▌功率半導體是系統應用核心器件，戰略地位突出
功率半導體是電子裝臵電能轉換與電路控制的核心，本質(zhì)上，是通過(guò)利用半導體的單向導電性實(shí)現電源開(kāi)關(guān)和電力轉換的功能。功能半導體包括功率 IC 和功率器件，是系統應用的核心器件，戰略地位十分突出。功率半導體具體用途是變頻、變相、變壓、逆變、整流、增幅、開(kāi)關(guān)等。從產(chǎn)品種類(lèi)看，根 據 Yole 統計數據， 2017 年功率半導體最大的細分領(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%。
▌新興應用不斷涌現，功率半導體市場(chǎng)持續向好
功率半導體的應用領(lǐng)域非常廣泛，根據 Yole 數據，2017 年全球功率半導體 市場(chǎng)規模為 327 億美元，預計到 2022 年達到 426 億美元，復合增長(cháng)率為 5.43%，其中，2017 年全球功率半導體器件市場(chǎng)規模為 144.01 億美元，預計 到 2022 年市場(chǎng)規模將達到 174.88 億美元，復合增長(cháng)率為 3.96%。在全球功 率半導體市場(chǎng)中，工業(yè)、汽車(chē)、無(wú)線(xiàn)通訊和消費電子是前四大終端市場(chǎng)，根 據中商產(chǎn)業(yè)研究院數據，2017 年工業(yè)應用市場(chǎng)是功率半導體最大的市場(chǎng)，占 比 34%，汽車(chē)領(lǐng)域占比 23%，消費電子占比 20%，無(wú)線(xiàn)通訊占比 23%。我 們認為受益于工業(yè)、新能源汽車(chē)、通信和消費電子領(lǐng)域新興應用不斷出現， 全球功率半導體市場(chǎng)將會(huì )不斷向好，規模將會(huì )不斷擴大。
▌中國是全球最大功率半導體市場(chǎng)，國產(chǎn)替代大勢所趨
中國是全球最大的功率半導體消費國，根據 Yole 數據，2017 年中國功率半 導體市場(chǎng)空間占全球比例為 39%。功率半導體廠(chǎng)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，占據全球功率半導 體 70%的市場(chǎng)份額，英飛凌、安森美是典型代表；中國大陸以二極管、低壓 MOSFET、晶閘管等低端功率半導體為主，目前實(shí)力較弱，占據全球 10%的 市場(chǎng)份額，供需缺口很大，國產(chǎn)替代迫在眉睫。目前，國外廠(chǎng)商逐步退出低 壓功率半導體領(lǐng)域，國內的龍頭企業(yè)有望依靠成本優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢承接這部分市場(chǎng)份額；在高端產(chǎn)品領(lǐng)域，中國中車(chē)、比亞迪等企業(yè)在高鐵、汽車(chē)等領(lǐng) 域已經(jīng)取得了突破。我們認為隨著(zhù)國內汽車(chē)電子、工業(yè)電子等下游產(chǎn)業(yè)日漸 崛起，國內功率半導體市場(chǎng)將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展前景，國內企業(yè)迎來(lái)絕佳的發(fā)展良機，國產(chǎn)替代將是大勢所趨。
1、 功率半導體是系統應用核心器件，戰略地位突出
1.1、 功率半導體是電能轉換與電路控制的核心
功率半導體是電子裝臵電能轉換與電路控制的核心，本質(zhì)上，是通過(guò)利用半導 體的單向導電性實(shí)現電源開(kāi)關(guān)和電力轉換的功能。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%以上的電能應用 需由功率半導體器件進(jìn)行功率變換以后才能供設備使用。
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，因此功率半導體包括功率 IC 和功率器件。功率半導體的具體用途 是變頻、變相、變壓、逆變、整流、增幅、開(kāi)關(guān)等，相關(guān)產(chǎn)品具有節能的作用，被廣泛應用于汽車(chē)、通信、消費電子和工業(yè)領(lǐng)域。在汽車(chē)中，汽車(chē)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，將交流電轉換為直流電的過(guò)程叫做整流。汽車(chē)運行時(shí)，蓄電池持續輸出直流電，而汽車(chē)的各個(gè)模塊需要使用交流電，交流電轉 換為直流電的過(guò)程叫做逆變。汽車(chē)蓄電池輸出的電壓很低，無(wú)法滿(mǎn)足各個(gè)模塊的需 求，將低電壓轉換成高電壓的過(guò)程叫做增幅。電動(dòng)汽車(chē)的馬達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、 功率半導體分類(lèi)
功率半導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 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、快恢復二極管等；晶閘管出現于 1958 年，興盛于六七十年代；近 20 年來(lái)各個(gè)領(lǐng)域對功率器件的電壓和頻率要求越來(lái)越嚴格，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 是由功率半導體與驅 動(dòng)電路、電源管理芯片等集成而來(lái)的模塊，主要應用在小電流和低電壓的環(huán)境。
根據可控性分類(lèi)
根據功率半導體的可控性可以將功率半導體分為三類(lèi)，第一類(lèi)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，正向導通，反向 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(lèi)器件稱(chēng)為不可控器件。
第二類(lèi)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、逆導晶閘管等。這類(lèi)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(mén)極。半控型器件也具有單向導電性，其開(kāi)通不僅需在陽(yáng)極和陰極間施加正向電壓，還必須在門(mén)極和陰極間輸入正向可控功率。這類(lèi)器件一旦開(kāi)通就 無(wú)法通過(guò)門(mén)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制陽(yáng)極電流變?yōu)榱?。這類(lèi)器件的開(kāi)通可控而關(guān)斷不可控，因此被稱(chēng)之為半控型器件。
第三類(lèi)是是全控型器件，以 IGBT 和MOSFET 等器件為主。這類(lèi)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(chēng)之為全 控型器件。
根據驅動(dòng)形式分類(lèi)
根據驅動(dòng)形式的不同，我們將功率半導體分為三類(lèi)，第一類(lèi)是電流驅動(dòng)型，第 二類(lèi)是電壓驅動(dòng)型，第三類(lèi)是光驅動(dòng)型。
電流驅動(dòng)型器件有 SCR、BJT、GTO 等，這類(lèi)器件必須有足夠的驅動(dòng)電流才能 使器件導通或者關(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)持續的電流控制。
電壓控制型電路主要是 IGBT 和MOSFET 等，這類(lèi)器件的導通和關(guān)斷只需要 一定的電壓和很小的驅動(dòng)電流，因此器件的驅動(dòng)功率很小，驅動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單。
光控型器件一般是專(zhuān)門(mén)制造的功率半導體器件，如光控晶閘管。這類(lèi)器件的開(kāi) 關(guān)行為通過(guò)光纖和專(zhuān)用光發(fā)射器來(lái)控制，不依賴(lài)電流或者電壓驅動(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 結結構，電流只能從 P 極流向 N 極。二極管由電流驅動(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、穩壓電路和各種調制電路。二極管承受的電壓和電流較低（鍺管導通電壓為 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 )導致二極管被擊穿。常見(jiàn)的二極管有肖特基二極管、快恢復二極管、 TVS 二極管等。
二極管應用：二極管是最簡(jiǎn)單的功率器件，由于二極管具有單向導電的特性， 通常用于穩壓電路、整流電路、檢波電路等。齊納二極管通常用于穩壓電路，在達到反向擊穿電壓前，齊納二極管的電阻非常高。達到反向擊穿電壓時(shí)，反向電阻降 低，在這個(gè)低阻區中電流增加而電壓保持恒定。TVS 二極管常用于電路保護，TVS 管的響應速度很高，當 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，保護電路。
二極管市場(chǎng)規模：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 Yole 的數據，2016 年全球二極管及整流器 市場(chǎng)規模為 33.43 億美元，其中整流器市場(chǎng)規模為 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-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管，可廣泛運用于數字電路和模擬電路。
MOSFET 由 P 極、N 極、G 柵極、S 源極和 D 漏級組成。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)控制導通，在 G 與 S 間施加一定電壓即可導通，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(zhù)電壓上升電阻變大，傳導損耗很高。MOSFET 的導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)的導通和關(guān)斷完全可控。通過(guò)脈寬調制，MOSFET 可以完成變頻等功能。假設一個(gè)器件前 1 秒輸入電壓為 100V，后 1 秒MOSFET 關(guān)斷，這 2 秒內相當于持續輸入 50V 的等效電壓，這就是脈寬調制的原理。通過(guò)控制 MOSFET 導通關(guān)斷可以改變電壓和頻率。
