(1)功率器件基本介绍
功率器件(或称功率半导体器件)是功率半导体的一部分,为电能/功率处理的核心器件。功率器件主要用于电力设备的电能变换和电路控制,更是弱电控制与强电运行之间的沟通桥梁,主要作用是变频、变压、变流、功率放大和功率管理,对设备正常运行起到关键开关作用。
①功率器件结构
根据功率器件结构分类,功率器件可以分为二极管、晶闸管和晶体管。其中,二极管具备单向导电特性,包括肖特基二极管、快速恢复二极管、工频二极管等,主要应用于开关电源、整流电路、变频器等产品。
晶闸管又称作可控硅,结构为NPNP四层半导体结构,包括普通晶闸管、双向晶闸管、门极关断晶闸管等,能在高电压、大电流条件下工作,多应用在电机驱动控制、高压直流输电、动态无功功率补偿、超大电流电解等场合;晶体管具备三个或多个电极,主要包括MOSFET、IGBT、双极结型晶体管BJT等。三类功率器件中,晶体管和晶闸管均需搭配驱动器才可进行工作。
功率器件从早期简单的二极管逐渐向高性能、集成化方向发展,从结构看,为满足更广泛的应用需求和复杂的应用环境,器件设计及制造难度逐渐提高。功率器件根据不同的器件特性分别应用于不同应用领域,二极管、晶闸管等器件生产工艺相对简单,在中低端领域大量使用;IGBT、SiC MOSFET 等器件更多应用于中高压、高可靠性领域,器件结构相对复杂并且生产工艺门槛较高,成本较高,在新能源汽车、轨道交通、工业变频等领域广泛使用。
②功率器件驱动形式
根据驱动电路加在功率器件控制端和公共端之间信号的性质分类,功率器件可以分为电压驱动型、电流驱动型,其中,电压驱动型功率器件包括IGBT、MOSFET等,电流驱动型功率器件包括普通晶闸管、双极结型晶体管BJT、门极关断晶闸管(GTO)等。
③功率器件电压等级
以IGBT为代表,功率器件按照电压等级一般分为三类,具体包括低压(600V以下)、中压(600V-1,200V)、高压(1,700V-6,500V)功率器件。
(2)功率器件行业发展情况
①功率器件市场规模
根据Omdia数据,2021年,全球功率器件市场规模约为275.02亿美元,中国已经成为全球最大功率器件消费市场。据英飞凌(全球功率器件领先企业)年报统计,2021财年英飞凌在中国地区销售收入占其全部收入的37.9%,中国是其全球最大的销售区域。据Omida数据,中国功率器件市场规模约为105.82亿美元,相较2020年增长21.7%。
IGBT和MOSFET是国际功率器件市场的主力军。根据Omdia数据,2021年,全球功率器件中MOSFET市场约占43.6%,约120亿美元;IGBT(含IGBT分立器件、IGBT模块、IPM模块)市场占30.6%,约84亿美元。SiC基和GaN基功率器件由于成本和技术限制,目前占比较低,其是未来功率器件重要发展方向之一。
IGBT结构上由BJT和MOSFET组合而成,兼具MOSFET输入阻抗高、控制功率小、开关速度快和BJT通态电流大、导通压降低、损耗小等特点,广泛应用于风电、光伏、工业控制、新能源汽车、轨道交通等领域。
②功率器件产业格局
从产业格局来看,全球功率半导体分立器件市场主要由国际厂商占据,我国头部企业逐步提高市场份额。欧美企业在全球功率半导体分立器件市场中占有重要的位置,主要功率器件厂商有英飞凌(Infineon)、安森美(Onsemi)、意法半导体(STMicro)、威世半导体(Vishay)等。
从上个世纪90年代开始,日本成为国际功率半导体产业的发达地区,主要功率器件厂商有三菱(Mitsubishi)、东芝(Toshiba)、富士(Fuji)等。根据Omdia统计,2020年全球功率器件销售额前十名均为国际厂商,市场份额合计约58.7%。
中 国 功 率 器 件 产 业 起 步 较 晚 , 近 年 来 市 场 规 模 增 速 加 快 , 2020 年 以 来 , 中 国 企 业 在MOSFET、IGBT等细分领域市场份额提升,包括华润微、士兰微、中车集团、斯达半导、新洁能、捷捷微电、东微半导等企业,随着国产功率器件全球市场占有率不断提升,功率器件行业国产替代进程加速。