車規級功率半導體：國產替代IGBT前景廣闊

據統計，2022年上半年中國新能源乘用車佔比世界新能源車份額59%，位居全球第一，我國新能源汽車產量已連續7年位居世界第一，中國市場新能源汽車的滲透率達到21.6%，新能源汽車中功率半導體的含量達到55%。對於新能源汽車而言，汽車不再使用傳統汽油車「三大件」——汽油發動機、油箱或變速器，「三電系統」即電池、電機、電控系統取而代之，為實現能量轉換及傳輸，新能源汽車中新增了電機控制系統、DC/DC模塊、高壓輔助驅動、車載充電系統OBC、電源管理IC等部件，其中的功率半導體含量大大增加。

功率半導體發展過程在半導體功率器件中，MOSFET和IGBT屬於電壓控制型開關器件，相比於功率二極體、功率三級管和晶閘管等電流控制型開關器件，具有易於驅動、開關速度快、損耗低等特點，應用前景十分廣闊。在分立器件發展過程中，20世紀50年代，功率二極體、功率三極體面世並應用於工業和電力系統。20世紀60至70年代，晶閘管等半導體功率器件快速發展。20世紀70年代末，平面型功率MOSFET發展起來；20世紀80年代後期，溝槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世，半導體功率器件正式進入電子應用時代。20世紀90年代，超結MOSFET逐步出現，打破傳統「硅限」以滿足大功率和高頻化的應用需求。2008年，英飛凌（Infineon）率先推出屏蔽柵功率MOSFET，半導體功率器件的性能進一步提升。對國內市場而言，功率二極體、功率三極體、晶閘管等分立器件產品大部分已實現國產化，而IGBT、功率MOSFET特別是超級結MOSFET等高端分立器件產品由於其技術及工藝的複雜度，依然較大程度上依賴進口，未來進口替代空間巨大。

新興領域拉動全球功率器件行業加速成長，根據WSTS統計，在整個功率器件市場中，MOSFET佔比最高，約佔40%，其次為功率二極體（30%），IGBT緊隨其後約佔25%，晶閘管占約為5%，MOSFET、IGBT市場佔比較高。ICInsights指出，在各類半導體功率器件中，未來增長最強勁的產品將是MOSFET與IGBT模塊。根據Yole，受益於新能源等下游新興應用領域的高速增長，2023年MOSFET、IGBT及其模組的市場規模預計達到132億美元，年均複合增長率為4.05%。

IGBT和MOSFET內部結構不同，IGBT輸入電壓高，MOSFET輸入電壓低，這也決定了其應用領域的不同，MOS管適合較小輸出功率的場景，IGBT適合較大輸出功率的場景。MOSFET應用於開關電源、鎮流器、高頻感應加熱、高頻逆變焊機、通信電源等高頻電源領域；IGBT集中應用於焊機、逆變器、變頻器、電鍍電解電源、超音頻感應加熱、電驅等高壓領域。MOSFET根據工作載流子的不同，可分為「N型」與「P型」，又稱為NMOS、PMOS。IGBT同樣分成N型和P型。MOS管工作原理是利用VGS來控制「感應電荷」的多少，以改變由這些「感應電荷」形成的導電溝道的狀況，然後達到控制漏極電流的目的。根據不同器件結構又可分為溝槽型MOSFET、超結MOSFET、屏蔽柵MOSFET等。

IGBT是功率器件最具發展前景的細分賽道

IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT和MOS組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件，主要用於變頻器逆變和其他逆變電路，交流電和直流電的轉換、變頻，結合了高輸入阻抗和低導通電壓兩項優點，相當於電力電子領域的「CPU」，也是新能源應用的心臟。IGBT有陰極、陽極和控制極，關斷的時候阻抗非常大，接通的時候存在很小的電阻，通過接通或斷開控制極來控制陰極和陽極之間的接通和關斷。

IGBT是國家16個重大技術突破專項中的重點扶持項目，產業大致可分為晶元設計、晶圓製造、模塊封裝、下游應用四個環節，其中設計環節技術突破難度略高於其他功率器件，製造環節資本開支相對大同時更看重工藝開發，封裝環節對產品可靠性要求高，應用環節客戶驗證周期長，綜合看IGBT屬於壁壘較高的細分賽道。隨著下游應用的不斷提出新的挑戰，IGBT結構也一直在創新和發展，向更好的性能進化。

隨著汽車電動化趨勢日益明顯，車用功率器件的需求也增多，作為當前主流的車規級功率器件，IGBT在汽車市場的表現非常突出。集幫諮詢在《2019中國IGBT產業發展及市場報告》中表示，新能源汽車中的IGBT成本約佔整車成本的10%。基於以上信息可預測，到2025年，中國車用IGBT市場規模將達到210億人民幣。另外，IGBT模塊成本約佔充電樁成本的20%，到2025年，國內充電樁用IGBT市場規模將達100億元人民幣。通過觀察以上數據大致可推斷出，在未來幾年內，中國新能源汽車市場將是全球IGBT廠商的兵家必爭之地。社會各領域對新能源汽車的支持，將促使中國IGBT產業鏈的繁榮發展。

MOSFET器件是功率器件領域中市場佔比最大的產品

功率MOSFET於20世紀70年代首次推出，並成為世界上應用最廣泛的功率晶體管。與雙極功率晶體管等老技術相比，它們在線性和開關應用中具有許多優勢。這些優勢包括極大改進的開關特性、易於並聯、沒有二次擊穿效應以及更寬的安全工作區(SOA)。MOSFET屬於電壓驅動型跨導器件。構成MOSFET管芯的硅的不同摻雜方式將MOSFET分成兩個技術大類，即平面型和溝槽型，管芯由許多並聯的獨立單元或平面帶組成，並通過網狀柵極連接在一起。

根據中金企信數據，2020年，全球MOSFET市場規模達80.67億美元，2021年在全球尤其是中國5G基礎設施和5G手機、PC及雲伺服器、電動汽車、新基建等市場推動下，全球MOSFET增速將以比較高速度增長，預計2021年至2025年，MOSFET每年的增速將不低於6.7%，至2025年將達到118.47億美元。目前全球MOSFET市場主要被海外廠商佔據，全球前十大廠商主要為歐美或日本企業，中國本土企業中，中國本土成長起來的華潤微電子、聞泰科技收購的安世半導體、士蘭微也能夠躋身。由於應用領域廣泛，MOSFET下游市場整體比較分散，市場可以容納足夠多的公司進行發展。從士蘭微和華潤微可以看到，中國本土企業正在快速成長，市佔率不斷提升，未來我們還會看到更多的本土公司成長起來，尤其在細分的高壓領域。

小結

功率半導體應用領域已從單一的工業控制領域擴展到新能源車、發電、變頻家電等諸多領域，在我國雙碳政策下，新能源，新基建以及光伏等領域對功率半導體的需求呈現幾何式的增長。隨著汽車電子零組件增加，功率半導體元件乃至MOSFET的應用也不斷增加，新能源汽車是中國IGBT下游應用領域中最主要的應用領域之一，但我國IGBT行業仍存在巨大供需缺口，「國產替代」將會是IGBT行業未來發展的主道路之一。

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