功率半導體的應用與發展

 功率半導體器件本質利用半導體的單向導電性改變電路中的電壓, 電流, 頻率, 導通狀態等物理特性, 實現電源開關和電力轉換等管理, 是工業加工, 汽車制造, 無線通信, 消費電子, 電網輸變電和新能源等應用領域的核心.

功率半導體可分為功率分立器件, 功率模組, 功率 IC 三大類. 功率分立器件是功率模組與功率 IC 的基礎元件. 功率模組是將多個分立功率器件進行模組化封裝, 而功率 IC 是將功率分立器件與驅動, 控制, 保護, 接口, 監測等外圍器件集成.

根據 Omida 的統計, 全球功率分立器件中二極體占 7%, 晶閘管占 3%, 整流器 (由 4 個二極體組成) 占 27%, MOSFET 占 53%, IGBT 占 10%. 中國功率分立器件中, 二極體占 10%, 晶閘管占 3%, 整流器占 23%, MOSFET 占 54%, IGBT 占 10%.

二極體: 不可控型器件, 結構簡單. 晶閘管: 半控型器件, 耐壓高, 通流大, 響應頻率/開關速度差. MOSFET: 全控型電壓驅動器件, 開關速度快, 驅動簡單. IGBT: 全控型電壓驅動器件, 開關速度處於晶閘管和 MOSFET 之間, 耐高壓.

二極體, 晶閘管等器件生產工藝相對簡單, 在中低壓領域大量使用; MOSFET, IGBT 等器件更多應用於高壓, 高可靠性領域, 器件結構相對複雜並且生產工藝門檻較高, 成本較高, 在新能源車, 軌道交通, 工業變頻等領域廣泛使用.

從全球市場來看, 2019 年汽車占比最高, 達 35%, 工業, 消費電子占比分別為 27% 和 13%, 是第二, 第三大應用領域. 從中國市場來看, 2019 年汽車電子占比達 27%, 其次為消費電子, 工業, 電力, 占比分別為 23%, 19% 和 15%.

根據 Omdia 預測, 2019 年全球功率半導體市場規模約為 464 億美元, 預計至 2024 年市場規模將增長至 522 億美元, 2019-2024 的 CAGR 為 2.4%.中國來看, 功率半導體產業鏈日趨完善, 市場增速高於全球市場, 2019-2024 年的 CAGR 為 3.1%.

Yole 預計到 2024 年, 全球 IGBT 模組市場將會增長至 19.10 億美元, 5 年 CAGR 達13.17%. 根據 Omdia 預測, 中國新能源車 IGBT 模組市場將從 2019 年的 2.8 億美元快速增長至 2023 年的 8.8 億美元, 4 年 CAGR 接近 30%.

車載功率半導體市場中, 第一大供應商為英飛淩, 市占率 25.5%, 第二大為意法半導體, 市占率 13.9%, 前五大公司合計占比 62.1%, 集中度較高. 中國在車載功率半導體領域基礎薄弱, 但近幾年整車廠發展迅速, 為本土產品替代提供了機遇.

SiC 基功率器件相對於 Si 基功率器件的優勢主要來自三個方面: 低損耗, 小型化, 耐高溫與高電壓. SiC 功率器件可大幅節省新能源車電池, 散熱, 空間等成本. SiC 功率器件在車內應用滲透, 逆變器, PCU, 充電等系統均在逐步導入 SiC.

中國 GaN 快充市場約占全球的五成, 未來 5 年高速增長. 汽車: GaN 在汽車市場即將迎來突破, GaN 主要在電源轉換系統, 光達, 電機驅動等方面推動車載功率器件的升級. GaN 功率市場處於爆發前夕, 即將進入 10 年增長 "快車道".

IDM 模式即垂直整合制造模式, 集晶片設計, 晶片制造, 晶片封裝和測試等多個產業鏈環節於一身; Fabless 模式即無晶圓加工線設計模式, 只負責晶片的電路設計與銷售; 將生產, 測試, 封裝等環節外包; Foundry/OSAT 即代工模式, 只負責制造, 封裝或測試, 不負責晶片設計.

受新冠疫情影響, 全球半導體市場供需 "剪刀差" 加大, 功率器件整體缺貨漲價. 英飛淩, 安森美和 Diodes 的低壓 MOSFET, IGBT 貨期最長達到了 50-52 周, 且價格還在持續走高. 下游廠商為保證供給開始轉向國內廠商備貨, 功率器件國產替代加速.