无锡华润芯功率半导体设计有限公司

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半导体功率器件广泛应用于汽车、家电、光伏、风电、轨交等领域,渗透进了人们生活的方方面面。


从2016年下半年开始,功率半导体器件行情回暖,需求持续旺盛,但是受限于产能,原厂交货周期开始延长。

一般来说MOSFET、整流管和晶闸管的交货周期是8周左右,但现在部分MOSFET、整流管和晶闸管交期已被延长到24至30周。


功率半导体器件,电力控制的核心器件


功率半导体器件可以用来控制电路通断,从而实现电力的整流、逆变、变频等变换。

一般将额定电流超过1A的半导体器件归类为功率半导体器件,这类器件的阻断电压分布在几伏到上万伏。


常见的功率半导体器件有金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管芯片(IGBT)及模块等。



功率半导体器件市场分析

我国的功率半导体器件的起步虽然较晚,但是市场规模增长迅速。


从 2011 年的 1386 亿元增长到 2016 年的2088 亿元,年均复合增速达 8.53%。已经成为全球最大的功率半导体市场之一。


但是我国的功率半导体生产厂 商与国际巨头相比还有较大差距。2015 年全球主要的功率半导体厂商均为英飞凌、德仪、STM、恩智浦等国外 企业。


国内功率半导体器件需要大量进口,如 IGBT 有 90%依赖进口。


2014 年,我国成立了国家集成电路产业投资基金(简称“大基金”)用于推动我国的半导体产业发展。


基 金初期规模 1200 亿元,截止 2017 年 6 月规模已达到 1387 亿元,撬动的地方集成电路产业投资基金(包括筹建 中)达 5145 亿元。


大基金设立以来,实施项目覆盖了集成电路设计、制造、封装测试、装备、材料、生态建设 等各环节,实现了在产业链上的完整布局。


由于从本质上讲,功率半导体器件与集成电路(IC)芯片非常类似, 它们都由 PN 结、双极型晶体管、MOS 结构构成,因此两者的理论基础相同,大多数工艺也相同。因此大基金 的设立也有利于功率半导体器件的发展。


2016 年,大基金以 6 亿元入股士兰微,投资 8 英寸芯片生产线,用于 生产 IGBT。



下游需求旺盛,功率半导体器件交货期延长


从 2016 年下半年开始,功率半导体器件行情回暖,需求持续旺盛,但是受限于产能,原厂交货周期开始延 长。


一般来说 MOSFET、整流管和晶闸管的交货周期是 8 周左右,但现在部分 MOSFET、整流管和晶闸管交期 已被延长到 24 至 30 周。供不应求加剧,供应商开始上调价格。


2017 年 9 月 1 日,长电科技发出通知,将公司 所有的 MOSFET 价格上调 20%。9 月 19 日,长电科技再次上调价格。在长电大涨 MOSFET 价格后,其它供货商立刻全面跟进涨价,包括大中、尼克松、富鼎等台系 MOSFET 供货商纷纷涨价。


功率半导体器件需求旺盛的一个重要原因是下游新能源汽车的高速增长。我国作为全球最大的新能源汽车 市场,2017 年前十月新能源汽车产量达 51.7 万辆,同比增长 45.63%,预计全年 70 万辆销售目标有望完成。而 汽车电子是功率半导体器件最主要的应用领域之一,2016 年占比达 42%。

常见的功率半导体器件


MOSFET


MOSFET 和 IGBT 是目前最常用的两种功率半导体器件。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),简 称金氧半场效晶体管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。


通过在 栅极(G)上施加电压,使得源极(S)和漏极(D)之间导通,当撤去电压或施加负电压,则使得源极(S)和 漏极(D)之间断开。n 基极层是为了防止在关断的情况下元件被高压击穿。因此需要承受的电压越高,n 基极 层就越厚,电阻也就越大。


为了改善 MOSFET 的电压耐受性,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在 MOSFET 的基础上增加一层 P+层,与n 基极层形成了一个 pn 二极管。在关断情况下,形成的 pn 结承受了绝大股份电压,而结构中的 MOSFET 不需 要承受高压,因此提高了元件的耐压性能。因此 IGBT 一般用在高压功率产品上,电压范围一般 600V-6500V;MOSFET 应用电压相对较低,从十几伏到 1000V。


但是 IGBT 的延迟时间要大于 MOSFET,因此 IGBT 应用在 切换频率低于 25kHz 的场景,而 MOSFET 可以应用于切换频率大于 100kHz 的场景。



全球功率 MOSFET 的主要厂商有英飞凌、安森美半导体、瑞萨等国际巨头。


其中英飞凌在功率 MOSFET的市场份额达到 26.4%,是第二位的安森美半导体的两倍,是功率 MOSFET 行业的龙头。


国内的功率 MOSFET市场份额也主要被英飞凌、安森美半导体、瑞萨等国际巨头占据,只有士兰微和华微电子分别占据了 1.9%和 1.1%的市场份额,进口替代的空间巨大。


IGBT


IGBT 应用领域极其广泛,小到家电、数码产品,大到轨道交通、航空航天,以及清洁发电、新能源汽车、 智能电网等战略性新兴产业都会用到 IGBT。


按电压分布来看,消费电子领域的所用的 IGBT 一般在 600V 以下;太阳能逆变器和新能源汽车通常在 1200V 左右;轨道交通所使用的 IGBT 电压在 3300V-6500V 之间。



根据中国产业信息网数据,截至 2015 年,我国 IGBT 市场规模 94.8 亿元,2008-2015 年复合增长率达到13.65%;但我国 IGBT 起步晚,国产化率仅为 10%,其余 90%的 IGBT 仍依赖进口。



我国大功率 IGBT 在轨交领域的率先实现了自主研发生产和进口替代,新能源汽车领域相对薄弱,进口替 代进行时。在新能源汽车领域,IGBT 主要运用于电力驱动系统、车载空调系统和充电桩。


1. IGBT 主要用于电 机控制器中,在电机控制器的成本占比约为 30%,IGBT 将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电机。


2.  充电桩中,IGBT 主要运用于直流快充电桩,直流电桩通过三相电网输入交流电,经过三相桥式不可控整流电路 整流变成直流电,滤波后提供给高频 DC-DC 功率变换器,进而输出需要的直流,为电动汽车动力蓄电池充电。


3.  车载空调系统中也会用到 IGBT,实现小功率的 DC/AC 逆变,从而驱动空调系统运行。



根据行业研究数据,新能源汽车所用的 IGBT 一般约占电动汽车总成本的 10%。


截至 2016 年年底,我国新 能源汽车产量达到 51.7 万辆;2016 年 11 月国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知》: 到 2020 年,新能源汽车实现当年产销 200 万辆以上,累计产销超过 500 万辆。


根据测算,2017-2020 年 我国新能源汽车年均增速约为 40%,2017-2020 年新增新能源汽车产量约为 516 万辆,按照平均每辆车 10 万生 产成本,IGBT 占比 10%计算,2017-2020 年,新能源汽车所带动的 IGBT 市场规模将达到 516 亿元。



IGBT 主要运用于直流充电桩。2015 年 11 月,发改委、能源局、工信部、住建部四部委联合印发《电动汽 车充电基础设施发展指南(2015-2020 年)》通知,明确到 2020 年,新增集中式充换电站超过 1.2 万座,分散式充 电桩超过 480 万个,以满足全国 500 万辆电动汽车充电需求。


目前我国充电桩市场存量约为 20 万座,十三五期间仍有近 500 万充电桩的建设需求,假设其中直流充电桩100 万座,单位成本 10 万,IGBT 占总成本比例为 20%,则 2017-2020 年,充电桩所带动的 IGBT 市场规模将 达到 200 亿元。


综上,整个新能源汽车领域(汽车+充电桩)的快速布局和发展,将有力拉动 IGBT 市场需求,十三五剩 余期间(2017-2020),IGBT 在新能源汽车产业的市场规模将超过 700 亿元。


IGBT 方面全球 IGBT 市场中最主要的供应厂商包括英飞凌(Infineon)、三菱(Mitsubishi)、富士电机(Fuji Electric)、东芝(Toshiba)、ABB、仙童(Fairchild)。


其中,西门康、仙童 (Fairchild)等企业在消费级 IGBT 领 域处于优势地位;ABB、英飞凌、三菱电机在中等电压的工业级 IGBT 领域占据优势;在 3300V 以上高电压等 级的领域,英飞凌、ABB、三菱三家公司占据垄断地位,代表着国际 IGBT 技术的最高水平。


根据英飞凌年报,2015 年英飞凌以 27.6%的市占率稳坐全球 IGBT 市场头把交椅,其次为三菱电机和 Fuji, 分别 20.6%和 12.5%的市场份额;全球 CR5 达到 73.2%,集中度较高。



国内 IGBT 产业起步较晚,产业链中主要有 26 家企业,其中 IDM 模式企业有 7 家,封装模块企业 6 家,芯片设计 10 家,芯片制造 5 家。


国内的企业也在积极追赶,并取得了不错的成果。如捷捷微电已 经具备自主设计和制造晶闸管的能力,研发并生产 200 多种型号 和规格的标准产品。


扬杰科技的产品涵盖了整流桥、二极管、MOSFET 模块等产品,并积极布局 SiC 宽禁带半导体。士兰微的 产品在全球中等尺寸(芯片尺寸小于等于 150mm)的芯片生产企 业中位居第五位,8 英寸芯片生产线也在 2017 年上半年已经进入 试生产阶段。


华微电子已经成功研发第六代 IGBT 产品,并且在 新能源汽车、充电桩、变频家电等领域取得了良好的应用反馈。