2024功率半导体行业研究报告-深企投产业研究院

深企投产业研究院 2024行业研究系列报告 功率半导体行业研究报告 ø"#$%&'()*+#,-./ 1 深企投集团深企投产业研究院 "# 一、产品类别1 二、主要产品性能和应用场景4 三、行业经营模式8 四、行业市场规模10 五、IGBT市场格局12 六、第三代功率半导体市场格局18 （一）碳化硅功率半导体18 （二）氮化镓功率半导体20 七、全球及中国功率半导体重点企业21 "#$%& 图1功率半导体下游应用领域2 图2功率半导体类别及在半导体中的范围3 图3主要功率器件应用场景7 图4IGBT等功率器件主要应用范围7 图52022年-2027年全球功率半导体市场规模（亿美元）11 图62022年全球功率器件各产品市场规模预测（亿美元）12 图72016-2023年全球IGBT市场规模（亿美元）13 图82020-2025年中国IGBT主要下游应用市场份额（%）14 图92020-2025年中国IGBT主要下游应用市场规模（亿元）.14 图102015-2021年IGBT国产化率（按产量端口径）15 图112021年全球IGBT分立器件市场格局16 图122021年全球IGBT模块市场格局16 图132021年全球IPM模块市场格局17 图142022-2026年全球GaN功率元件市场规模（亿美元）20 表1功率半导体类别（按集成度）2 表2功率半导体分类3 表3IGBT主要产品形式6 表4IGBT产品电压等级及对应下游领域6 表5SiC功率半导体产业链代表企业19 表6国内GaN功率半导体产业链代表企业21 表72021年全球功率半导体主要企业营收22 表8我国功率半导体重点企业22 表92022年国内重点厂商功率半导体业务营收24 功率半导体应用涵盖了电子产业链的各个领域，随着新能源汽车、新能源等产业的高速发展，功率半导体的产业规模将逐步提升，IGBT、第三代功率半导体将是增长最快的领域。美欧日企业在全球功率半导体市场中占据主要地位，中国企业得益于下游应用市场规模优势，在IGBT、第三代功率半导体领域的国产替代将加速推进。 '#()*+ 有用电的地方就有功率半导体。功率半导体是半导体的重要组成部分，是电力电子设备中电能转换与电路控制的核心，在电子电路中起到功率转换、功率放大、功率开关、线路保护和整流等作用，主要用于改变电力电子设备中电压和频率、直流交流转换等，广泛应用于移动通讯、消费电子、新能源汽车、轨道交通、工业控制、发电与配电等电力、电子领域，功率范围从几W（消费电子产品）至几GW（高压直流输电系统）。 图1功率半导体下游应用领域 资料来源：东莞证券《电子行业，功率半导体专题报告：下游需求旺盛，国产替代进行时-210929》。 功率半导体按照集成度，可分为功率半导体分立器件、功率模块和功率集成电路（功率IC）。一般将功率分立器件、功率模块统称为 功率器件。 表1功率半导体类别（按集成度） 类别 概述 功率分立器件 是半导体分立器件的分支，主要包括二极管、晶闸管、晶体管等产品，是电路中最基本的元件。 功率模块 将多种功率器件和电路单元集成在一起的电路模块，通常包括功率管、二极管、IGBT等多种元件，并配有散热器、基板和封装等部件。相比于单独使用的功率器件，功率模块具有更高的集成度和更好的性能。 功率IC 将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个芯片上的电子元器件，用来处理模拟信号，实现DC/DC 或AC/DC等更复杂的功能。功率IC的主要构成电路有放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。功率IC具有体积小、重量轻、引出线和焊接点少、寿命长、可靠性高、性能好、成本低、便于大规模生产等优点，应用于各类电子产品。主要包括电源管理IC和各类驱动IC。 资料来源：深企投产业研究院整理。 功率半导体在半导体中的范围和类别如下图所示。 图2功率半导体类别及在半导体中的范围 资料来源：华润微招股说明书等，深企投产业研究院整理。 功率半导体还可按照控制类型、材料特性、驱动方式进行分类， 具体如下： 表2功率半导体分类 分类形式 产品类别 控制类型 通过判断该功率半导体是否主动可控制其打开、关闭来进行分类 不可控：二极管，主要应用于低频整流电路半可控：晶闸管（SCR）全控：GTO、GTR、IGBT、MOSFET 材料类型 制作材料要求拥有足够大的禁带宽度、化学状态稳定，随着材料发展出现了三代半导体，具有不同用途 第一代：硅Si、锗Ge等元素半导体材料，适用于低压、低频、中功率集成电路，在光电子领域和高频高功率器件方面受限第二代：砷化镓GaAs、磷化铟InP等化合物半导体材料，主要用于微波器件、射频等光电子领域第三代：碳化硅SiC、氮化镓GaN等宽禁带 材料，在功率电子、射频通信等领域广泛应用 驱动类型 指该功率器件受何种动力因素而打开或者关闭 电流驱动：二极管、BJT电压驱动：晶闸管、IGBT、MOSFET光控：光控晶闸管 资料来源：深企投产业研究院整理。 ,#-.()/012345 不同功率半导体产品性能不同，因此拥有不同的应用场景。 1）二极管：最常用的电子元件之一，结构和原理简单、工作可靠，具有单向导电性，缺点是可承受的电压电流较小、开关频率不高，用于整流、检波以及作为开关元件。按具体用途，二极管主要类型包括整流二极管、肖特基二极管（SBD）、快恢复二极管（FRD）和稳压二极管等，其中SBD适用于小功率场景，而FRD则适用于较大功率场景。由于结构简单、成本低，二极管广泛应用于消费电子和工业中。2）晶闸管：体积较小，可靠性高，能在高压、大电流下进行工 作，在可控性上优于二极管，缺点是电路结构上必须设置关段电路， 使电路结构变复杂、增加成本，开关频率也不高，难以实现变流装置的高频化。按导通及控制方式的差别可分为双向、逆导、门极关断、BTG和温控晶闸管等不同类型，被广泛应用于可控整理、交流调压、变频器和逆变器等电路中。最基础的为SCR（可控硅）、其次常见的有GTO（门极可关断晶闸管），多用于高压直流输电和轨道交通领域。 3）晶体管：晶体管是功率器件中市场份额最大的种类，根据应用领域和制程的不同，晶体管又可以分为IGBT、MOSFET和双极型晶体管等。 —MOSFET：金属氧化物半导体场效应晶体管，是单极型器件、电压型驱动器件，常见类型有平面栅MOS、沟槽栅MOS、超结MOS、屏蔽栅MOS等。具有双向导电特性，开关速度快、输入阻力高、热稳定性好、驱动功率小且驱动电路简单，不存在二次击穿问题等优点，但电流处理能力相对较弱、耐压低，适用于高频率低功率场景（功率不超过10kW的电力电子装置，电压范围600V以下），广泛运用于消费电子、通信、工业控制和汽车电子等领域。 —IGBT：绝缘栅双极型晶体管，由MOSFET和BJT组合而成复合全控型电压驱动式功率半导体器件，既有MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快特性，又兼具BJT导通电压低、通态电流大、损耗小的优点，在高压、大电流、高速等方面具有独特优势，驱动功率小而饱和压降低，可实现逆变、变频功能。主要适用于中低频率、高功率的工作环境，广泛应用于逆变器、变频器和电源开关等领域，在低压主要应用于变频白色家电、新能源汽车零部件等领域,在中压常 用于工业控制、新能源汽车等领域，在高压领域广泛应用于轨道交通、新能源发电和智能电网等重要领域，被称为电力电子行业的“CPU”。按照封装形式，IGBT产品可分为IGBT单管（IGBT分立器件）、IGBT模块和IPM模块。 表3IGBT主要产品形式 IGBT类型 产品介绍 产品样本 IGBT单管 分立式晶体管，应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器及小功率变频器等领域。 IGBT模块 多个IGBT芯片和FRD芯片通过特定的电路和桥接封装而成，应用于大功率工业变频器、轨交、新能源发电、新能源汽车等领域。 IPM模块 高度集成、紧凑的功率模块，设计用于驱动从家用电器、风扇、泵到通用驱动器等应用领域的电机。 资料来源：英飞凌官网，东海证券《电子IGBT行业深度报告：借新能源大发展的东风，迎接IGBT的增长春天-221227》。 表4IGBT产品电压等级及对应下游领域 电压等级 电压范围 下游应用领域 超低压 400-500V 内燃机点火器、数码相机等 低压 600-1350V 电动汽车、UPS、家电、电焊机、太阳能电池、风电 中压 1400-2500V UPS、地铁/城轨电机驱动、太阳能电池、风电 高压 2500-6500V 轨道交通、工业装备、新能源发电和智能电网等领域 资料来源：英飞凌官网，东海证券。 —BJT：双极型三极管，属于电流型全控器件，通态压降小、载 流能力大，但驱动电流小，更适合低功率场景，在应用频率上低于 MOSFET，主要用于家电等领域。 按照功率和工作频率，主要功率器件的应用领域如下图所示： 图3主要功率器件应用场景 资料来源：雪球钻石研报。 图4IGBT等功率器件主要应用范围 资料来源：电力电子网，方正证券《电子半导体行业深度报告：IGBT功率半导体研究框架-201202》。 4）功率IC：功率IC可以分为AC/DC、DC/DC、电源管理IC、驱 动IC等。 —AC/DC和DC/DC：AC是交流的英文缩写，DC是直流的英文缩写。AC/DC转换就是通过整流电路，将交流电经过整流、滤波，从而转换为稳定的直流电。DC/DC转换器表示的是高压（低压）直流电源 （DC）变换为低压（高压）直流电源（DC）。例如车载直流电源上接 的DC/DC变换器是把高压的直流电变换为低压的直流电。 —电源管理IC（PMIC）：电源管理IC是在单一芯片内包括了多种电源轨和电源管理功能的集成电路，能够将多种功能集成到单片芯片内。PMIC常用于以电池作为电源的装置，能够为主系统提供管理电源的工作，从而提供更高的空间利用率和系统电源效率。PMIC常用于为小尺寸、电池供电设备供电，可应用于电源适配器（手机、PC）、通信设备、服务器、数据中心等领域，近年来应用领域呈现出从消费电子向高端工业（工业电源）和汽车领域转型的现象。 6#789:;< 基础功率器件的设计制造采用IDM模式。功率器件的设计制造模式，与数字IC、模拟IC行业主要使用的Fabless（无晶圆厂模式）有所区别。自台积电开创晶圆代工（Foundry）模式以来，先进晶圆制造的资本投入和规模效应越发显著，Fabless与Foundry的产业链分工更加精细，IC设计则成为半导体行业占比最大的板块，英伟达、高通、联发科等成长为全球芯片巨头。垂直整合的IDM模式则面临先 进工艺落后的问题，如英特尔应对半导体行业应用市场的快速变化越加吃力，逐步走向IDM与代工混合的模式。因此，数字IC和模拟IC，包括CPU、GPU、AI芯片，甚至MCU和电源管理芯片均主要使用Fabless模式，是IC设计公司的最佳选择。与之相比，功率器件的技术变化相对缓慢，且产品使用周期长，比如IGBT功率器件的使用寿命可达到30年。传统功率器件，如二极管、晶闸管、双极型晶体管、MOSFET等，产品已有数十年历史，国际巨头如英飞凌、意法半导体ST、德州仪器TI，国内厂商如华微电子、扬杰科技、苏州固锝等，均使用IDM模式制造这类传统功率器件。也有部分企业采用“IDM加委外代工混合模式”，即将部分低端制程产品委外专业代工厂加工。 IGBT领域IDM及Fabless模式并存。随着IGBT逐渐成为功率器件主流，IDM模式和Fabless模式均有企业使用。在Fabless模式下，IGBT厂商进行分立器件和模块设计，IGBT芯片和配套芯片则委托晶圆代工厂制造，再委外或者自主进行模块封测，国内代表厂商如斯达半导体（2021年IGBT模块市场份额全球第六）、宏微科技、新洁能、扬杰科技等。对于占有下游应用市场较大份额的企业集团来说，使用垂直整合IDM模式，能够实现IGBT功率器件设计、