广东体育彩票11选五图 www.zrqb.net 功率半导体器件是实现电能转换的核心器件。主要用途包括逆变、变频等。受惠于 5G 及电动车需求的显著增长,我们对功率半导体的市场发展持乐观 看法。本文重点讨论 IGBT/ 三代化合物半导体功率器件在技术推进和应用驱动下迎来新一轮发展机遇。

 

1. 功率半导体市场需求大增

1.1. 功率半导体概述

功率半导体器件是实现电能转换的核心器件,主要用途包括逆变、变频等。功率半导体可以根据载流子类型分为双极型功率半导体和单极型功率半导体。

 

双极型功率半导体包括功 率二极管、双极结型晶体管(BJT)、电力晶体管(GTR)、晶闸管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。单极型功率半导体包括功率 MOSFET、肖特基势垒功率二极管等。它们的工作电压和 工作频率也有所不同。


功率半导体器件广泛应用于消费电子、新能源交通、轨道交通、发电与配电等电力电子领域。受惠于 5G 及电动车需求的显著增长,我们对功率半导体的市场发展持乐观看法。

 

 

1.2. 功率半导体市场格局

国际厂商制造水平较高,已经形成了较高的专业壁垒。我们预计在 2022 年全球功率半导体市场规模将达 426 亿美元。在 2015 年全球功率半导体市场中,英飞凌以 12%的市场占 有率排名第一。欧美日厂商凭借其技术和品牌优势,占据了全球功率半导体器件市场的 70%。

 

大陆、台湾地区主要集中在二极管、低压 MOSFET 等低端功率器件市场,IGBT、中高压 MOSFET 等高端器件市场主要由欧美日厂商占据。

 

我们看好功率半导体的国产代替空间。我国开展功率半导体的研究工作比较晚,且受到资 金、技术及人才的限制,功率半导体产业整体呈现出数量偏少、企业规模偏小、技术水平 偏低及产业布局分散的特点。原始创新问题成为阻碍国内功率半导体产业发展的重要因素。

 

国际功率半导体厂商尚未形成专利和标准的垄断。相比国外厂商,国内厂商在服务客户需求和降低成本等方面具有竞争优势。我们认为,功率半导体的国产代替空间十分广阔。

 

 

1.3. 汽车电子点燃功率半导体市场

新能源汽车为功率半导体带来了极大的增长潜力。新能源汽车是指采用非常规车用燃料作 为动力来源的汽车,如纯电动车、插电式混合动力汽车。我们预计在 2020 年我国新能源汽车销量将达 200 万辆,同比增长 53.8%。新能源汽车新增大量功率半导体器件的应用。

 

2020 年全球汽车功率半导体市场规模将达 70 亿美元。特斯拉 model S 车型使用的三相异 步电机驱动,其中每一相的驱动控制都需要使用 28 颗 IGBT 芯片,三相共需要使用 84 颗 IGBT 芯片。

 

我国财政部、税务总局联合发布了公告:自 2018 年 1 月 1 日起至 2020 年 12 月 31 日,对购置的新能源汽车免征车辆购置税,鼓励用户购买新能源汽车。我们认为政策红利将全面带动市场对功率半导体的需求。

 

 

 

2. IGBT——硅基功率半导体核心

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由 BJT(双极型三极管) 和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT 可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率,有逆变和变频的作用。

 

在结构方面,IGBT 比 MOSFET 多一层 P+区,通过 P 层空穴的注入能够降低器件的导通电 阻。随着电压的增大,MOSFET 的导通电阻也变大,因而其传导损耗比较大,尤其是在高 压应用场合中。相较而言,IGBT 的导通电阻较小。

 

 

 

IGBT 多应用于高压领域,MOSFET 主要应用在高频领域。从产品来看,IGBT 一般应用在 高压产品上,电压范围为 600-6500V。MOSFET 的应用电压相对较低,从十几伏到 1000V。 但是,IGBT 的工作频率比 MOSFET 低许多。MOSFET 的工作频率可以达到 1MHz 以上,甚 至几十 MHz,而 IGBT 的工作频率仅有 100KHz。IGBT 集中应用在逆变器、变频器等高压产 品。而 MOSFET 主要应用在镇流器、高频感应加热等高频产品。

 

2.1. IGBT 市场格局

全球 IGBT 市场主要竞争者包括德国英飞凌、日本三菱、富士电机、美国安森美、瑞士 ABB 等,前五大企业的市场份额超过 70%。我们预计在 2022 年全球 IGBT 市场规模将达 60 亿 美元,增量空间巨大。国外厂商已研发出完善的 IGBT 产品系列。

 

其中,仙童等企业在消 费级 IGBT 领域处于优势地位。ABB、英飞凌和三菱电机在 1700V 以上的工业级 IGBT 领域 占据优势。在 3300V 以上电压等级的领域,英飞凌、ABB 和三菱电机三家公司居垄断地位, 代表着国际 IGBT 技术的最高水平。

 

 

 

国产追赶仍需时间。中国功率半导体市场占世界功率半导体市场份额的 50%以上,但在中高端 MOSFET 及 IGBT 器件中,90%依赖于进口。

2.2. IGBT 应用广泛,新能源车是重要下游增长引擎

按电压分布来看,消费电子领域运用的 IGBT 产品主要在 600V 以下,如数码相机闪光灯等。 1200V 以上的 IGBT 多用于电力设备、汽车电子、高铁及动车中。动车组常用的 IGBT ???为 3300V 和 6500V。智能电网使用的 IGBT 通常为 3300V。

 

 

2.2.1. 新能源汽车

电机控制系统和充电桩是车用 IGBT 的主要增长点。电力驱动系统将电能转换为机械能, 驱动电动汽车行驶,是控制电动汽车最关键的部分。IGBT 在电力驱动系统中属于逆变器???,将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。IGBT 约占新能源汽车电机驱动系统及车载充电系统成本的 40%,折合到整车上约占总成本的 7~10%,其性能直接决定了 整车的能源利用率。

 

汽车半导体行业的认证周期长,标准非常严苛。一方面,汽车的大众消费属性使得它对 IGBT 的寿命要求比较高。另一方面,汽车面临着更为复杂的工况,需 要频繁启停、爬坡涉水、经历不同路况和环境温度等,对 IGBT 是极为严苛的考验。

 

2.2.2. 轨道交通

在高铁短时间内将时速从零提升到 300 公里的过程中,需要通过 IGBT 来确保牵引变流器 及其他电动设备所需要的电流、电压精准可靠。IGBT 在轨道交通领域已经实现了全面的国产化。

 

2.2.3. 智能电网

IGBT 广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端。从发电端来看,风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用 IGBT ???。从输电端来看,特高压直流输 电中 FACTS 柔性输电技术需要大量使用 IGBT 功率器件。从变电端来看,IGBT 是电力电子变压的关键器件。从用电端来看,家用 LED 照明等都对 IGBT 有大量的需求。

 

 

3. 第三代化合物半导体前景广阔

3.1. SiC——高压器件领域的破局者

SiC 是第三代半导体材料的代表。以硅而言,目前 Si MOSFET 应用多在 1000V 以下,约在 600~900V 之间,若超过 1000V,其芯片尺寸会很大,切换损耗、寄生电容也会上升。SiC 器件相对于 Si 器件的优势之处在于,降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC 功率器件的损耗是 Si 器件的 50%左右。SiC 主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。

 

图 16:SiC 的开关损耗

 

英飞凌和科锐占据了全球 SiC 市场的 70%。罗姆公司在本田的 Clarity 上搭载了 SiC 功率器 件, Clarity 是世界首次用 Full SiC 驱动的燃料电动车,由于具有高温下动作和低损耗等特点, 可以缩小用于冷却的散热片,扩大内部空间。丰田的燃料车 MIRAI 可以坐 4 个人,本田的 Clarity 实现了 5 人座。

 

 

2017 年全球 SiC 功率半导体市场总额达 3.99 亿美元。预计到 2023 年市场总额将达 16.44 亿美元,年复合增长率 26.6%。从应用来看,混合动力和纯电动汽车的增长率最高,达 81.4%。从产品来看,SiC JFETs 的增长率最高,达 38.9%。其次为全 SiC 功率???,增长率达 31.7%。

 

 

政策支持力度大幅提升,推动第三代半导体产业弯道超车。国家和各地方政府持续推出政 策和产业扶持基金支持第三代半导体发展。2018 年 7 月国内首个《第三代半导体电力电子 技术路线图》正式发布,提出了中国第三代半导体电力电子技术的发展路径及产业建设。福建省更是投入 500 亿,成立专门的安芯基金来建设第三代半导体产业集群。

 

3.2. GaN——应用场景增多,迎来发展机遇

由于 GaN 的禁带宽度较大,利用 GaN 可以获得更大带宽、更大放大器增益、尺寸更小的 半导体器件。GaN 器件可以分为射频器件和电力电子器件。GaN 的射频器件包括 PA、 MIMO 等面向基站卫星、雷达市场。电力电子器件产品包括 SBD、FET 等面向无线充电、电源开 关等市场。

 

 

英飞凌、安森美和意法半导体是全球 GaN 市场的行业巨头。我们预计到 2026 年全球 GaN 功率器件市场规模将达到 4.4 亿美元,复合年增长率 29.4%。近年来越来越多的公司加入 GaN 的产业链。如初创公司 EPC、GaN System、Transphorm 等。它们大多选择台积电或 X-FAB 为代工伙伴。行业巨头如英飞凌、安森美和意法半导体等则采用 IDM 模式。

 

3.3. SiC VS GaN——各有擅长,应用驱动

3.3.1. 基本特性

SiC 适合高压领域,GaN 更适用于低压及高频领域。较大的禁带宽度使得器件的导通电阻   减小。较高的饱和迁移速度使得 SiC、GaN 都可以获得速度更快、体积更小的功率半导体 器件。但二者一个重要的区别就是热导率,这使得在高功率应用中,SiC 居统治地位。而 GaN 因为拥有更高的电子迁移率,能够获得更高的开关速度,在高频领域,GaN 具备优势。 SiC 适合 1200V 以上的高压领域,而 GaN 更适用于 40-1200V 的高频领域。

 

 

目前商业化 SiC MOSFET 的最高工作电压为 1700V,工作温度为 100-160℃,电流在 65A 以下。SiC MOSFET 现在主要的产品有 650V、900V、1200V 和 1700V。在 2018 年国际主 要厂商推出的 SiC 新产品中,Cree 推出的新型 E 系列 SiC MOSFET 是目前业内唯一通过汽 车 AEC-Q101 认证,符合 PPAP 要求的 SiC MOSFET。

 

 

目前商业化 GaN HEMT 的最高工作电压为 650V,工作温度为 25℃,电流在 120A 以下。GaN HEMT 现在主要的产品有 100V、600V 和 650V。在 2018 年国际主要厂商推出的 GaN 新产品中,GaN Systems 的 GaN E-HEMT 系列产品实现了业内最高的电流等级,同时将系 统的功率密度从 20kW 提高到了 500kW。而 EPC 生产的 GaN HEMT 是其首款获得汽车 AEC-Q101 认证的 GaN 产品。其体积远小于传统的 Si MOSFET,且开关速度是 Si MOSFET 的 10-100 倍。

 

 

目前商业化 SiC 功率??榈淖罡吖ぷ鞯缪刮?3300V。2018 年 1 月,三菱电机开发的全 SiC 功率??橥ü?SiC MOSFET 和 SIC SBD 一体化设计,实现了业内最高的功率密度 (9.3kVA/cm3) 。

 

目前商业化 GaN 功率放大器的最高工作频率为 31GHz。在 2018 年 MACOM、Cree 等企 业陆续推出 GaN MMIC PA ??榛β什?,面向基站、雷达等应用市场。

 

3.3.2. 应用场景

SiC 主要应用在光伏逆变器(PV)、储能 / 电池充电、不间断电源(UPS)、开关电源(SMPS)、 工业驱动器及医疗等市场。SiC 可以用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。 

 

 

手机快速充电占据功率 GaN 市场的最大份额。GaN 应用于充电器时可以有效缩小产品的 尺寸。目前市面上的 GaN 充电器支持 USB 快充,以 27W、30W 和 45W 功率居多。领先的智能手机制造商 Apple 也考虑将 GaN 技术作为其无线充电解决方案,这有可能带来 GaN 功率器件市场的杀手级应用。

 

5G 应用临近,RF GaN 市场快速发展。5G 主要部署的频段是用于广域覆盖的 sub-6-GHz 和用于机场等高密度区域的 20GHz 以上频带。要想满足 5G 对于更高数据传输速率和低延 迟的要求,需要 GaN 技术来实现更高的目标频率。高输出功率、线性度和功耗要求也推动 了基站部署的 PA 从 LDMOS 转换为 GaN。另外,在 5G 的关键技术 Massive MIMO 中,基 站收发信机上使用了大量的阵列天线,这种结构需要相应的射频收发单元,因此射频器件 的使用数量将明显增加。利用 GaN 的小尺寸和功率密度高的特点可以实现高度集成化的产品解决方案,如??榛淦登岸似骷?。

 

图 26:5G 带来的功率半导体市场需求

 

4. 功率半导体市场供需及增量空间测算

我们根据功率半导体的单车价值量和全球新能源汽车的销量来推导新能源汽车所带来的功率半导体的市场需求。

 

IGBT 是新能源汽车电机控制系统的核心器件。特斯拉 Model S 车型使用的三相异步电机驱 动,其中每一相都需要使用 28 颗 IGBT 芯片,三相共需要使用 84 颗 IGBT 芯片。每颗的价格大约在 4~5 美元。我们预计 IGBT 的单车价值量大约在 420 美元左右。根据全球新能源 汽车的销量能够推导出新能源汽车所带来的 IGBT 市场需求。

 

 

SiC 主要用于实现新能源汽车逆变器等驱动系统的小量轻化。2018 年,特斯拉 Model 3 的 逆变器采用了意法半导体制造的 SiC MOSFET,每个逆变器包括了 48 个 SiC MOSFET。Model 3 的车身比 Model S 减小了 20%。每个 SiC MOSFET 的价格大约在 50 美元左右。我们判断 SiC 的单车价值量大约在 2500 美元左右。

 

 

GaN 技术在汽车中的应用才刚刚开始发展。EPC 生产的 GaN HEMT 是其首款获得汽车 AEC-Q101 认证的 GaN 产品。GaN 技术可以提升效率、缩小尺寸及降低系统成本。这些良好的性能使得 GaN 的汽车应用来日可期。

 

 

我们通过测算 IGBT/SiC 的新能源汽车市场供需量推测其增量空间。受惠于新能源汽车需求 的显著增长,我们认为 IGBT 的增量空间巨大。SiC 市场可能会出现供不应求的情况。高成本是限制各国际厂商扩大 SiC 产能的重要因素。