功率半导体器件（ Power Semiconductor Device） 又称电力电子器件（ Power Electronic Device）， 浸要用于电力成立的电能改变和电途安排， 是举办电能（功率）处分的中间器件，弱电掌管与强电运行间的桥梁。

　　典范的功率惩罚效力包括变频、变压、变流、功率扩张和功率办理， 除担保建设寻常运行以外，功率器件还起到有效的节能功用。

　　图表 1：英飞凌功率半导体器件（左：汽车级 MOSFET；右：汽车级 IGBT 模组）

　　目前功率半导体的行使局部已从古代的家当支配和 4C 产业（揣测机、通信、耗费类电子产品和汽车），伸展到新能源、轨道交通、智能电网等新限度。

　　（1）小功率范围（几 W 到几 kW），多用于如条记本电脑、冰箱、洗衣机、空调等万种家电、办事器等修造的开关电源，晋升电能使用服从；

　　（2）中功率限度（ 10kW 到几 MW），多用于电气传动、新能源发电等，如用于新能源汽车(EV/HEV)，前进单次充电续航里程；用于太阳能的 PV(光伏)逆变器，发展电源的改变效能；用于浸型产业创立的高频电源改动器，带来大功率、高频率的优势；

　　（3）大功率限制（高达几 GW），多用于高压直流（ HVDC）输电编制等；

　　完全来看，比年源由于财富摆布、家电产品、充电创造等收场利用不停探求更高能源效用，功率器件下流产品局部的稳步伸张、产量的大幅延长以及功率器件身手的疾快鼎新，功率器件市场在环球局部极度是中国地域都争持稳步增进。

　　近五年来，华夏功率半导体器件市集复关增长率达 27.8%，是半导体产品中市集起色相对较快的产品。

　　市场回暖，大功率器件/IGBT 模组及 SiC/GaN 宽禁带器件最具繁荣性IC Insights 指出，历经 2015 年暂时下调后， 2016 年举世功率半导体市场从头将回升至 124 亿美元。在万种功率元件中，最具成长性的产品是高压MOSFET(抢先 200V)与 IGBT 模组，两类产品在 2015～2020 年时辰的复合年生长率(CAGR)预估划分为 4.7%与 4.0%。

　　IHS 讲述指出，随着愈来愈多提供商推坐蓐品， 2015 年碳化硅（ SiC）功率半导体均匀售卖价值已显明下滑，有望刺激墟市加速采用；与此同时，氮化镓（ GaN）功率半导体也已开端参加商场，预估举世 SiC 与 GaN 功率半导体产值，将由 2015 年的 2.1 亿美元，疾速成长至 2020 年的 10 多亿美元，并将于 2025 年抵达 37 亿美元。

　　2015 年 5 月，国务院颁布《华夏创筑 2025》重心范畴技艺途径 年，中国集成电途市场界限占全球的比例将抵达 43.35%—45.64%，中国将成为世界最大的 IC 财富链策画、修造基地，在诸多优势鸿沟到达天下先辈水准。其中提到大力兴奋电力装备这一要点界限的冲破进展，搜罗对大功率电力电子器件这一环节元器件的筑造。

　　《 中原筑筑 2025》 的主旨在于主动化、智能化、新能源、高能效以及资源的有效运用， 清晰提出将优秀轨途交通装置、电力开办、节能与新能源汽车、海洋工程装配、航空航天装置等列为冲破发展的要点边界。

　　鉴于功率半导体在发电、输配电和电力运用等十足电能供给链中论述全方位的环节功效，《中国筑造 2025》将为功率独揽市集带来强劲的增进驱动力，预期增加势头将不歇至 2025 年。

　　临时中国以致环球局部内际遇资源标题面临严酷磨练，各国相继颁发节能减排战略，行径百般家产办法、淹灭电子、家用电器等创办电能运用欲调换的中心器件，功率半导体财富将面临新的身手挑衅与开展时机。

　　行动半导体资产与节能减排政策落地施行的契合点，功率半导体家产受益于国家要点维护，有望在十三五岁月落成从“原料-晶圆-封装-器件-行使”的全产业链自立技艺打垮，希奇是在新能源周围寻常使用的 MOS器件及 IGBT 模组，以及 SiC/GaN 等新型材料器件的应用方面。

　　功率半导体器件要紧网罗功率分立器件、功率模组和功率集成电路（功率 IC）。 功率分立器件紧要包罗:功率二极管;功率晶体管;晶闸管类器件。此中常见的功率晶体管囊括以 VDMOS 为代表的功率 MOS 器件、绝缘栅双极晶体管 IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistors）和功率双极晶体管（ Power BJT： Power Bipolar Junction Transistors）。功率晶体管和晶闸管又可统称为功率开闭器件（ Power Switches）。

　　功率分立器件从最初的二极管到高端 IGBT、 MOS 类器件，凭据耐压、任事频率各异，各自实用于例外领域。其中 MOS 类器件占据着一切功率半导体商场单类产品的最大份额， 约为 25%；

　　IGBT 是短暂最热门且最具潜力的功率半导体器件， 2015 年 IGBT 分立器件约占 10%的市集份额，相关模组产品约占 30%； 晶闸管是暂时耐压容量最高（ 12kV）与电流容量最大（ 10kA）的功率器件。

　　功率模块是指将多个功率器件芯片以绝缘格式组装到金属基板进步行模块化封装的功率半导体产品。 相比于分立器件，功率模块电压规格更高、就事更信得过。姑且功率模块产品约占统统功率半导体市场的 30%利用，市集占比逐年高涨。 IGBT 模块是片刻最热门的功率模块化产品。

　　功率 IC 也常被电源 IC(Power IC)，是电力电子器件武艺与微电子本事相聚会的产物，即将功率器件及其驱动电途、爱戴电路、接口电途等外围电道集成在一个或几个芯片上。功率 IC 产品约占功率半导体商场 25%专揽。

　　今世功率半导体器件的制造身手与超大界限集成电途一样，都以细小加工和 MOS 工艺为根源，因而也使得功率半导体得以模块化、集成化，增进了功率模块和功率 IC 的赶紧进展:

　　一方面，随着工艺技艺的继续跳级以及高压大功率须要不息提拔，功率器件提供具有更高性能、更速疾度、更小体积，多芯片连绵封装从而竣事模块化是肯定趋势；

　　另一方面，随着使用领域一直延伸和深远，差遣功率 IC 竣工更高的效能、更突出的操纵成效、更简化的外围布局策画，于是高度集成化也成为极主要的兴盛宗旨；

　　图表 16： 2010—2020 年环球功率器件商场周围（按器件范例区分）

　　相比分立器件，模块化器件能有效提升功率器件价格。功率器件模块化使得器件体积更小， 性能更壮健， 呼应产品价钱会更高。在市场必要之下，预期到 2020 年， 随着功率半导体运用的拓展跳级，稀少是在新能源汽车周围的应用策画之下，功率模组的产值将翻倍。

　　图表 17： 2010—2020 年举世功率模组市集领域（按运用边界区分）

　　功率分立器件和功率模组的封装工艺演化趋势形似，都是向器件小型化、大功率利用、高能量效用目标兴盛。

　　功率模块具体应用于通盘大功率财产产品中， 百般使用鸿沟的各异吁请使得功率模组每一局部都面临改进更始。从封装工艺上来看，加装基板的功率模块是一种准则打算 （ 约占 70%—80%）， DBC （直接覆铜工艺）是行使最普通的封装工艺，这种工艺封装的模块常日紊乱高超。 异日功率半导体封装工艺将向希奇优越的 Fan-out 封装生长。

　　电源处理芯片（ Power Management Integrated Circuits） 也称作电源处置 IC，是在电子创设体系中累赘起对电能的改换、分配、检测及其我们电能处理的职责的芯片， 沉要运用于忖度机、密集通信、 泯灭电子和物业掌握等范围。

　　以手机为例，智熟手机由很多各异性能的模块组成， 每个模块所需供电电压各不相通，由锂电池直接供电无法满足各模块哀告，所以供应一个高效用电源办理芯片，把锂电池提供的电压用各异手法根据需要进行转换和调剂，抵达希望的电压值，以得意各个模块的提供。

　　例如， SDRAM、闪存（ Flash Memory）等数字电路由于受到修设工艺的范围，供给较低的供电电压；而因袭电途、射频电路和出现局限则供给一个较高的供电电压。其它，电源办理 IC 还供应依照体例的任事景遇音讯动静调度各个模块的供电电压值，结束优化掌管，减小功耗，从而发展系统的效力，缩短产品体积，消重本钱。因此，电源处分 IC 还是成为电子产品体系计划中一个最底子也是最急急的限度。

　　据商场调研机构 iSuppli 猜测，2016 年环球电源处理 IC 市集将达 387亿美元。 随着操纵的不竭立异，电源治理 IC 的市场也出现出必要多样化，利用细瓦解，更多高成效电源办理 IC 的墟市须要也连续深刻伸展，更好地为惬意体系立异，功用晋升而劳动。

　　罢休 2016 年， 手机电源处分芯片市集年复关伸长率（ CAGR） 为 11.7%改观本原步伐为 13.1%，数字机顶盒为 12.3%。 揣摸未来五年各种消费电子产品将不绝鼓吹电源办理半导体市场争持较高拉长率。汽车电子局限当然所占墟市份额较小，但却是兴盛最速的周围，其市集份额在大家日几年将快速进取；其它在 5G 大趋势下，汇聚通信边界也将争持快速的生长。

　　2014-2020 年，华夏电源办理芯片年均延长率将近 8.4%，至 2020 年商场限制将达 1200 亿元左右。

　　电力电子变更器是举办电力特性式样更改的电力电子电路和安设，浸要搜罗 4 种：直-交（ DC/AC）逆变器、交-交（ AC/AC）变频器、交-直（ AC/DC）整流器和直-直（ DC/DC）改变器。 电力电子改变器的样子多种多样，功率半导体器件是电力电子技能及其应用装置的根源， 对装配的信得过性、成本和性能起着尤其紧张的效能。

　　据市集调研机构 Yole développement 瞻望，至 2020 年电力电子调换器市场 CAGR 约为 6%，个中物业电机驱动和 UPS 稳压电源范畴所占份额最大，新能源汽车鸿沟具有最高伸长率

　　短暂我们国用于电机的电能约占他们国总发电量的 60%支配，遵循干系数据大略算计，借使天下电机的驱动都采勤劳率半导体进行变频调速，可俭约电能大体 30%操纵，宇宙总发电量可俭朴 15%至 20%。电力电子更改器是能源更改的焦点器件，电能功用的提拔离不开功率器件的身手前进，且随着使用界限的拓展，逆变器尺寸向小型化起色，陷阱更紧凑，对功率器件的材料及封装工艺提出了更高苦求。

　　首先，修广收购 NXP 准则局限竣工交割，添补国内汽车、物业 IC 空白。

　　继 2015 年以 18 亿美元的金额乐成收购恩智浦的 RF Power（大功率功放管）个别之后， 今天建广资产主导的中国半导体行业最大一笔外洋并购案也就手交割，修广家当以 27.5 亿美元收购恩智浦（ NXP）法规件生意，该个别主营业务为分立器件、逻辑芯片和 PowerMOS 芯片等产品。这次收购的顺遂落成，信号着筑广成本有望成为大家国半导体业限度最大且利润最高的 IDM（垂直一体化）企业。

　　恩智浦规矩产品营业具有举世进步的包围率、坐蓐才气和赢余本领。这回营业竣事后，恩智浦标准产品业务局限将成为一家名为 Nexperia 只身公司。恩智浦的原则产品营业，网罗分立器件、逻辑器件及Po博鱼体育werMOS 等产品，除了设计部分，该营业还包含恩智浦位于英国和德国的两座晶圆创修工厂和位于华夏、马来西亚、菲律宾的三座封测厂和位于荷兰的恩智浦财富技能筑筑中心，及标准产品开业的具体联系专利和身手积蓄。

　　其次，Infineon 收购 Wolfspeed 被迫停留，政府加强功率半导体局限管控。

　　早前，美国外国投资委员会（ CFIUS）以国家平安标题为由，结束美国Cree 将旗下主营碳化硅买卖的 Wolfspeed 销售给欧洲 Infineon，揭示出美国新政府对碳化硅联络物业的刚强爱惜。

　　欧洲功率器件龙头 Infineon 欲以 8.5 亿美元收购 Wolfspeed，成为碳化硅功率器件商场的领跑者。日本政府将碳化硅纳入“首相计谋”，认为改日 50%的节能要通过它来竣事。我们国履历 863 思索、国家 02 庞大专项促进碳化硅财富的进展并将碳化硅衬底加入十三五《策略性新兴财富要点产品目录》。

　　动作下一代功率器件主要发展对象，碳化硅将为电力电子带来急急的武艺改进，并将感动电力电子规模在往后 20-30 年的进展。与硅器件例外，国内外厂商在碳化硅规模起步差距较小， 随着大家国政府对碳化硅家当的怜惜和国内企业研发才气的提拔，国内也逐渐酿成了从衬底、外延到器件的垂直资产链，这一方面没关系逐渐脱离对国外衬底、外延的依靠，另 一方面也为器件厂商提供了更大的上游议价本事，煽动了国内碳化硅产业的发扬， 国内厂商甚至有望借助碳化硅材料完毕功领导域的“弯道超车”。

　　目前举世半导体功率分立器件中高端产品临蓐厂商吃紧聚集在欧美、日本和台湾区域。美国、日本和欧洲功率器件厂商大部分属于 IDM 厂商，而全部人国台湾的厂商则绝大广大属于 Fabless 厂商。并且破例区域体验家产分工，酿成了各自的竞赛优势。美国在功率 IC 限制具有切切超越优势，欧洲在功率 IC 和功率分立器件方面也都具有较强势力，日本在分立功率器件方面比赛优势较强，但在功率 IC 芯片方面，固然厂商数量众多，但整体市场份额不高。

　　上游原资料层面， 与具体半导体物业雷同， 晶圆提供商在上游产业链中仍攻陷较谎话语权；别的在国际厂商计算下， 宽禁带资料 SiC、GaN 等正慢慢参加市场；

　　生产厂商层面，国内功率半导体厂商根本为 IDM 模式，即齐备从计划、缔造到封装考试圆满生产链，但绝大广泛厂商只在二极管、低压 MOS 器件、晶闸管等相对低端器件的临盆工艺方面较为成熟，对于 IGBT 等高端器件， 国内只要极少数厂商据有分娩和封装才能，国内贩卖的高端功率器件产品还是被美、日、欧厂商所主导。面对精良的市场生长前景和宏大的进口代替市集，周旋国博鱼体育内厂商来谈，资历国际物业并购、自主武艺突破以竣工产品提升、进口替换，是当下的必然弃取。

　　卑鄙操纵层面，功率 IC 多用于电源处分芯片，进而运用于耗费电子、家用电器、电源创设等；功率模组多用于新能源汽车、智能电网、轨路交通等各古板和新兴家产中的 DC/AC 逆变器、整流器、驱动利用电路方面。 受益于我们国新能源汽车等物业的强势生长，近年来国内功率半导体器件/模组商场需求加疾提拔，国产替代迫在眉睫，有望成为大家国半导体资产中一个特色伸长点。

　　功率半导体器件在新能源汽车和充电桩中使用平常，内燃机引擎中所运用燃油泵和活塞，正被锂离子电池、逆变器和 IGBT 所取代。

　　据丰田汽车统计，功率半导体器件用量在电动汽车中占到通盘半导体器件的25%。 Mosfet、 IGBT 等功率模块也是充电桩、充电站等创办的核心电能变动器件。

　　外洋研发 IGBT 器件的公司紧要有英飞凌、 ABB、三菱、西门康、东芝、富士等，所研发的 IGBT 器件产品规格涵盖电压 600V-6500V，电流2A-3600A，已形成完工的产品系列。

　　策略上，国家意志冲动半导体行业兴起，行动高铁、军工中关节的功率半导体器件，国家会给予策略和资金上的保卫。 2015 年 5 月国务院正式宣告了《华夏建筑 2025》强国策略，明白提出将先进轨路交通装置、节能与新能源汽车、电力装备、高等数控机床和滞板人等列为突破发扬的十大重点边界。

　　资本上，功率半导体接收特性工艺，不追求优秀制程，血本插足仅为集成电路的 1/10，国内厂商无妨操纵成本优势获得前辈工艺，疾疾追赶外洋巨擘；

　　本事上，国内企业从低端功率器件发财，积聚多年首先向高端器件进军，以南车、比亚迪为代表的厂商已达成本领粉碎，告成告竣国产化 IGBT 在高铁和新能源汽车中的运用，另日会有更多的国内功率器件厂商切入这一蓝海市场。

　　中原功率半导体商场占全国商场的 50%以上，但在新能源汽车、轨途交通等中高端 MOSFET 及 IGBT 主流器件商场上， 90％主要依靠进口，根源被国外欧美、日本企业把握。 IGBT 是新能源汽车及充电桩等创立的中心武艺器件。据 IHS 预测， 到 2020 年环球 IGBT 市集周围无妨达到 80 亿美元，年复合延长率约 10%，国内市集限制将超 200 亿元，年复合拉长率约为 15%，具备宽阔的国产替换空间。

　　新型可重生能源的接入和治理提供大量功率半导体器件来落成支配。以太阳能光伏发电为例， 由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载博鱼体育是调换负载时， 故逆变器必不成少。逆变器按运行格式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。孤单运行逆变器用于孤单运行的太阳能电池发电体例，为只身负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电

　　在 太 阳能 转 换过 程中 ，有 各 种先 进 的功 率器 件可 以 行使 ， 例如MOSFET、双极结晶体管（ BJT）和 IGBT。 IGBT 无妨比其余功率器件供应更多的优势，此中搜罗更强的电流处分才能、用电压（而不是电流）简陋地完毕栅极把持，以及在封装内集成超快快克复二极管落成更疾的关断时刻。 MOSFET 也是电压左右， 同时开关疾度更快，所以开合耗损比 IGBT 低。

　　军事电子兴办独具敏感性和尤其性，具有严重的国防等意思。权且我们国队列渐渐向音讯化、智能化、电子化对象起色，功率半导体器件在国防和军工的操纵越来越通俗，已成为今世军工兵器必不可少的器件。

　　一方面， 2015 年国家公布新《国家安谧法》 恳求加快起色自助可控的政策高新身手和急急限制中央环节身手，保障宏大本事和工程的安逸。功率半导体器件活动功率电子技艺的核心部件，既属于政策高新本事又属于重心症结技能，与国家安祥密弗成分。

　　另一方面，随着高端刀兵装备在全班人军安装中的比例不断进步、高新概思武器研发费用不断发展，功率半导体相关战略津贴和采购也会加大。

　　以高铁为代表的轨路交通编制正一直改正换代， 交流传动武艺已是当代轨途交通的核心技艺之一，在交传布动体系中牵引变流器是合键部件，而IGBT 器件已成为轨路交通车辆牵引变流器和各类协助变流器的主流电力电子器件。

　　功率器件成效的更正不只表当前能量变动出力的晋升，况且表此刻体系装置能量惩办才气上———功率密度的擢升，此指标匀称每 4 年就晋升 1 倍，被业界称为“功率电子领域的摩尔定律”。

　　短促市集主流的功率半导体器件是 Si 基器件，征求局限 SOI（ Silicon on Insulator）基高压集成电路。但随着半导体工艺技艺不息更始， Si 基器件成效还是趋向其材料本身的理论极限，使得功率密度的延长展示了鼓和趋势，其起色速度已无法得意市集的高成效哀求。

　　随着以 SiC（碳化硅）和 GaN（氮化镓）为代表的宽禁带半导体原料制备、创制工艺与器件物理的火快发扬， SiC 和硅基 GaN 电力电子器件逐渐成为功率半导体器件的重要生长限制。

　　考虑到拌闭动力车、电动车、 电源需要安设与太阳能电力转换器等商场需要不竭上扬， Yole 预估全球 SiC 与 GaN 功率半导体商场将由 2015 年的 2.1亿美元，先上扬为 2020 年的 10 亿美元以上，而后于 2025 年飙升至 37 亿美元。

　　国际上，美国科锐（ Cree）公司 2003 年率先推出 SiC 产品，但并没有引起市集属目，直到 2010 年从此，业界才的确下手体贴 SiC功率器件，少许厂家如 Cree、 Rohm、 Infineon、 ST、 Microsemi联贯推出联系产品。

　　在国内， SiC 功率器件的接头始于 20 世纪末， 直到 2014 年，国内 SiC 二极管完结了量产化，但并没有变成完满家当链，与外洋的资产界限相比有很大差距。且自，国内已毕碳化硅（ SiC）功率器件量产的公司只有泰科天润半导体等几家，其量产的肖特基二极管 600～1700V 系列各项指标均已达到国际先辈秤谌。

　　图表 56： SiC/GaN 功率器件生意化使用时期线）GaN——微波射频/功率器件多局限应用潜力无尽

　　GaN 原料具有 3 倍于 Si 原料的禁带宽度、10 倍于 Si 的临界击穿电场和2.5 倍于 Si 的胀和漂移快度，特殊是基于 GaN 的 Al GaN/GaN 组织具有更高的电子搬动率，使得 GaN 器件具有低导通电阻、高做事频率，能满大驾一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更凶恶高温处事的吁请。

　　GaN 资料原来被用为如蓝色 LED 等 LED 类产品的首要材料，但是由于 GaN具有高硬度与高能隙的个性，况且 GaN 功率元件不妨在硅基质(silicon substrates)上生长，在面积与十足本钱考量上，也具有比碳化硅元件更划算的能够性，因而也被操纵在高功率半导体元件中。

　　随着 GaN 原料在光电器件限度的平庸应用，加速了 GaN 资料的发扬，异常是大直径硅衬底 GaN 外延成长武艺的进步以及逐渐贸易化，使得 GaN具有更低廉的资本价格，有力地增进了 GaN 功率半导体器件的进展。计算到 2020 年， Si 基 GaN 元件售价会和 Si 基 MOSFET 以及 Si 基 IGBT售价相当。

　　基于 GaN 器件的特出功效，众多国际厂商如 Infineon、 ST、 NXP(已被高通收购)等比年来竞相追逐此范围市集，固然从当前来看， GaN 器件成本相周旋 Si、 SiC 依旧较高，但成绩于 GaN 材料在其全班人畛域的平时使用，使得本钱下降成为肯定趋势， GaN 产品你们们日长久前景看好。

　　临时基于 GaN 的功率开合器件重要席卷 Al GaN/GaN HEMT（ HFET）、 GaN基 MOSFET 和 MIS-HEMT 等圈套。个中， Al GaN/GaN HEMT 具有工艺单纯、技能成熟、优异的正指示通性子和高的服务频率等优点，成为 GaN 功率开合器件中最受体贴的罗网。

　　权且基于 6 英寸硅基 GaN 平台， IR 公司和 EPC 公司划分推出了 30V 和100V/200V 的 GaN 场效应电力电子器件， 600V-900VGaN 器件在近期也将推向市场。以欧洲微电子研究中心为代表的研发机构正起色 8 英寸硅基GaN 电力电子器件商榷。

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