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。
01 产品类别
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）
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
资料来源：深企投产业研究院整理。
02 主要产品性能和应用场景
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3 IGBT主要产品形式
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4 IGBT产品电压等级及对应下游领域
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4 IGBT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。
03 行业经营模式
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、制造、模块与应用方案的一体化和高效协调，国内代表厂商如士兰微（2021年IGBT分立器件市场份额全球第八）、比亚迪半导体（服务于比亚迪）、中车时代电气（服务于轨道交通领域）等，而华润微电子则采用IDM+Foundry模式，同时提供代工服务。
第三代半导体兴起，IDM模式当前更受重视。碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料近年来进入大规模产业化，制造关键难点在于上游衬底和外延片，向上游拓展有利于厂商把握行业主导权。同时，由于第三代半导体采用成熟制程工艺（多在100纳米以上），设备投资规模相对较小、可从数亿元起步，以6英寸SiC芯片为例，每万片/年产能对应投资0.5-0.9亿元，产能规模越大、单位产能投资越低。在新能源汽车、新能源等下游应用高速成长阶段，第三代半导体项目融资相对容易，叠加集成电路领域对国产替代的高度重视，主要第三代功率半导体厂商因此多数选择IDM模式，且以往使用Fabless模式的厂商也纷纷转型IDM模式，如斯达半导体新建年产6万片6英寸SiC芯片项目，正式走向IDM模式。当然，随着一批设计企业纷纷融资建设产线，未来能否顺利转化为有效产能，是否会出现产能过剩进入激烈的价格竞争，并使得轻资产的Fabless模式更具优势，也是值得关注的问题。
04 行业市场规模
根据Yole的预测数据，2022年全球功率半导体市场规模约478亿美元，其中功率IC市场规模达到262亿美元，占功率半导体市场的54.8%；功率分立器件市场规模为144亿美元，占比30.1%；功率模块市场规模72亿美元，占比15.1%。预计2027年全球功率半导体市场规模增长至596亿美元。
图5 2022年-2027年全球功率半导体市场规模（亿美元）
资料来源：Yole，电子发烧友。
分产品看，根据Yole数据，分立器件和功率模块中占比最大的是MOSFET和IGBT模块，2022年的市场规模分别约83.5亿美元和54.4亿美元。二极管和晶闸管合计市场规模约为37.8亿美元，IGBT单管市场约14.4亿美元，BJT市场约为5亿美元，第三代半导体SiC与GaN功率分立器件市场分别为1.3亿美元和1.2亿美元。按照Yole预测，SiC模块在2021-2027年的复合年均增长率将高达36.1%，2027年SiC模块的市场规模将达到47.6亿美元。
图6 2022年全球功率器件各产品市场规模预测（亿美元）
资料来源：Yole，电子发烧友。
中国是全球最大的功率半导体消费国。据英飞凌（全球功率器件领先企业）年报统计，2021财年英飞凌在中国地区销售收入占其全部收入的37.9%，中国是其全球最大的销售区域。根据Omdia统计，2021年中国功率半导体市场规模占全球市场比重约为36.2%，预计未来比重还将进一步提升。
05 IGBT市场格局
全球及中国IGBT市场规模迅速增长。据集微咨询统计，2022年全球IGBT市场规模约达76亿美元，同比增长19%。预计2023年全球IGBT市场规模有望以13%的增速增长，达86.2亿美元，2022年中国IGBT市场总规模达321.9亿元，预计2025年市场总规模有望达468.1亿元，2022-2025年CAGR为13.3%。
图7 2016-2023年全球IGBT市场规模（亿美元）
资料来源：世界半导体贸易统计组织WSTS,集微咨询《2022年中国IGBT市场研究报告》。
新能源行业成为我国IGBT发展主要驱动力。IGBT广泛应用于新能源、汽车、工业、家电等领域，随着近年来我国新能源车销量以及风电光伏装机量快速增长，带动IGBT领域迅速发展。2022年，中国车用IGBT的市场份额已经超过工控，达到39.3%，成为IGBT下游第一大应用，预计到2025年份额有望进一步增长至接近50%。2022年中国新能源汽车IGBT市场规模达到126.5亿元，在2025年有望增加到226.4亿元，2022-2025年CAGR达21.4%。此外，2022年中国风光储IGBT市场规模为23.8亿元，2025年有望达到45亿元，2022-2025年CAGR达23.7%。
图8 2020-2025年中国IGBT主要下游应用市场份额（%）
图9 2020-2025年中国IGBT主要下游应用市场规模（亿元）
资料来源：集微咨询。
IGBT总体对外依存度较高，国产替代逐步推进。由于IGBT芯片、模块制造工艺复杂度较高，我国IGBT行业国产化率较低，按照产量统计，2010年国内产量占需求量的比重为10.%，至2021年提升至19.5%，仍有八成以上需要进口。根据集微咨询统计，2022年整体IGBT国产化率提升至约30%-35%，随着国产IGBT技术不断进步，国产替代明显提速。
图10 2015-2021年IGBT国产化率（按产量端口径）
资料来源：Yole，集微咨询。
海外龙头占据主要份额。当前英飞凌、富士电机、三菱电机等海外厂商在IGBT市场拥有明显优势地位，根据英飞凌公告，2021年英飞凌在IGBT分立器件与IGBT模块领域的全球市占率分别为28.9%和33%，均位居首位。2021年英飞凌、富士电机、三菱电机三家公司IGBT分立器件的全球市占率合计为53.3%，IGBT模块的全球市占率合计为56.8%。国内厂商中，仅有士兰微和斯达半导体两家企业，分别在IGBT分立器件和IGBT模块中跻身第八和第六。
图11 2021年全球IGBT分立器件市场格局
图12 2021年全球IGBT模块市场格局
图13 2021年全球IPM模块市场格局
资料来源：英飞凌公司公告。
国产厂商从中低压向高压领域逐步追赶。自20世纪80年代发展至今，IGBT经历了7代技术及工艺的升级，英飞凌作为IGBT龙头，在2018年已经迭代至第七代。目前国内多数厂家已经发展到等同英飞凌的第四代和第五代技术， 而第四、五代IGBT也是目前车规IGBT应用的主流技术。英飞凌、三菱电机、ABB等国外厂商基本覆盖600V-6500V全系列电压，在1700V以上中高压领域具有绝对优势，英飞凌、赛米控、安森美在1700V以下具有优势。国内厂商基本集中在中低压领域，时代电气和斯达半导已经有高压3300V及以上的产品应用。近几年，在新能源行业快速发展的大背景下，国内厂商迎来历史性发展机遇，中国厂商市占率有望在近几年迎来快速提升。
为应对汽车半导体供应链问题，车企加大布局车规级功率半导体。车载芯片种类多、型号多，是智能电动网联趋势的核心载体，功率半导体在汽车电子中价值量高。根据英飞凌2021年财报显示，国际上新能源汽车中IGBT的单车价值为330美元，约占整车总成本的5%以上，是电控系统里面成本占比最大的元器件。面对全球半导体供应链的风险，以及车企在重要控制器自研的需要，整车厂和Tier1都在开始往半导体设计和制造领域下沉，主要聚焦重要、价值高的车规级芯片并进行布局，通过投资或与芯片企业成立合资企业，进入车规级功率半导体行业。IGBT和SiC则是整车厂投资的重点。
06 第三代功率半导体市场格局
第三代半导体材料是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AIN）等为代表的宽禁带半导体材料，与传统材料相比，第三代半导体材料更适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件，以其为基础制成的第三代半导体在高温、高频、强辐射等环境下被广泛应用。目前市场集中在碳化硅和氮化镓两个领域。
碳化硅功率半导体
碳化硅SiC作为第三代半导体材料,具有禁带宽度大、热导率高、饱和电子漂移速率高、抗辐射性能强、热稳定性和化学稳定性好等优点，碳化硅相比硅器件，在高功率、开关频率和损耗等性能方面更加优异，碳化硅器件已广泛用于新能源汽车、光伏逆变器、工业电源、充电桩、智能电网及轨道交通等领域。碳化硅功率器件主要包括碳化硅二极管（主要是肖特基势垒二极管SBD等）、碳化硅晶体管（主要是碳化硅BJT、MOSFET等）以及碳化硅功率模块等。碳化硅MOSFET 主要应用于新能源汽车的中高端场景，如对续航、瞬间加速以及充电时间有着更高要求的中高端电动车。
根据Yole数据，2021年全球碳化硅功率器件市场规模约为10.90亿美元，2027年有望突破至62.97亿美元。根据集邦咨询数据，2022年全球SiC功率器件市场规模将达16.09亿美元，预计到2026年市场规模将达53.28亿美元，2022-2026年CAGR达到35%附近。新能源汽车应用主导碳化硅功率器件市场，2021年车用碳化硅功率器件占整个SiC功率器件市场的63%，预计2027年占比提升至79%。
碳化硅器件产业链主要包括衬底、外延、器件制造（设计、制造、封测）三大环节。从工艺流程上看，首先由碳化硅粉末通过长晶形成晶碇，经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底；衬底经过外延生长得到外延片；外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、沉积等步骤制造成器件。衬底、外延片成本分别占碳化硅器件的47%、23%，合计约70%，后道的设计、制造、封测环节仅占30%。因此，上游衬底、外延片厂商掌握着核心话语权，是国产化突破的关键。
目前碳化硅器件市场龙头以海外企业为主，国内90%需求依赖进口。我国部分头部企业已有相应技术积累，在半绝缘衬底、外延片、射频器件和碳化硅器件均已量产并批量供货。
表5 SiC功率半导体产业链代表企业
资料来源：深企投产业研究院整理。
氮化镓功率半导体
氮化镓具备宽禁带、高频率、低损耗、抗辐射强等优势，可以满足各种应用场景对高效率、低能耗、高性价比的要求，除了快充消费电子领域，当前向数据中心、可再生能源、新能源汽车市场领域持续推进。根据集邦咨询报告，到2026年，全球GaN功率元件市场规模将从2022年的1.8亿美元成长到13.3亿美元，CAGR达到65%。
图13 2022-2026年全球GaN功率元件市场规模（亿美元）
资料来源：TrendForce集邦咨询《2023 GaN功率半导体市场分析报告》。
GaN功率元件业务营收方面，2022年Power integrations以20%的市占率排名第一，其次为Navitas（17%）、英诺赛科（16%）、EPC（15%）、GaN Systems（12%，被英飞凌收购）、Transphorm（9%）等。英诺赛科为我国氮化镓芯片量产龙头，2023年8月已交付超过3亿颗芯片。国内GaN功率半导体产业链已经实现全面布局，主要企业如下表所示。
表6 国内GaN功率半导体产业链代表企业
资料来源：深企投产业研究院整理。
07 全球及中国功率半导体重点企业
美欧日企业在全球功率半导体市场中占据主要地位。根据Omdia数据，2021年全球功率半导体领域主要厂商营收前10企业分别为德国英飞凌、美国安森美、瑞士意法半导体、日本三菱电机、日本富士电机、日本东芝、美国威世、中国安世半导体（闻泰科技）、日本瑞萨电子和日本罗姆半导体，各厂商营收如下表所示。
表7 2021年全球功率半导体主要企业营收
资料来源：Omdia,深企投产业研究院整理。
按照设计、代工制造、IDM、封测、模块等类别，我国功率半导体主要企业如下表所示。
表8 我国功率半导体重点企业
资料来源：深企投产业研究院整理。
从2022年营收规模看，在全球功率半导体厂商中，安世半导体预计排名前5或前6，比亚迪半导体、华润微、士兰微电子、扬杰科技、斯达半导体预计排名前20。国内功率半导体重点厂商营收情况如下表所示。
表9 2022年国内重点厂商功率半导体业务营收
资料来源：各企业年报、公开报道等，深企投产业研究院整理。功率半导体营收占比低且未披露数据的公司未列入。
