功率半導體是電子裝臵電能轉換與電路控制的核心，本質上，是通過利用半導體的單向導電性實現電源開關和電力轉換的功能。無論是水電、核電、火電還是風電，甚至各種電池提供的化學電能，大部分均無法直接使用，75%以上的電能應用需由功率半導體器件進行功率變換以后才能供設備使用。

模擬 IC 中的電源管理 IC 與分立器件中的功率器件功能相似，二者經常集成在一顆芯片中，因此功率半導體包括功率 IC 和功率器件。功率半導體的具體用途是變頻、變相、變壓、逆變、整流、增幅、開關等，相關產品具有節能的作用，被廣泛應用于汽車、通信、消費電子和工業領域。在汽車中，汽車蓄電池的輸入電壓在 12V-36V，而民用電電壓為 220V，將民用電電壓轉換至輸入電壓的過程叫做變壓。蓄電池的輸入電流一般是直流電，將交流電轉換為直流電的過程叫做整流。汽車運行時，蓄電池持續輸出直流電，而汽車的各個模塊需要使用交流電，交流電轉換為直流電的過程叫做逆變。汽車蓄電池輸出的電壓很低，無法滿足各個模塊的需求，將低電壓轉換成高電壓的過程叫做增幅。電動汽車的馬達使用的電流是三相電。首先，蓄電池輸出的直流電經過逆變后成為單向交流電，將單向交流電變為三相電的過程叫做變相。

功率半導體分類

功率半導體主要分為功率器件、功率 IC。其中功率器件經歷了近 70 年的發展歷程：20 世紀 40 年代，功率器件以二極管為主，主要產品是肖特基二極管、快恢復二極管等；晶閘管出現于 1958 年，興盛于六七十年代；近 20 年來各個領域對功率器件的電壓和頻率要求越來越嚴格，MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流，多個 IGBT可以集成為 IPM 模塊，用于大電流和大電壓的環境。功率 IC 是由功率半導體與驅動電路、電源管理芯片等集成而來的模塊，主要應用在小電流和低電壓的環境。根據可控性分類

根據功率半導體的可控性可以將功率半導體分為三類：

第一類是不可控型功率器件，主要是功率二極管。功率二極管一般為兩端器件，其中一端為陰極，另一端為陽極，二極管的開關操作完全取決于施加在陰極和陽極的電壓，正向導通，反向阻斷，電流的方向也是單向的，只能正向通過。二極管的開通和關斷都不能通過器件本身進行控制，因此將這類器件稱為不可控器件。

第二類是半控型功率器件，半控型器件主要是晶閘管（SCR）及其派生器件，如雙向晶閘管、逆導晶閘管等。這類器件一般是三段器件，除陽極和陰極外，還增加了一個控制用門極。半控型器件也具有單向導電性，其開通不僅需在陽極和陰極間施加正向電壓，還必須在門極和陰極間輸入正向可控功率。這類器件一旦開通就無法通過門極控制關斷，只能從外部改變加在陽、陰極間的電壓極性或強制陽極電流變為零。這類器件的開通可控而關斷不可控，因此被稱之為半控型器件。

第三類是是全控型器件，以 IGBT 和 MOSFET 等器件為主。這類器件也是帶有控制端的三端器件，其控制端不僅可以控制開通，也能控制關斷，因此稱之為全控型器件。

根據驅動形式分類

根據驅動形式的不同，我們將功率半導體分為三類，第一類是電流驅動型，第二類是電壓驅動型，第三類是光驅動型。

電流驅動型器件有 SCR、BJT、GTO 等，這類器件必須有足夠的驅動電流才能使器件導通或者關斷，本質上是通過極電流來控制器件。GTO 和 SCR 一般通過脈沖電流控制，BJT 則需要通過持續的電流控制。

電壓控制型電路主要是 IGBT 和 MOSFET 等，這類器件的導通和關斷只需要一定的電壓和很小的驅動電流，因此器件的驅動功率很小，驅動電路比較簡單。

光控型器件一般是專門制造的功率半導體器件，如光控晶閘管。這類器件的開關行為通過光纖和專用光發射器來控制，不依賴電流或者電壓驅動。

1.二極管：最簡單的功率器件

二極管是最簡單的功率器件，由 P 極和 N 極形成 PN 結結構，電流只能從 P極流向 N 極。二極管由電流驅動，無法自主控制通斷，電流單向只能通過。二極管的作用有整流電路、檢波電路、穩壓電路和各種調制電路。二極管承受的電壓和電流較低（鍺管導通電壓為 0.3V，硅管為 0.7V），電流一般不超過幾十毫安，電壓和電流過高會導致二極管被擊穿。常見的二極管有肖特基二極管、快恢復二極管、TVS 二極管等。

二極管應用：二極管是最簡單的功率器件，由于二極管具有單向導電的特性，通常用于穩壓電路、整流電路、檢波電路等。齊納二極管通常用于穩壓電路，在達到反向擊穿電壓前，齊納二極管的電阻非常高。達到反向擊穿電壓時，反向電阻降低，在這個低阻區中電流增加而電壓保持恒定。TVS 二極管常用于電路保護，TVS管的響應速度很高，當 TVS 管兩端經受瞬間高能量沖擊時，TVS 能以極高的速度將高阻抗降為低阻抗，從而吸收大電流，保護電路。

二極管市場規模：整流器由二極管與一些金屬堆疊而成，二者在功能上相似，因此將二極管和整流器合并研究。根據 Yole 的數據，2016 年全球二極管及整流器市場規模為 33.43 億美元，其中整流器市場規模為 27.58 億美元，占比為 82.50%。

2.MOSFET：高頻開關，功率器件最大市場

金屬-氧化物半導體場效應晶體管，可廣泛運用于數字電路和模擬電路。MOSFET 由 P 極、N 極、G 柵極、S 源極和 D 漏級組成。金屬柵極與 N 極、P 極之間有一層二氧化硅絕緣層，電阻非常高。不斷增加 G 與 S 間的電壓至一定程度，絕緣層電阻減小，形成導電溝道，從而控制漏極電流。因此 MOSFET 是通過電壓來控制導通，在 G 與 S 間施加一定電壓即可導通，不施加電壓則關斷，器件通斷完全可控。MOSFET 的優點是開關速度很高，通常在幾十納秒至幾百納秒，開關損耗很小，通常用于開關電源，缺點是在高壓環境下壓降很高，隨著電壓上升電阻變大，傳導損耗很高。MOSFET 的導通與阻斷都由電壓控制，電流可以雙向通過。

MOSFET工作原理：MOSFET 本質上是一個開關，開關的導通和關斷完全可控。通過脈寬調制，MOSFET 可以完成變頻等功能。假設一個器件前 1 秒輸入電壓為 100V，后 1 秒 MOSFET 關斷，這 2 秒內相當于持續輸入 50V 的等效電壓，這就是脈寬調制的原理。通過控制 MOSFET 導通關斷可以改變電壓和頻率。

MOSFET 是功率器件最大市場。MOSFET 在功率器件中占比最高，2018 年全球 MOSFET 市場規模為 59.61 億美元，占功率器件市場的 39.78%。MOSFET 的優點在于穩定性好，適用于 AC/DC 開關電源、DC/DC 轉換器，因此 MOSFET 通常用于計算機、消費電子、汽車和工業等領域。Yole 預測到 2022 年 MOSFET下游應用中，汽車占比為 22%，計算機及存儲占比為 19%，工業占比為 14%。

3.IGBT：電力電子行業“CPU”

絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT（雙極型三極管）和 MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合式半導體。IGBT 兼具 MOS 和 BJT 的優點，導通原理與 MOSFET 類似，都是通過電壓驅動進行導通。IGBT 在克服了 MOSFET 缺點，擁有高輸入阻抗和低導通壓降的特點，在高壓環境下傳導損耗較小。IGBT 是電機驅動的核心，廣泛應用與逆變器、變頻器等，在 UPS、開關電源、電車、交流電機等領域，逐步替GTO、GTR 等產品。IGBT 的應用范圍一般都在耐壓 600V 以上，電流 10A 以上，頻率 1KHz 以上的區域。IGBT 固有結構導致其作為高頻開關時損耗較大，IGBT 工作頻率通常為 40-50KHz。IGBT 的導通與阻斷都受電壓控制，可以雙向導通。

IGBT 應用：IGBT 的應用領域非常廣泛，小到家電、數碼產品，大到航空航天、高鐵等領域，新能源汽車、智能電網等新興應用也會大量使用 IGBT。按電壓需求分類，消費類電子應用的 IGBT 電壓通常在 600V 以下，太陽能逆變器需要1200V 的低損耗 IGBT，動車使用的 IGBT 電壓在 1700V 至 6500V 之間，智能電網應用的 IGBT 通常為 3300V。

IGBT分為 IGBT 芯片和 IGBT模塊，其中 IGBT模塊是由 IGBT 芯片封裝而來，具有參數優秀、最高電壓高、引線電感小的特點，是 IGBT 最常見的應用形式，IGBT模塊常用于大電流和大電壓環境。根據 ASMC 的數據，2018 年全球 IGBT 芯片市場規模為 11.36 億美元，IGBT 模塊市場規模為 37.61 億美元，總計 48.97 億美元，占功率器件市場的 32.68%。

4.功率 IC：功率器件與其他元器件集成，用于小電流環境

功率 IC 通常由功率器件、電源管理芯片和驅動電路集成而來，能承受的電流比較小，能承受大電流的模塊一般是 IGBT 集成形成的 IPM 模塊。功率 IC 可以分為以下五大類：線性穩壓、開關穩壓器、 電壓基準、開關 IC 和其他功率 IC。

線性穩壓器：傳統線性穩壓器、LDO 穩壓器；

開關穩壓器：AC-DC 開關穩壓器、DC-DC 開關穩壓器、隔離開關控制器、非隔離開關控制器；

開關 IC：電壓監控器、定序器、開關、熱插拔控制器、以太網電源控制器；電壓基準：緩沖放大器、交流放大器；

其他功率管理 IC：以太網供電控制器、功率因數校正控制器、多通道電源管理 IC、多芯片功率級、單芯片功率級、熱插拔控制器和其他電源管理 IC。

新興應用不斷涌現，功率半導體市場持續向好

功率半導體的應用領域非常廣泛，根據 Yole 數據，2017 年全球功率半導體市場規模為 327 億美元，預計到 2022 年達到 426 億美元，復合增長率為 5.43%。其中，工業、汽車、無線通訊和消費電子是功率半導體的前四大終端市場。根據中商產業研究院的數據，2017 年工業應用市場占全球功率半導體市場的 34%，汽車領域占比為 23%，消費電子占比為 20%，無線通訊占比為 23%。隨著對節能減排的需求日益迫切，功率半導體的應用領域從傳統的工業領域和 4C 領域逐步進入新能源、智能電網、軌道交通、變頻家電等市場。

受益于工業、電網、新能源汽車和消費電子領域新興應用不斷出現，功率半導體器件市場規模不斷增長。根據 Yole 數據，2017 年全球功率半導體器件市場規模 為 144.01 億美元，預計到 2022 年功率半導體器件市場規模將達到 174.88 億美元， 復合增長率為 3.96%。

工業領域是功率半導體最大的市場，數控機床、牽引機等電機對功率半導體需求很大，主要使用的功率半導體是 IGBT。隨著《中國制造 2025》和“工業 4.0”不斷推進，工業的生產制造、倉儲、物流等流程改造對電機需求不斷擴大，工業功率半導體需求增加。

根據中商產業研究院的數據，2016 年全球工業功率半導體的市場規模為 90 億美元，受益于工業技術的進步，2020 年全球工業功率半導體的市場規模將達到 125億美元，復合增長率為 8.56%。

汽車中使用最多的半導體分別是傳感器、MCU 和功率半導體。其中 MCU 占比最高，其次是功率半導體，功率半導體主要運用在動力控制系統、照明系統、燃油噴射、底盤安全系統中。傳統汽車中，功率半導體主要應用于啟動、發電和安全領域，新能源汽車普遍采用高壓電路，當電池輸出高壓時，需要頻繁進行電壓變化，對電壓轉換電路需求提升，此外還需要大量的 DC-AC 逆變器、變壓器、換流器等，這些對 IGBT、MOSFET、二極管等半導體器件的需求量很大。汽車電機控制系統中需要使用數十個 IGBT，特斯拉后三相交流異步電機每相要用到 28 個 IGBT 總共使用 84 個 IGBT，加上電機其他部位的 IGBT，特斯拉共使用 96 個 IGBT。按照每個 IGBT4-5 美元的價格計算，雙電機 IGBT 價格大概在 650 美元左右，如果使用IGBT 模塊則為 1200 美元左右。

單輛汽車的功率轉換系統主要有：（1）車載充電機（chargeronboard），（2）DC/AC系統，給汽車空調系統、車燈系統供電，（3）DC/DC 轉換器（300v 到 14v 的轉換），給車載小功率電子設備供電，（4）DC/DC converter（300v 轉換為 650v），（5）DC/AC逆變器，給汽車馬達電機供電。（6）汽車發電機。

電動汽車將搭載大量新的功率模塊，拉動功率半導體快速發展。電動汽車將新增大量與電池能源轉換相關的功率半導體器件，功率半導體應用大幅上升。根據麥肯錫統計數據，純電動汽車的半導體成本為 704 美元，比傳統汽車 350 美元高出近1 倍，其中功率半導體的成本為 387 美元，占總成本的 55%.

全球汽車功率半導體市場規模穩步增長。根據中商產業研究院、英飛凌數據，2017年全球汽車功率半導體市場規模為58億美元，預計到 2020年達到 70 億美元，復合增長率 6.47%。

通信行業也是功率半導體的一大終端市場，其中通信基站和數據中心等設備需要維持全天供電，供電系統中的逆變器、整流器使用大量的功率半導體。5G 將成為通信功率半導體市場的增長動力，5G 通信帶動基站等設備的建設。根據 MarketResearch Future 的預測，受益于 5G 通信爆發，全球通信設備市場規模將維持高速增長，2016 年全球通信設備市場規模約 288 億美元，預計到 2023 年市場規模將達到 562 億美元，復合增長率約 10%。通信設備市場規模不斷提升，功率半導體需求不斷增加，根據中商產業研究院數據，全球通信功率半導體市場規模將由 2017 年的 57.45 億美元增長至 2020 年的65.96 億美元，復合增長率為 4.71%，5G 基站升級是通信功率半導體市場最重要的推動力。

功率半導體歐美日三足鼎立，國產替代正當時

功率半導體廠商大多有完整的晶圓廠、芯片制造廠和封裝廠，英飛凌、安森美等龍頭企業均為 IDM 模式，對成本和質量控制能力很強，實力強勁。歐美日的功率半導體廠家大多是 IDM 模式，以高端產品為主；中國大陸的廠商大多也是 IDM模式，產品以低端二極管和低壓 MOSFET 為主，實力較弱；中國臺灣以 Fabless 模式為主，主要負責芯片制造和封裝。

功率半導體行業集中度很高，根據 IHS 的數據，2017 年全球前 10 大功率半導體廠商占據了 60.60%的市場份額。其中英飛凌是全球最大的功率半導體廠商，市場占比為 18.50%。功率半導體廠商以歐美日為主，中國廠商起步較晚，技術比較落后，與歐美日廠商差距較大。目前功率半導體廠商可以分為三個梯隊，第一梯隊是英飛凌、安森美等歐美廠商為主，第二梯隊億三菱電機、富士電機等日本廠商為主，第三梯隊是士蘭微、安世半導體等中國廠商。

從供給端來看，全球功率半導體的主要產地集中在歐美日，當地廠商擁有先進的技術和良好的成本管理能力，是 IGBT 和中高壓 MOSFET 的主要制造商，占據全球功率半導體 70%的市場份額。其次是中國臺灣，中國臺灣的廠商從代工向設計的方向發展，與歐美日仍然有一定差距，目前占據全球 10%的市場份額。中國大陸以二極管、低壓 MOSFET、晶閘管等低端功率半導體為主，目前實力較弱，占據全球 10%的市場份額。

從需求端來看，中國是全球最大的功率半導體消費國。根據 Yole 數據，中國功率半導體市場空間占全球比例為 39%，居第一位；歐洲第二位，占比 18%，美國占比 8%，日本占比 6%，其他地區占比 29%。

功率半導體呈供需嚴重不匹配的格局，歐美日的功率器件產量占全球的 70%，中國是全球最大的功率器件市場，中國功率器件產能僅占全球的 10%，且以低端產品為主，功率器件缺口巨大。

其中， 二極管市場集中度低，有望率先實現國產替代。

二極管市場集中度低。二極管是最早出現的功率半導體，第一代二極管距今已經有 100 多年的歷史。與其他功率半導體相比，二極管的技術壁壘較低，市場上二極管廠商數量眾多。前 5 大廠商中，Vishay 市場占比約 11%，其他廠商市場占比在5%-8%之間，二極管市場相對分散，市場集中度較低。

技術壁壘低，國外廠商產能下降。Diodes 在全球二三極管擁有很高的市場份額，2016 年底公司的晶圓廠因設備老化發生火災，晶圓廠停產整改。此次事故涉及的主要產品是二三極管和通用料，將對全球二三極管供給造成較大影響。

二極管制造已經非常成熟，技術門檻比較低，注重生產成本和質量的控制。我國二極管生產企業大多是 IDM 模式，對質量控制比較嚴格，加上勞動力成本較低，二極管廠商具有較強的競爭力。國外廠商產能下降，國內廠商有望進一步擴大市場份額，進口替代空間巨大。自 2014 年起，我國二極管的出口數量已經超過進口數量，有望率先實現國產替代。

來到MOSFET方面，中低壓市場有望替代，高壓市場取得突破。

根據 IHS 的數據，中國 MOSFET 市場規模約 26.40 億美元，市場被歐美廠商所把持，國內最大的 MOSFET 廠商是英飛凌，2017 年在中國市場占比為 26.90%，前 5 大廠商市場占比為 64.00%，MOSFET 市場集中度較高。國內廠商士蘭微市場占比為 2.5%，排名第十。建廣資本收購恩智浦的標準業務部門后成立了 Nexperia（現已經被聞泰收購），公司承接了恩智浦的 MOSFET 業務，2017 年 Nexperia 在國內市場占比為 3.2%，排名第八，在全球市場排名第十。士蘭微與 Nexperia 市場占比總計為 5.7%，國產替代空間巨大。當中中低壓市場國外大廠退出，國內廠商有望承接市場份額，

瑞薩電子是全球最大的中低壓MOSFET廠商，公司在該領域市場占比為40%，2013 年瑞薩率先退出中低壓 MOSFET 領域，其他廠商也紛紛開始向毛利率較高的高壓 MOSFET 領域轉型。中國是全球最大的消費電子生產國，對中低壓 MOSFET需求巨大，目前士蘭微的產品已經覆蓋了白色家電領域，國內廠商有望承接中低壓MOSFET 領域的市場份額，實現國產替代。

至于IGBT，自給率不足 10%，國內廠商有望逐個突破。

IGBT 市場上的主要供應商是英飛凌、三菱、富士電機、ABB、安森美等歐美和日本廠商。英飛凌是全球最大的 IGBT 廠商，2016 年英飛凌市場占比為 21.40%，前 5 大廠商占比為 64.10%，市場集中度很高。英飛凌、富機電子和安森美等廠家在 1700V 以下的中低電壓 IGBT 領域處于領導地位，三菱則主宰了 2500V 以上的高電壓 IGBT 領域。

英飛凌：公司是功率半導體全球龍頭企業，產品主要用于汽車和工業領域，2018年汽車產品占公司總營收的 43%，電源管理占公司總營收的 31%，工業領域產品占公司總營收的 17%。2014-2018 年公司營收從 43.20 億歐元增長至 75.99 億歐元，復合增長率為 15.16%，凈利潤從 5.35 億歐元增長至 10.75 億歐元，復合增長率為19.06%。英飛凌的營收主要來自中國，中國市場占總營收的 34%。

布局 12 英寸產線，有望繼續保持競爭優勢。受 8 寸晶圓產能吃緊的影響，英飛凌積極拓展 12 英寸功率半導體生產線。與 8 英寸晶圓生產線相比，12 英寸生產線的技術難度更大，對品質把控要求更加嚴格。另一方面，單個 12 英寸晶圓切割產生的功率半導體數量比 8 寸晶圓切割產生的數量多，能夠有效提高產能，解決 8英寸晶圓供給不足的問題。2019 年 2 月，英飛凌的財報表示公司將新建 12 英寸功率半導體廠，憑借優秀的成本和質量管控能力，未來英飛凌有望降低功率半導體生產成本。同時，公司將部分產能委托給一些勞動力成本較低的國家代工，降低生產成本。隨著 12 英寸產線的建成和委托代工比例不斷增大，公司有望鞏固功率半導體龍頭地位。

中國 IGBT 行業比較落后，前 10 大廠商中僅斯達股份一家中國廠商。根據 IHS的數據，2016 年斯達股份在 IGBT 市場占比為 2.50%。中國中車在 4500V 以上 IGBT（一般用于高鐵）領域取得突破，2017 年在 4500V 以上高壓 IGBT 領域排名第五。

根據集邦咨詢的數據，2017 年我國 IGBT 市場規模為 121 億元，按當年美元匯率折算，市場規模為 17.92 億美元，占全球 IGBT 市場的 39.83%。我國是全球最大的 IGBT消費國，但自給率很低。2017 年中國 IGBT 行業產量為 820 萬只，我國 IGBT 市場需求為 6680 萬只，自給率 12.28%，供給嚴重不足。

中國 IGBT 廠商大多專注于某一領域的產品，斯達股份的產品主要用于電力和電機牽引，2017 年營收排名世界前 10，公司產品性能優異，專注于第六代 IGBT研發與生產，有望在電力和電機牽引領域實現國產替代。中國時代專注于 4500V以上 IGBT 研發生產，產品用于軌道交通領域。目前中車時代在 4500V 以上的 IGBT領域市場規模排名第五。我國新出廠的高鐵將全部使用國產 IGBT，中車時代的IGBT 已經出口到印度，我國高鐵 IGBT 基本實現國產替代。比亞迪專注于汽車IGBT 領域，擁有 IGBT 全產業鏈。2017 年公司推出 IGBT4.0，產品部分性能已經達到國際領先水平，在新能源汽車 IGBT 領域有望打破國外廠商的壟斷。

新材料功率半導體大有可為，國內企業有機會

隨著功率半導體性能要求不斷提高，原有材料無法滿足新的需求，新型半導體材料不斷被開發出來。半導體材料發展歷程共經歷了三代，第一代材料是硅和鍺，第二代材料是砷化鎵和磷化銦，第三代半導體材料是碳化硅和氮化鎵。在不同的領域使用的半導體材料不同，各種半導體材料形成互補的關系。

第一代半導體材料

第一代半導體材料是鍺和硅，20 世紀 50 年代半導體材料以鍺為主，基爾比開發出了基于鍺的集成電路。鍺可用于低壓、低頻、中功率晶體管及光探測電路中，缺點是耐輻射和耐高溫性能很差。20 世紀 60 年代，硅取代鍺成為新的半導體材料，硅絕緣性好，提純簡單，至今仍然是應用最多的半導體材料，硅主要用于數據運算領域。

第二代半導體材料

第二代半導體材料以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表。人類對數據傳輸速度要求越來越高，硅的傳輸速度慢，化合物半導體應運而生。化合物半導體砷化鎵和磷化銦可用于制作高速、高頻、大功率及發光電子器件，主要用于通信領域。

第三代半導體材料

半導體性能要求不斷提高，在高溫、強輻射、大功率環境下，第一、二代半導體材料效果不佳，第三代半導體材料開始嶄露頭角。第三代半導體材料又被稱為寬禁帶半導體材料，主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等，其中碳化硅和氮化鎵比較成熟。與第二代半導體材料相比，第三代半導體材料的優點是禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率高、抗輻射能力強、發光效率高、頻率高，常用于藍、綠、紫光的發光二極管，第三代半導體材料的另一個優點是環保，不會產生砷化鎵（GaAs）、鎵離子、銦離子等污染物。

首先看碳化硅功率器件，這個產品市場前景廣闊，但歐美日三分天下。

4H-SiC 適用于微電子領域，通常用于高頻、高溫、大功率器件，6H-SiC 適用于光電子領域。SiC 器件的優點在于功耗大大降低：

1.應用在高鐵領域，節能可達 20%以上，并減小電力系統體積；2.應用在新能源汽車領域，可降低能耗 20%；3.應用在家電領域，可節能 50%；4.應用在風力發電領域，可提高效率 20%；5.應用在太陽能領域，可降低光電轉換損失 25%以上；6.應用在工業電機領域，可節能 30%-50%；7.應用在超高壓直流輸送電和智能電網領域，可使電力損失降低 60%，供電效率提升 40 以上；8.應用在大數據領域，可幫助數據中心大幅降低能耗；9.應用在通信領域，可顯著提高信號傳輸效率和傳輸安全及穩定性；10.應用在航天領域，可使設備損耗減小 30%-50%，工作頻率提高 3 倍，電容電感體積縮小 3 倍，散熱器重量大幅降低。

（一）SiC 二極管：取代快恢復二極管

碳化硅二極管通常是 SiC 肖特基二極管，主要用于在 600V 以上領域替代傳統的快恢復二極管。碳化硅肖特基二極管的正向導通電壓比硅 PIN 功率二極管低，但導通電阻高，導通損耗取決于正向電流的大小，因此碳化硅肖特基二極管損耗較小。

碳化硅肖特基二極管的正向導通電壓是正溫度系數，流過各自二極管的電流能夠連續自主平衡分配，電流流向溫度低的二極管，最終達到均流。而硅 PIN 功率二極管的導通電壓是負溫度系數，溫度升高，電流流向溫度高的二極管，最終電流分配失衡，因此碳化硅二極管適用于高溫領域。碳化硅肖特基二極管的反向漏電流和反向恢復時間遠遠小于硅功率二極管，可大幅降低開關損耗，開關頻率很高，適用于高電壓領域。

（二）SiC MOSFET：取代硅基 IGBT

MOSFET 和 IGBT 都用作開關，不同點在于硅基 MOSFET 不耐高壓，只能用在低壓領域，開關頻率高，損耗低。IGBT 結合了 BJT 和 MOS 的優點，耐高壓性能較強，開關頻率低于 MOSFET，損耗較高。SiC MOSFET 具有較高的擊穿電場強度，比傳統 Si MOSFET 更耐高壓，同時擁有更高的開關頻率和下降的通態電阻，開關速度比 Si IGBT 快，損耗比 Si IGBT 小，在高頻、高電壓領域將取代 Si IGBT和 Si MOSFET。

碳化硅前景廣闊：在過去，高昂的價格制約了碳化硅的發展。根據各個廠商的報價，SiC MOSFET 的價格約 20 美元，而硅基 IGBT 的單價為 4-5 美元，碳化硅器件的價格是硅基器件的 4-5 倍，考慮到碳化硅器件價格過高，目前大部分廠商還是采用硅基 IGBT。預計到 2020 年碳化硅器件的價格將于硅器件價格持平，在新能源汽車、風力發電和軌道交通等領域，碳化硅器件將逐步取代硅基 IGBT 等器件，碳化硅器件市場將迎來爆發。根據 Yole 的數據，2015 年碳化硅器件市場規模在 2.1億美元左右，2016-2020 年碳化硅功率器件市場復合增長率為 28%，在 2020 年后碳化硅功率器件市場迎來爆發，復合增長率達到 40%，預計到 2022 年碳化硅市場將達到 10 億美元。

在新能源汽車、風力發電和軌道交通等領域用來替代硅基 IGBT。目前 SiCMOSFET 最大的應用領域為能量傳輸，主要是因為其導通壓降很低，輸電時損耗很小。SiC MOSFET 的損耗和體積都比硅基 IGBT 小，可以縮小新能源汽車中器件的尺寸，降低功耗。隨著新能源汽車爆發，SiC MOSFET 需求不斷上升，預計未來新能源將成為 SiC MOSFET 最大的應用領域。

場上處于領先地位。英飛凌和科銳處于第一梯隊，英飛凌在 2001 年就將 SiCMOSFET 等產品投入市場，2012 年 1200V 碳化硅器件量產，科銳在 2012 年實現 6寸碳化硅晶圓量產。2014 年英飛凌和科銳市場占比為 68%。第二梯隊是日本和歐洲的企業，如意法半導體、富機電子、羅姆半導體等，市場占比為 32%，碳化硅功率半導體市場集中度很高。其中美國企業占全球碳化硅產量的 70%-80%，歐洲擁有完整的 SiC 襯底、外延、器件以及應用產業鏈，日本在設備和模塊開發方面處于領先地位。

中國碳化硅產業鏈初具雛形，與國外廠商仍有一定差距。

襯底：山東天岳、天科合達等公司已經實現 4 英寸碳化硅晶圓量產，6 英寸碳化硅晶圓處于工藝固化階段。

外延片：瀚天天成和天域半導體可供應 4-6 英寸碳化硅外延片。

器件：泰科天潤的 600V-1700V 碳化硅二極管已經實現量產，產品質量可以比肩國際同行業的先進水平。

（三）氮化鎵（GaN）：起步較晚，襯底成本高昂

與碳化硅相比，氮化鎵適用于超高頻功率器件領域，GaN 器件最高頻率超過106 Hz，功率在 1000W 左右，開關速度是 SiC MOSFET 的四倍。SiC 的最高頻率在105 Hz 左右，功率約是 GaN 器件的 1000 倍。GaN 定位在高功率、高電壓領域，集中在 600V-3300V，中低壓集中在 100V-600V，主要應用于雷達、筆記本電源適配器等。

目前全球氮化鎵功率器件處于起步階段，根據 Yole 的數據，2018 年全球氮化鎵功率器件市場規模約 4000 萬美元，市場規模較小。新能源汽車爆發增長，電網對輸電性能要求提高將推動氮化鎵功率器件市場快速發展。Yole 預計到 2022 年氮化鎵功率器件市場規模將達到 4.5 億美元。

受制于襯底成本，GaN 發展較慢：GaN 的功率密度、帶寬、可靠性和耐高溫方面遠勝其他材料，缺點在于產品成本很高，不利于大批量生產。GaN 的襯底材料是硅、碳化硅和藍寶石，碳化硅襯底 GaN 器件性能非常好，但是成本高昂。與硅襯底相比，氮化硅襯底的 GaN 器件成本高 100 倍，襯底處理時間相差 200-300 倍。另一方面，硅晶圓不斷向大尺寸擴展，預計硅基 GaN 器件成本將降低 30%-50%。

各廠商加緊布局 GaN 市場：英飛凌在全球 GaN 市場上處于領先地位，公司的CoolGaN 已經可以實現量產。2015 年安森美與 Transphorm 建立合作關系，共同開發及推廣基于 GaN 的產品和電源系統方案，兩家公司聯名推出 600V GaN 級聯結構晶體管。美國 EPC 公司是首個推出增強型氮化鎵 FET 的公司，可實現對傳統MOSFET 的有效替代。2018 年 5 月，公司推出 350V GaN 晶體管 EPC2050，體積是對應硅 MOSFET 尺寸的 1/20，應用領域包括太陽能逆變器、電動車充電器、電機驅動等。意法半導體預計在 2020 年前建立 GaN-on-Si 異質外延生產線。

中國企業積極布局 GaN 領域，中航微電子（已被華潤微電子收購）2015 年成功研制出 600V硅基 GaN 器件。GaN 材料廠商有三安光電、士蘭微，其中三安光電的 6 寸氮化鎵外延片產線已經建成，填補了國內的空白。2017 年 12 月，士蘭微投資一條 4/6 英寸兼容先進化合物半導體器件生產線。珠海英諾賽科在這個市場也進展神速。
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