功率半导体，又称电力电子器件或功率电子器件，是电子产业链中最核心的一类器件之一。能够实现电能转换和电路控制，在电路中主要起着功率转换、功率放大、功率开关、线路保护、逆变（直流转交流）和整流（交流转直流）等作用。
半导体分类
数据来源：功率半导体器件标准化白皮书，华福证券研究所
功率半导体包括功率半导体分立器件（含模块）以及功率 IC等。其中，功率半导体分立器件，按照器件结构划分，可分为二极管、晶闸管和晶体管等。
各功率半导体市场份额占比
数据来源：中商产业研究院，华福证券研究所
据中商产业研究院数据，功率半导体分立器件中，以 MOSFET和IGBT为代表的晶体管占比最大，约 28.8%。
从目前市场需求来看，硅基MOSFET、硅基IGBT以及碳化硅为目前功率半导体分立器件的主力产品。本文也将重点围绕硅基MOSFET、IGBT和碳化硅等功率分立器件（含模块）展开分析和研究。
➢ MOSFET，具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、制造工艺简单和辐射强等优点，通常被用于放大电路或开关电路。MOSFET按照不同的工艺可分为平面型Planar MOSFET、沟槽型Trench MOSFET、屏蔽栅SGT MOSFET和超级结SJ MOSFET。按照导电沟道可分为 N沟道和P沟道，即N-MOSFET 和P-MOSFET。按照栅极电压幅值可分为耗尽型和增强型。
MOSFET实物及不同类型MOSFET结构和性能比较
数据来源：Yole，公开信息整理，华福证券研究所
随着MOSFET技术和工艺不断成熟，成本将不断下调。中高端产品也将逐渐向中低端产品下沉。比如 Trench MOSFET将从中端下沉至中低端，替代部分平面MOSFET的低端市场。SGT MOSFET将部分替代 Trench MOSFET的低压应用市场，从中高端下沉至中端。
SGT MOSFET、SJ MOSFET和碳化硅MOSFET或是 MOSFET未来三大主力产品。自上世纪70年代MOSFET 诞生以来，从平面MOSFET发展到Trench MOSFET，再到SGT MOSFET和SJ MOSFET，再到当下火热的第三代宽禁带MOSFET（碳化硅、氮化镓），功率 MOSFET的技术迭代方向主要围绕制程、设计（结构上变化）、工艺优化以及材料变更，以实现器件的高性能——高频率、高功率和低损耗等。
SGT MOSFET、SJ MOSFET和碳化硅MOSFET或是 MOSFET未来三大主力产品。自上世纪70年代MOSFET 诞生以来，从平面MOSFET发展到Trench MOSFET，再到SGT MOSFET和SJ MOSFET，再到当下火热的第三代宽禁带MOSFET（碳化硅、氮化镓），功率 MOSFET的技术迭代方向主要围绕制程、设计（结构上变化）、工艺优化以及材料变更，以实现器件的高性能——高频率、高功率和低损耗等。
➢ IGBT 俗称电力电子装置的“CPU”，是能源变换与传输的核心器件，由BJT和MOSFET组合而成，是一种全控型、电压驱动的功率半导体器件。IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。IGBT同时具有BJT和MOSFET的优点，即高输入阻抗、低导通压降、驱动功率小而饱和压降低等，IGBT与 BJT 或MOS管相比，其优势是它提供了一个比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高的工作电压和更低的 MOS管输入损耗。因此广泛应用于直流电压为600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路和牵引传动等场景。
IGBT实物及IGBT单管、模块和IPM性能比较
数据来源：英飞凌，公开信息整理，华福证券研究所
IGBT相比MOSFET，可在更高电压下持续工作，同时需要兼顾高功率密度、低损耗、高可靠性、散热好、低成本等因素。一颗高性能、高可靠性与低成本的IGBT芯片，不仅仅需要在设计端不断优化器件结构，对晶圆制造和封装也提高了更高的要求。
IGBT 晶圆制造过程
数据来源：Yole，华福证券研究所
功率半导体的不同应用
数据来源：Yole，华福证券研究所
功率半导体应用前景广阔，几乎涵盖了所有电子产业链。以MOSFET、IGBT 以及SiC MOSFET为代表的功率器件需求旺盛。根据性能不同，广泛应用于汽车、充电桩、光伏发电、风力发电、消费电子、轨道交通、工业电机、储能、航空航天和军工等众多领域。
功率半导体发展现状
国产功率半导体已在众多领域应用，特别是低端产品，如二极管、三极管、晶闸管、低压MOSFET（非车规）等，已初现“规模化效应、国产化率相对较高”等特点。在中高端领域，如SJ MOSFET、IGBT、碳化硅等，特别是车规产品，由于起步晚、工艺相对复杂以及缺乏车规验证机会等问题，国内厂家依然在追随海外厂家技术发展路线。但近年来，市场逐渐从依赖进口向国内自给自足转变，国产替代潜力大。
中国市场IGBT和MOSFET市场规模预测（亿元，2020-2023E）
数据来源：思瀚产业研究院，中国产业信息网，华福证券研究所
以MOSFET为例，据Yole预测，到2026年，全球 MOSFET（包括分立器件和模块）市场总规模预计将达到 94.8 亿美元，复合增长率达 3.8%（2020 年至 2026年）。MOSFET 汽车应用（电动汽车和汽车充电桩）占比居首位，高达 33%，其中电动汽车和充电桩分别占比 25%和 8%。从耐压范围看，到 2026 年，低压 MOSFET（0-40V）占总需求的 39%，中压（41V-400V）占 26%，高压（大于等于 600V）广泛应用在 220V 系统中，占总需求的 35%。同时，SiC MOSFET 和 GaN MOSFET市场渗透率在逐步提高。
2020 年和 2026 年全球 MOSFET
在各应用领域需求占比及增长预测
数据来源：Yole，华福证券研究所
2020 年以来，电动汽车、汽车充电桩和光伏逆变器可谓拉动功率半导体增长的三驾马车。
➢ 充电桩：受益于新能源汽车快速增长，与之配套的充电桩市场亦呈现快速发展态势。据亿渡数据预测，至2026年，中国充电设施市场规模将达2870.2亿元，2022 年到2026年复合增长率高达37.83%。从直流充电桩相关零部件分解可以看出，充电机是充电桩的最核心部件，成本占充电桩的 50%以上，而功率半导体是充电机的最核心组成部分，成本占充电机的一半以上。
➢ 光伏：据中国光伏行业协会数据，至2025年，中国新增光伏装机保守预测为90GW，同比增长10%。据未来智库数据预测，2025年中国光伏逆变器市场规模达196亿元。逆变器是光伏系统的心脏，中高压MOSFET、IGBT及碳化硅等功率器件是光伏逆变器的核心，其决定着光伏逆变器的性能高低，进而直接影响光伏系统的稳定性、发电效率以及使用寿命。据中商产业研究院数据，光伏逆变器主要由机械件、电感和半导体器件构成，分别占比 27.6%、14.2%、11.8%。
➢ 电动汽车：电动汽车进一步渗透终端消费市场，带动功率器件和模块需求快速增长。特别是 MOSFET 和 IGBT（包括单管及模组）的增长较为显著。据贝壳投研数据，2021年中国车规级 IGBT 市场规模为47.8亿元，预计到2025年，其将达到151.6亿元。据芯谋研究数据，2021年和2025年中国车规MOSFET的市场规模分别为73.5亿元（10.5亿美元，汇率按7计算）和122.5亿元（预测数据，17.5亿美元，汇率按7计算）。
充电桩成本分解
数据来源：前瞻产业研究院，华福证券研究所
光伏逆变器成本分解
数据来源：中商情报网，华福证券研究所
功率半导体在电动汽车上的应用
数据来源：Yole，英飞凌，华福证券研究所
车规功率半导体需求强劲，电动化与高压化是两大重要推动力。随着汽车电动化、高压化逐步渗透，功率半导体在电动汽车上单车价值量有望进一步提高。
➢ 在传统燃油车上，单车功率半导体价值量在71美元左右。且主要以中、低压MOSFET应用为主，比如在车门、车窗、座椅调节、后视镜、仪表、影音、HUD、自动启停、雨刷、天窗、转向ECU、制动ECU、安全气囊、空调电动水泵、座舱仪表灯、前后视大灯驱动等涉及电机等应用场景大量使用。MOSFET单车用量超100 颗。比如单个转向ECU中使用数量达8颗。平均单价2-10元人民币不等。
➢ 电动汽车包括纯电动，插电混动，混动（中混和强混）等。在此类汽车上，电机驱动、照明、热管理、电动汽车主驱逆变器、DC/DC、升压器和OBC（车载充电器）等产品将依据各自的工作功率大小，选择不同的功率半导体器件。高、中、低压硅基MOSFET、IGBT 和 SiC MOSFET均有广泛使用。
不同类型的功率半导体分立器件和模块，在汽车上都能找到应用的落脚点。车载功率半导体种类多，在做选型时，成本和效率是最关键的两大要素。首先需要考虑需要多大功率，再去匹配多大的电压和电流，再结合系统效率和成本最终设计出一套最优方案。功率半导体分立器件和模块根据在车上不同的系统应用，则选用不同规格的器件。
由此可见，功率半导体在电动汽车上应用场景非常广泛。不同种类，不同规格的产品都能匹配到不同的系统应用。电动汽车销量稳健增长，最先获益的有望是当前具代表性的功率半导体——硅基 MOSFET、IGBT 以及碳化硅。
在车规功率半导体中，MOSFET 和 IGBT 最具代表性。
➢ 车规MOSFET：车规MOSFET不论在燃油车上还是电动车上，应用非常广泛，且MOSFET产品主要被海外企业垄断。自2020年以来，海外头部供应商都相继面临产能紧张、涨价和断供等问题。此时，对于一直在等候却缺乏合适契机进入车载领域的本土厂商来说，正是切入汽车供应链的绝佳时机。经过两年的蓄势，国内部分相关企业在上车批量供货的同时，同步在加快新的车规MOSFET的研发和验证。
低压 MOS——主要以40V，60V，100V Planar平面型、Trench沟槽型和SGT屏蔽栅MOSFET为主。因为单车用量大、应用场景多且复杂，自2021年以来，市场缺货严重。
中压 SGT MOSFET：车规级SGT MOSFET工作电压范围通常在30V-250V之间的MOSFET产品，其中中压（100V-250V）一般并联多个MOSFET单管用于A00级小型电动汽车或中混车辆（动力电池电压在 200V 上下）的主驱逆变器、OBC、DC/DC、空调压缩机等零部件当中起到逆变、整流等作用。
高压 SJ MOSFET，车规级SJ MOSFET工作电压通常在 650V-900V，主要用于当前广泛搭载的400V动力电池平台汽车的主驱逆变器、OBC、DCDC 和 PTC等产品上。
➢ 车规 IGBT：IGBT通常分为单管、模块和IPM模块。全球车载IGBT和MOSFET一样，主要被美欧日等国家的厂家垄断。如英飞凌、安森美、富士电机、三菱电机和赛米控等。其中，英飞凌占据车规 IGBT 主要市场份额，英飞凌最早在2007年推出车规级IGBT模块——HybridPACK系列。在国内市场，比亚迪、斯达半导和时代电气稳居前十。
IGBT已发展至第七代，英飞凌作为IGBT龙头，其技术早在2018年已经迭代至第七代。第五、六、七代均是在第四代技术基础上针对大功率、高开关频率等需求进行的设计优化。不同代差对应不同的器件设计，也对应着不同的器件性能和应用场景。目前国内多数厂家已经发展到了等同英飞凌的第四代和第五代技术，而第四、五代IGBT 也正好是目前车规 IGBT 应用的主流技术。
IGBT 技术迭代
数据来源：智研咨询，EETOP，中慧智库，华福证券研究所
/3 
