuàng)新和開發(fā)是汽車產業(yè)的重點發(fā)展方向。隨著新能源汽車購置稅減免政策的延續(xù)、用車環(huán)境優(yōu)化、限牌限號地方政策等因素的催化，新能源車的優(yōu)勢逐漸顯露；同時新四化（電動化、智能化、網聯化、共享化）趨勢下，汽車產業(yè)進入百年未有的大變革時代，新能源汽車迎來大發(fā)展，預計未來滲透率將不斷提高，汽車對芯片的需求量在不斷增加。從基本的電力系統(tǒng)控制到無人駕駛技術、高級駕駛輔助系統(tǒng)和汽車娛樂系統(tǒng)，都對電子芯片有著極大的依賴。
來源 方正微電子
功率半導體作為實現電能轉換的核心器件，新能源車功率器件單車用量約為傳統(tǒng)燃油車的2至3倍。中汽協數據顯示，傳統(tǒng)燃油車所需汽車芯片數量為600至700顆，而電動車所需芯片數量為800至1,000顆，功率半導體芯片為新能源車必不可少的器件。
新能源汽車電機驅動系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、空調系統(tǒng)等部件廣泛使用功率半導體器件，其中MOSFET和IGBT占據主導地位。根據IHS數據，新能源汽車動力系統(tǒng)功率器件需求的全球市場規(guī)模將從2022年的20億美元增長到2026年的39億美元。中國功率器件單車價值由2021年的400美元/輛增長至2023年的460美元/輛。
充電樁領域，快速充電樁由于其較高的充電功率和充電效率，需要使用大功率器件。IHS數據顯示，2023年我國新增公共充電樁73.1萬臺，年增速為50.2%，累計公共充電樁達到203.3萬臺；截至2023年底，全國充電樁保有量累計達521.1萬臺，同比增速為99.3%，預計2025年充電樁保有量將達到1,200萬臺，充電樁功率半導體市場規(guī)模有望達到33億美元。
新能源汽車和充電樁行業(yè)正逐步成為功率半導體最大的應用市場之一，且仍將維持高速增長，為高性能、高效率功率半導體器件提供了龐大的增量需求，未來新能源汽車領域對IGBT、SiC的需求持續(xù)旺盛。
2）數據中心
數據中心作為現代信息社會的重要基礎設施，承載著信息存儲、計算和處理的重任。近年來，數據中心建設快速推進，并在5G、大數據、人工智能、物聯網等新興技術驅動下，數據流量急劇增加，對計算性能和能效提出了更高要求。高效、可靠的電源管理解決方案成為數據中心建設的關鍵要素。
圖源 英飛凌
在數據中心建設中，功率半導體扮演著重要角色，包括電源管理芯片、電源轉換器、逆變器等。隨著數據中心規(guī)模的不斷擴大和性能要求的提升，對功率半導體的需求量也在不斷增加。根據IDC數據，2023年全球數據中心市場規(guī)模達到2800億美元，預計2026年將達到3800億美元，年復合增長率為10.4%。
3）風-光-儲-氫等新能源發(fā)電產業(yè)
光伏發(fā)電作為清潔能源的重要組成部分，在全球能源轉型中扮演著重要角色。隨著光伏技術的不斷進步，光伏發(fā)電成本逐漸降低，光伏裝機容量迅速增長。儲能系統(tǒng)作為光伏發(fā)電的重要配套設施，在實現光伏電能高效利用方面發(fā)揮著關鍵作用。
圖源 英飛凌
光伏及氫能、儲能系統(tǒng)中，功率半導體器件廣泛應用于逆變器、變頻器、充放電控制器等設備中。逆變器作為光伏系統(tǒng)的核心設備，功率半導體器件的性能直接影響整個系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。根據IRENA數據，2023年全球光伏裝機容量達到1,000GW，預計2026年將達到1,500GW，年復合增長率為14.9%。
根據國家能源局的數據，2023 年中國光伏新增并網容量達到了 216.88GW，同比增長 148%，截至 2023 年底，中國累計并網容量達到了 6,089GW，預計 2024 年將繼續(xù)快速增長。
根據國家能源局在新聞發(fā)布會上公布的數據，2023 年中國新型儲能新增裝機規(guī)模約為 22.6GW，同比去年增加 261%；2023 年全國新增風電并網裝機 75.9GW，同比增長 102%。根據全球風能理事會（GWEC）發(fā)布的《2023 全球風能報告》，2023 年，全球風電新增裝機容量為 118 GW，同比增長 36%，同時指出，未來五年全球風電新增并網容量預計將達到 680 吉瓦（GW），預計未來五年平均每年風電新增裝機將達到 136GW，實現 15%的復合增長率。
四、IGBT和SiC的當前開發(fā)狀況
IGBT：絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在電能轉換和傳輸中占據重要地位。近年來，IGBT在電動汽車、軌道交通、可再生能源等領域得到廣泛應用。中國在IGBT領域取得了顯著進展，國產IGBT器件的性能逐漸接近國際領先水平。同時，國內企業(yè)加大了對IGBT技術的研發(fā)投入，未來有望實現技術的進一步突破和產業(yè)化的全面發(fā)展。
SiC：碳化硅（SiC）作為第三代半導體材料，具有優(yōu)異的高溫、高頻、高壓性能，廣泛應用于電動汽車、光伏發(fā)電、風力發(fā)電等領域。近年來，SiC器件市場需求快速增長，全球主要半導體企業(yè)加大了對SiC技術的研發(fā)投入。國內在SiC領域也取得了顯著進展，多家企業(yè)已經具備了SiC器件的生產能力，并在市場上逐漸占據一定份額。
功率半導體器件行業(yè)是我國重點鼓勵和支持的產業(yè)，為推動電力電子技術和產業(yè)的發(fā)展、建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，國家制訂了一系列政策與法規(guī)引導、鼓勵、支持和促進國內功率半導體事業(yè)的發(fā)展，增強本土科技競爭力，功率半導體產業(yè)已上升至國家戰(zhàn)略高度。隨著“智能制造”和“新基建” 等國家政策的深入推進，以及“碳達峰、碳中和”雙碳策略的落實，以 IGBT 和 SiC 功率半導體作為我國實現電氣化系統(tǒng)自主可控以及節(jié)能環(huán)保的核心零部件，有望在政策的護航之下駛入快車道。
文章來源：艾邦半導體
