▌功率半導(dǎo)體是系統(tǒng)應(yīng)用核心器件，戰(zhàn)略地位突出
功率半導(dǎo)體是電子裝臵電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，本質(zhì)上，是通過(guò)利用半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)和電力轉(zhuǎn)換的功能。功能半導(dǎo)體包括功率 IC 和功率器件，是系統(tǒng)應(yīng)用的核心器件，戰(zhàn)略地位十分突出。功率半導(dǎo)體具體用途是變頻、變相、變壓、逆變、整流、增幅、開(kāi)關(guān)等。從產(chǎn)品種類看，根 據(jù) Yole 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 2017 年功率半導(dǎo)體最大的細(xì)分領(lǐng)域是功率 IC，占比 54%， MOSFET 占比 17%，IGBT 占比 12%，功率二極管/整流橋占比 15%。
▌新興應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)持續(xù)向好
功率半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2017 年全球功率半導(dǎo)體 市場(chǎng)規(guī)模為 327 億美元，預(yù)計(jì)到 2022 年達(dá)到 426 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率為 5.43%，其中，2017 年全球功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)規(guī)模為 144.01 億美元，預(yù)計(jì) 到 2022 年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 174.88 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率為 3.96%。在全球功 率半導(dǎo)體市場(chǎng)中，工業(yè)、汽車、無(wú)線通訊和消費(fèi)電子是前四大終端市場(chǎng)，根 據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2017 年工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)是功率半導(dǎo)體最大的市場(chǎng)，占 比 34%，汽車領(lǐng)域占比 23%，消費(fèi)電子占比 20%，無(wú)線通訊占比 23%。我 們認(rèn)為受益于工業(yè)、新能源汽車、通信和消費(fèi)電子領(lǐng)域新興應(yīng)用不斷出現(xiàn)， 全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將會(huì)不斷向好，規(guī)模將會(huì)不斷擴(kuò)大。
▌中國(guó)是全球最大功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)替代大勢(shì)所趨
中國(guó)是全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)，根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2017 年中國(guó)功率半 導(dǎo)體市場(chǎng)空間占全球比例為 39%。功率半導(dǎo)體廠商以歐美日為主，且大多是 IDM 模式，是 IGBT 和中高壓 MOSFET 的主要制造商，占據(jù)全球功率半導(dǎo) 體 70%的市場(chǎng)份額，英飛凌、安森美是典型代表；中國(guó)大陸以二極管、低壓 MOSFET、晶閘管等低端功率半導(dǎo)體為主，目前實(shí)力較弱，占據(jù)全球 10%的 市場(chǎng)份額，供需缺口很大，國(guó)產(chǎn)替代迫在眉睫。目前，國(guó)外廠商逐步退出低 壓功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的龍頭企業(yè)有望依靠成本優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)承接這部分市場(chǎng)份額；在高端產(chǎn)品領(lǐng)域，中國(guó)中車、比亞迪等企業(yè)在高鐵、汽車等領(lǐng) 域已經(jīng)取得了突破。我們認(rèn)為隨著國(guó)內(nèi)汽車電子、工業(yè)電子等下游產(chǎn)業(yè)日漸 崛起，國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展前景，國(guó)內(nèi)企業(yè)迎來(lái)絕佳的發(fā)展良機(jī)，國(guó)產(chǎn)替代將是大勢(shì)所趨。
1、 功率半導(dǎo)體是系統(tǒng)應(yīng)用核心器件，戰(zhàn)略地位突出
1.1、 功率半導(dǎo)體是電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心
功率半導(dǎo)體是電子裝臵電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，本質(zhì)上，是通過(guò)利用半導(dǎo) 體的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)和電力轉(zhuǎn)換的功能。無(wú)論是水電、核電、火電還是風(fēng)電，甚至各種電池提供的化學(xué)電能，大部分均無(wú)法直接使用，75%以上的電能應(yīng)用 需由功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行功率變換以后才能供設(shè)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(jīng)常集成在一顆芯片中，因此功率半導(dǎo)體包括功率 IC 和功率器件。功率半導(dǎo)體的具體用途 是變頻、變相、變壓、逆變、整流、增幅、開(kāi)關(guān)等，相關(guān)產(chǎn)品具有節(jié)能的作用，被廣泛應(yīng)用于汽車、通信、消費(fèi)電子和工業(yè)領(lǐng)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(zhuǎn)換至輸入電壓的過(guò)程叫做變 壓。蓄電池的輸入電流一般是直流電，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過(guò)程叫做整流。汽車運(yùn)行時(shí)，蓄電池持續(xù)輸出直流電，而汽車的各個(gè)模塊需要使用交流電，交流電轉(zhuǎn) 換為直流電的過(guò)程叫做逆變。汽車蓄電池輸出的電壓很低，無(wú)法滿足各個(gè)模塊的需 求，將低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓的過(guò)程叫做增幅。電動(dòng)汽車的馬達(dá)使用的電流是三相電。首先，蓄電池輸出的直流電經(jīng)過(guò)逆變后成為單向交流電，將單向交流電變?yōu)槿嚯?的過(guò)程叫做變相。
1.2、 功率半導(dǎo)體分類
功率半導(dǎo)體主要分為功率器件、功率 IC。其中功率器件經(jīng)歷了近 70 年的發(fā)展 歷程：20 世紀(jì) 40 年代，功率器件以二極管為主，主要產(chǎn)品是肖特基二極管、快恢復(fù)二極管等；晶閘管出現(xiàn)于 1958 年，興盛于六七十年代；近 20 年來(lái)各個(gè)領(lǐng)域?qū)β势骷碾妷汉皖l率要求越來(lái)越嚴(yán)格，MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流，多個(gè) IGBT 可以集成為 IPM 模塊，用于大電流和大電壓的環(huán)境。功率 IC 是由功率半導(dǎo)體與驅(qū) 動(dòng)電路、電源管理芯片等集成而來(lái)的模塊，主要應(yīng)用在小電流和低電壓的環(huán)境。
根據(jù)可控性分類
根據(jù)功率半導(dǎo)體的可控性可以將功率半導(dǎo)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(yáng)極，二極管的開(kāi)關(guān)操作完全取決于施加在陰極和陽(yáng)極的電壓，正向?qū)?，反?阻斷，電流的方向也是單向的，只能正向通過(guò)。二極管的開(kāi)通和關(guān)斷都不能通過(guò)器 件本身進(jìn)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(dǎo)晶閘管等。這類器件一般是三段器件，除陽(yáng)極和陰極外，還增加了一個(gè)控制用門極。半控型器件也具有單向?qū)щ娦裕溟_(kāi)通不僅需在陽(yáng)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(kāi)通就 無(wú)法通過(guò)門極控制關(guān)斷，只能從外部改變加在陽(yáng)、陰極間的電壓極性或強(qiáng)制陽(yáng)極電流變?yōu)榱恪＿@類器件的開(kāi)通可控而關(guān)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(kāi)通，也能控制關(guān)斷，因此稱之為全 控型器件。
根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式分類
根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式的不同，我們將功率半導(dǎo)體分為三類，第一類是電流驅(qū)動(dòng)型，第 二類是電壓驅(qū)動(dòng)型，第三類是光驅(qū)動(dòng)型。
電流驅(qū)動(dòng)型器件有 SCR、BJT、GTO 等，這類器件必須有足夠的驅(qū)動(dòng)電流才能 使器件導(dǎo)通或者關(guān)斷，本質(zhì)上是通過(guò)極電流來(lái)控制器件。GTO 和 SCR 一般通過(guò)脈 沖電流控制，BJT 則需要通過(guò)持續(xù)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(dǎo)通和關(guān)斷只需要 一定的電壓和很小的驅(qū)動(dòng)電流，因此器件的驅(qū)動(dòng)功率很小，驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單。
光控型器件一般是專門制造的功率半導(dǎo)體器件，如光控晶閘管。這類器件的開(kāi) 關(guān)行為通過(guò)光纖和專用光發(fā)射器來(lái)控制，不依賴電流或者電壓驅(qū)動(dòng)。
1.2.1、 二極管：最簡(jiǎn)單的功率器件
二極管是最簡(jiǎn)單的功率器件，由 P 極和N 極形成 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)，電流只能從 P 極流向 N 極。二極管由電流驅(qū)動(dòng)，無(wú)法自主控制通斷，電流單向只能通過(guò)。二極管的作用有整流電路、檢波電路、穩(wěn)壓電路和各種調(diào)制電路。二極管承受的電壓和電流較低（鍺管導(dǎo)通電壓為 0.3V，硅管為 0.7V），電流一般不超過(guò)幾十毫安，電壓和電流過(guò)高會(huì)導(dǎo)致二極管被擊穿。常見(jiàn)的二極管有肖特基二極管、快恢復(fù)二極管、 TVS 二極管等。
二極管應(yīng)用：二極管是最簡(jiǎn)單的功率器件，由于二極管具有單向?qū)щ姷奶匦裕?通常用于穩(wěn)壓電路、整流電路、檢波電路等。齊納二極管通常用于穩(wěn)壓電路，在達(dá)到反向擊穿電壓前，齊納二極管的電阻非常高。達(dá)到反向擊穿電壓時(shí)，反向電阻降 低，在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓保持恒定。TVS 二極管常用于電路保護(hù)，TVS 管的響應(yīng)速度很高，當(dāng) TVS 管兩端經(jīng)受瞬間高能量沖擊時(shí)，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(hù)電路。
二極管市場(chǎng)規(guī)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(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，2016 年全球二極管及整流器 市場(chǎng)規(guī)模為 33.43 億美元，其中整流器市場(chǎng)規(guī)模為 27.58 億美元，占比為 82.50%。
1.2.2、 MOSFET：高頻開(kāi)關(guān)，功率器件最大市場(chǎng)
金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可廣泛運(yùn)用于數(shù)字電路和模擬電路。
MOSFET 由 P 極、N 極、G 柵極、S 源極和 D 漏級(jí)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(dǎo)電溝道，從而控制漏極電流。因此 MOSFET 是通過(guò)電壓 來(lái)控制導(dǎo)通，在 G 與 S 間施加一定電壓即可導(dǎo)通，不施加電壓則關(guān)斷，器件通斷 完全可控。MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度很高，通常在幾十納秒至幾百納秒，開(kāi)關(guān) 損耗很小，通常用于開(kāi)關(guān)電源，缺點(diǎn)是在高壓環(huán)境下壓降很高，隨著電壓上升電阻變大，傳導(dǎo)損耗很高。MOSFET 的導(dǎo)通與阻斷都由電壓控制，電流可以雙向通過(guò)。
MOSFET 工作原理：MOSFET 本質(zhì)上是一個(gè)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷完全可控。通過(guò)脈寬調(diào)制，MOSFET 可以完成變頻等功能。假設(shè)一個(gè)器件前 1 秒輸入電壓為 100V，后 1 秒MOSFET 關(guān)斷，這 2 秒內(nèi)相當(dāng)于持續(xù)輸入 50V 的等效電壓，這就是脈寬調(diào)制的原理。通過(guò)控制 MOSFET 導(dǎo)通關(guān)斷可以改變電壓和頻率。
