【導讀】功率半導體器件可以用來控制電路通斷，從而實現電力的整流、逆變、變頻等變換。一般將額定電流超過 1A 的半導體器件歸類為功率半導體器件，這類器件的阻斷電壓分布在幾伏到上萬伏。常見的功率半導體器件有金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管芯片（IGBT）及模塊等。
半導體功率器件廣泛應用于汽車、家電、光伏、風電、軌交等領域，滲透進了人們生活的方方面面。從 2016 年下半年開始，功率半導體器件行情回暖，需求持續旺盛，但是受限于產能，原廠交貨周期開始延長。一般來說 MOSFET、整流管和晶閘管的交貨周期是 8 周左右，但現在部分 MOSFET、整流管和晶閘管交期已被延長到 24 至 30 周。
我國的功率半導體器件的起步雖然較晚，但是市場規模增長迅速。從 2011 年的 1386 億元增長到 2016 年的 2088 億元，年均復合增速達 8.53%， 已經成為全球最大的功率半導體市場之一。但是我國的功率半導體生產廠商與國際巨頭相比還有較大差距。 目前全球主要的功率半導體廠商均為英飛凌、德儀、 STM、恩智浦等國外企業。國內功率半導體器件需要大量進口，如 IGBT 有 90%依賴進口，因此進口替代空間巨大。
為推動我國半導體產業的發展， 2014 年國家成立了千億規模的國家集成電路產業投資基金（簡稱“大基金”）。由于從本質上講，功率半導體器件與集成電路（IC）芯片非常類似，它們都由 PN結、雙極型晶體管、 MOS 結構構成，因此兩者的理論基礎相同，大多數工藝也相同。 因此大基金的設立也有利于功率半導體器件的發展。 2016 年， 大基金以 6 億元入股士蘭微，投資 8 英寸芯片生產線，用于生產 IGBT。
國內的企業也在積極追趕，并取得了不錯的成果。如捷捷微電已經具備自主設計和制造晶閘管的能力， 研發并生產 200 多種型號和規格的標準產品。 揚杰科技的產品涵蓋了整流橋、二極管、MOSFET 模塊等產品，并積極布局 SiC 寬禁帶半導體。 士蘭微的產品在全球中等尺寸（芯片尺寸小于等于 150mm）的芯片生產企業中位居第五位， 8 英寸芯片生產線也在 2017 年上半年已經進入試生產階段。華微電子已經成功研發第六代 IGBT 產品，并且在新能源汽車、充電樁、變頻家電等領域取得了良好的應用反饋。
功率半導體器件，
電力控制的核心器件
通常所用的電力有交流和直流兩種，比如從公用電網上得到的電力是 50Hz 的交流電，從蓄電池或干電池得到的是直流電。而從這些電源得到的電源往往不能直接滿足使用要求，需要進行電力變換。電力變換通常分為四類：交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流。交流變直流稱為整流，直流變交流稱為逆變。直流變直流是指電壓（或電流）改變。交流變交流的內容比較多，可以改變頻率、相數或電壓。
電力變換的種類
比如電動汽車中的蓄電池輸出的是直流電，而電動車使用的電動機主要是交流感應電機和永磁電機。以交流異步電機為例，它由外面的固定的定子和內部的轉子組成。當在定子上通上交流電，電流的變化就能產生旋轉的合成磁場。旋轉的合成磁場就使內部的轉子閉合線圈產生感應電動勢，并跟著磁場轉動。 交流異步電動機的常用調速方法是改變接通在定子上的交流電的頻率來改變轉子的轉速。 因此對于電動汽車來說，需要將蓄電池輸出的直流電逆變成為交流電，并且能控制交流電的頻率。
交流異步電機的原理圖
逆變電路的基本結構是通過四個開關來改變負載上的電流方向。 當 S1 和 S4 閉合， S2 和 S3 斷開，負載上的電流從左往右。當 S1 和 S4 斷開， S2 和 S3 閉合，負載上的電流從右往左。通過這種方法就可以將直流電逆變成為交流電，而且通過控制開關的頻率可以控制交流電的頻率。 類似的電力變換還有很多，如風力發電和太陽能發電產生的電力是不穩定的粗電，需要精煉之后才能上傳到電網上使用；照明用的 LED 燈需要鎮流器先將交流電轉為直流電；快充蓄電池也需要將交流電先轉為直流電；電動汽車中不同的電子設備（如顯示屏、車燈、雨刷器等）使用的電壓不同，需要將蓄電池輸出的電壓進行升壓或降壓。 電子電力技術已經滲透進了人們生活的方方面面。
逆變電路原理
功率半導體器件可以用來控制電路通斷， 從而實現電力變換。 一般將額定電流超過 1A 的半導體器件歸類為功率半導體器件，這類器件的阻斷電壓分布在幾伏到上萬伏。常見的功率半導體器件有金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管芯片（IGBT）及模塊、快恢復二極管（FRD）、垂直雙擴散金屬-氧化物場效應晶體管（VDMOS）、可控硅（SCR）、 5 英寸以上大功率晶閘管（GTO）、集成門極換流晶閘管（IGCT）等。
英飛凌的功率器件
功率半導體器件可以分為不可控、 半控型和全控型三種。半控型只能通過控制信號過可以控制其導通而不能控制其關斷， 典型的有晶閘管。全控型則可以通過控制信號來控制其導通和關斷，典型的有 MOSFET 和 IGBT。目前在中小功率范圍內，全控型器件已經取代了過去傳統的半控型器件晶閘管，但是因為晶閘管的擊穿電壓更高，因此在大功率應用領域還有較大份額。 從本質上講，功率半導體器件與集成電路（IC）芯片非常類似，它們都由 PN 結、雙極型晶體管、 MOS 結構構成，因此兩者的理論基礎相同，大多數工藝也相同。不過功率半導體器件用于電力變換和控制，而集成電路芯片用于信息處理，前者需要工作在幾伏到上萬伏的環境中， 而后者只工作在幾伏的環境中，用高低電平來表示 1 和 0。
功率半導體的分類
功率半導體器件市場分析
我國的功率半導體器件的起步雖然較晚，但是市場規模增長迅速。從 2011 年的 1386 億元增長到 2016 年的2088 億元，年均復合增速達 8.53%。已經成為全球最大的功率半導體市場之一。但是我國的功率半導體生產廠商與國際巨頭相比還有較大差距。
我國功率半導體的市場規模
2015 年全球主要的功率半導體廠商均為英飛凌、德儀、 STM、恩智浦等國外企業。 國內功率半導體器件需要大量進口，如 IGBT 有 90%依賴進口。
2015 年全球功率半導體主要廠商市場份額
2014 年，我國成立了國家集成電路產業投資基金（簡稱“大基金”）用于推動我國的半導體產業發展?；鸪跗谝幠?1200 億元，截止 2017 年 6 月規模已達到 1387 億元， 撬動的地方集成電路產業投資基金(包括籌建中)達 5145 億元。 大基金設立以來， 實施項目覆蓋了集成電路設計、制造、封裝測試、裝備、材料、生態建設等各環節，實現了在產業鏈上的完整布局。 由于從本質上講，功率半導體器件與集成電路（IC）芯片非常類似，它們都由 PN 結、雙極型晶體管、 MOS 結構構成，因此兩者的理論基礎相同，大多數工藝也相同。因此大基金的設立也有利于功率半導體器件的發展。 2016 年，大基金以 6 億元入股士蘭微，投資 8 英寸芯片生產線，用于生產 IGBT。
國家大基金投資的企業
下游需求旺盛，
功率半導體器件交貨期延長
從 2016 年下半年開始，功率半導體器件行情回暖，需求持續旺盛，但是受限于產能，原廠交貨周期開始延長。 一般來說 MOSFET、整流管和晶閘管的交貨周期是 8 周左右，但現在部分 MOSFET、整流管和晶閘管交期已被延長到 24 至 30 周。供不應求加劇，供應商開始上調價格。 2017 年 9 月 1 日，長電科技發出通知，將公司所有的 MOSFET 價格上調 20%。 9 月 19 日，長電科技再次上調價格。 在長電大漲 MOSFET 價格后，其它供貨商立刻全面跟進漲價，包括大中、尼克松、富鼎等臺系 MOSFET 供貨商紛紛漲價。
電子元器件的周期延長
功率半導體器件需求旺盛的一個重要原因是下游新能源汽車的高速增長。 我國作為全球最大的新能源汽車市場， 2017 年前十月新能源汽車產量達 51.7 萬輛，同比增長 45.63%，預計全年 70 萬輛銷售目標有望完成。 而汽車電子是功率半導體器件最主要的應用領域之一， 2016 年占比達 42%。
我國新能源汽車產量保持高速增長
中國功率半導體下游應用市場分布
常見的功率半導體器件
MOSFET 和 IGBT 是目前最常用的兩種功率半導體器件。 金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），簡稱金氧半場效晶體管， 是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。 通過在柵極（G）上施加電壓， 使得源極（S）和漏極（D）之間導通，當撤去電壓或施加負電壓，則使得源極（S）和漏極（D）之間斷開。 n 基極層是為了防止在關斷的情況下元件被高壓擊穿。 因此需要承受的電壓越高， n 基極層就越厚，電阻也就越大。
MOSFET的內部結構
為了改善 MOSFET 的電壓耐受性， 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在 MOSFET 的基礎上增加一層 P+層，與n 基極層形成了一個 pn 二極管。在關斷情況下，形成的 pn 結承受了絕大股份電壓，而結構中的 MOSFET 不需要承受高壓，因此提高了元件的耐壓性能。因此 IGBT 一般用在高壓功率產品上，電壓范圍一般 600V-6500V；MOSFET 應用電壓相對較低，從十幾伏到 1000V。 但是 IGBT 的延遲時間要大于 MOSFET，因此 IGBT 應用在切換頻率低于 25kHz 的場景，而 MOSFET 可以應用于切換頻率大于 100kHz 的場景。
IGBT的內部結構
全球功率 MOSFET 的主要廠商有英飛凌、安森美半導體、瑞薩等國際巨頭。其中英飛凌在功率 MOSFET的市場份額達到 26.4%，是第二位的安森美半導體的兩倍，是功率 MOSFET 行業的龍頭。 國內的功率 MOSFET市場份額也主要被英飛凌、安森美半導體、瑞薩等國際巨頭占據，只有士蘭微和華微電子分別占據了 1.9%和 1.1%的市場份額，進口替代的空間巨大。
2016 年全球功率 MOSFET 主要廠商市場份額
2016 年國內功率 MOSFET 主要廠商市場份額
國內功率 MOSFET 的主要生產廠商
IGBT 應用領域極其廣泛，小到家電、數碼產品，大到軌道交通、航空航天，以及清潔發電、新能源汽車、智能電網等戰略性新興產業都會用到 IGBT。按電壓分布來看，消費電子領域的所用的 IGBT 一般在 600V 以下；
太陽能逆變器和新能源汽車通常在 1200V 左右；軌道交通所使用的 IGBT 電壓在 3300V-6500V 之間。
按電壓分布 IGBT 各應用領域
根據中國產業信息網數據，截至 2015 年， 我國 IGBT 市場規模 94.8 億元， 2008-2015 年復合增長率達到13.65%；但我國 IGBT 起步晚，國產化率僅為 10%，其余 90%的 IGBT 仍依賴進口。
我國 IGBT 市場規模復合增長率達 13.65%
我國 IGBT 器件國產化率僅 10%
我國大功率 IGBT 在軌交領域的率先實現了自主研發生產和進口替代， 新能源汽車領域相對薄弱，進口替代進行時。 在新能源汽車領域， IGBT 主要運用于電力驅動系統、車載空調系統和充電樁。
①IGBT 主要用于電機控制器中，在電機控制器的成本占比約為 30%， IGBT 將動力電池的直流電逆變成交流電提供給驅動電機。
②充電樁中， IGBT 主要運用于直流快充電樁，直流電樁通過三相電網輸入交流電，經過三相橋式不可控整流電路整流變成直流電，濾波后提供給高頻 DC-DC 功率變換器， 進而輸出需要的直流，為電動汽車動力蓄電池充電。
③車載空調系統中也會用到 IGBT，實現小功率的 DC/AC 逆變，從而驅動空調系統運行。
IGBT 在電動汽車領域的典型應用
根據行業研究數據，新能源汽車所用的 IGBT 一般約占電動汽車總成本的 10%。截至 2016 年年底，我國新能源汽車產量達到 51.7 萬輛； 2016 年 11 月國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃的通知》：到 2020 年， 新能源汽車實現當年產銷 200 萬輛以上，累計產銷超過 500 萬輛。根據我們的測算， 2017-2020 年我國新能源汽車年均增速約為 40%， 2017-2020 年新增新能源汽車產量約為 516 萬輛，按照平均每輛車 10 萬生產成本， IGBT 占比 10%計算， 2017-2020 年，新能源汽車所帶動的 IGBT 市場規模將達到 516 億元。
我國新能源汽車產品預計每年 40%增速
IGBT 主要運用于直流充電樁。 2015 年 11 月，發改委、能源局、工信部、住建部四部委聯合印發《電動汽車充電基礎設施發展指南(2015-2020 年)》通知，明確到 2020 年，新增集中式充換電站超過 1.2 萬座，分散式充電樁超過 480 萬個，以滿足全國 500 萬輛電動汽車充電需求。
目前我國充電樁市場存量約為 20 萬座，十三五期間仍有近 500 萬充電樁的建設需求，假設其中直流充電樁100 萬座，單位成本 10 萬， IGBT 占總成本比例為 20%，則 2017-2020 年，充電樁所帶動的 IGBT 市場規模將達到 200 億元。
綜上，整個新能源汽車領域（汽車+充電樁）的快速布局和發展，將有力拉動 IGBT 市場需求，十三五剩余期間（2017-2020）， IGBT 在新能源汽車產業的市場規模將超過 700 億元。
IGBT 方面全球 IGBT 市場中最主要的供應廠商包括英飛凌(Infineon)、三菱(Mitsubishi)、富士電機(FujiElectric)、東芝(Toshiba)、 ABB、仙童(Fairchild)。其中，西門康、仙童 （Fairchild）等企業在消費級 IGBT 領域處于優勢地位； ABB、英飛凌、三菱電機在中等電壓的工業級 IGBT 領域占據優勢； 在 3300V 以上高電壓等級的領域， 英飛凌、 ABB、三菱三家公司占據壟斷地位， 代表著國際 IGBT 技術的最高水平。
根據英飛凌年報， 2015 年英飛凌以 27.6%的市占率穩坐全球 IGBT 市場頭把交椅，其次為三菱電機和 Fuji，分別 20.6%和 12.5%的市場份額；全球 CR5 達到 73.2%，集中度較高。
2015 年全球功率半導體器件 IGBT 市場份額占比
國內 IGBT 產業起步較晚，產業鏈中主要有 26 家企業，其中 IDM 模式企業有 7 家，封裝模塊企業 6 家，芯片設計 10 家，芯片制造 5 家。
國內 IGBT 產業鏈主要公司及主要產品
國內功率半導體進口替代進行時
捷捷微電的主要產品是晶閘管、半導體防護器件。 從產品構造劃分，可以分為功率半導體芯片和封裝器件。封裝器件是芯片經過后道工序封裝后制成，因此芯片是決定功率半導體分立器件性能的核心。 晶閘管主要用于電力變換與控制，通過微小的信號功率對大功率的電力進行控制，具有體積小、重量輕、耐壓高、容量大、效率高、控制靈敏、壽命長等優點。晶閘管除了用于整流，還可以作為無觸點開關實現電力的逆變和變頻等變換。半導體防護器件主要有半導體放電管（TSS）、瞬態抑制二極管（TVS）、靜電防護元件（ESD）、高壓觸發二極管（SIDAC）等，可用于汽車電子、手機、戶外安防、電腦主機等各類需要防浪涌沖擊、防靜電的領域，用于保護電子電路。
現階段，相比全控型的功率半導體分立器件如 MOSFET 和 IGBT，晶閘管是我國半導體分立器件中技術比較成熟的細分產品。此外在普通晶閘管的基礎上，已經派生出了單向晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、快速晶閘管、高頻晶閘管等新型晶閘管，在性能上彌補了普通晶閘管的不足。在功率半導體分立器件市場，晶閘管的價格明顯低于 MOSFET 和 IGBT。而且在所有功率半導體分立器件中，晶閘管耐壓容量最高（可達 12KV 以上）、電流容量最大（可達 6000A 以上），因此在高壓直流輸電、靜止無功補償、大功率直流電源等領域占有十分重要的地位。
芯片經過封裝后形成功率半導體分立器件
國內大多數半導體分立器件制造商不具備芯片設計和制造的能力， 僅從事半導體分立器件的封裝。而捷捷微電已經形成以芯片研發和制造為核心，芯片封裝為配套的完整生態鏈，已經研發并生產 200 多種型號和規格的標準產品。國內外知名客戶如西班牙法格電子公司、浙江德力西電器股份有限公司、無錫羅姆半導體科技有限公司等都在逐步增加對公司產品的采購數量。 近幾年，公司收入保持較快增長， 營業收入從 2011 年的 1.7 億元增長到 2016 年的 3.32 億元，復合增速為 14.25%。 2017 年前三季度營業收入同比增長 32%，歸母凈利潤同比增長 27%。公司收入的增長主要來源于產品銷量的增加。
揚杰科技： 積極布局 SiC 寬禁帶功率半導體器件
公司產品比較齊全，涵蓋了整流橋、二極管、 MOSFET 模塊等產品，采用 IDM（設計+制造+封測）經營模式。集成電路領域的兩個重要基礎是工藝能力和設計能力。因為數字邏輯芯片的生命周期短，迭代較快，采用一般采用 fabless 模式，適應行業的快速發展。但是分立器件的壁壘是制造工藝，而工藝的迭代速度要比電路設計的迭代速度慢，因此分立器件有較長的生命周期，采用 IDM 模式能提高自己的技術壁壘。 公司的光伏二極管、貼片式整流橋及車用大功率二極管芯片能產品的市場占有率居于行業領先地位。
公司沿著建設硅基 4 寸、 6 寸、 8 寸晶圓工廠，以及分別對應的中高端二極管、 MOSFET、 IGBT 封裝工廠的道路不斷提升工藝水平。同時進行碳化硅基同類晶圓和封裝產線的建設， 把握行業趨勢，積極布局寬禁帶半導體。目前公司在 4 寸晶圓板塊持續擴大 GPP 工藝芯片和汽車電子芯片產能。6 寸晶圓板塊加大研發，實現 Trench工藝芯片、中高端 MOSFET 芯片大規模量產。 8 寸晶圓板塊還處于規劃中。外延并購方面，收購 MCC（美國）、美微科（臺灣）和美微科（深圳）。 公司營收保持快速發展，營業收入從 2011 年的 4.50 億元增長到 2016 年的11.90 億元，復合增速達 21.49%。
士蘭微： 國家大基金入股， 8 寸線如期試產
公司主要產品包括集成電路、半導體分立器件、 LED 產品等三大類，采用 IDM 模式。公司芯片產能達 20萬片/月，根據 IC insight 在 2016 年 12 月發布的數據，士蘭微的產品在全球中等尺寸（芯片尺寸小于等于 150mm）的芯片生產企業中位居第五位。 2016 年公司的 8 英寸芯片生產線項目獲得了國家集成電路產業投資基金 6 億元投資， 2017 年上半年已經進入試生產階段，下半年將完成高壓集成電路、超結 MOSFET、 IGBT 等工藝平臺的導入和量產爬坡。 公司營業收入穩步增長，從 2011 年的 15.46 億元增長到 2016 年的 23.75 億元，復合增速為8.97%。 但是歸母凈利潤波動比較大，主要是因為銷售凈利率比較低，僅有 5%左右，因此受成本和研發費用波動的影響比較大。
華微電子： 第六代 IGBT 產品研發成功
公司采用 IDM 模式， 擁有 4 英寸、 5 英寸與 6 英寸等多條功率半導體分立器件及 IC 芯片生產線。公司芯片加工能力超過 400 萬片/年，封裝資源為 60 億只/年。公司產品有 IGBT、 VDMOS、 FRED、 SBD、 BJT、 IPM等，主要應用于汽車電子、電力電子、光伏逆變、工業控制與 LED 照明等領域。 目前公司第六代 IGBT 產品已經研發成功，并且在新能源汽車、充電樁、變頻家電等領域取得了良好的應用反饋。 2012 年開始公司毛利率和凈利率大幅下降，毛利率僅有 20%左右，下降了近 10 個百分點，凈利率僅有 3%左右。但是 2017 年開始毛利率和凈利率出現了回升。而營業收入和歸母凈利潤也在振蕩上升。預計隨著第六代 IGBT 的出貨，公司的業績將有望改善。
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