半导体系列专题：国产功率半导体高端布局加码，国产替代加速（附报告）
功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电压、频率、直流交流转换等功能的核心部件。本篇报告将重点围绕功率半导体的器件类型、应用市场、行业格局以及SiC、GaN的发展情况进行展开。
支撑评级的要点
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常见的功率半导体类型及区别：功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要用于电压、频率、直流交流转换等功能。功率IC、IGBT、MOSFET、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。
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功率半导体下游应用领域：汽车电动化是功率半导体发展新动能。电动车的空调、充电系统、逆变器、DC/DC等核心部件都需要功率器件实现供电电压和直流交流的转换。根据英飞凌预测，轻度混合动力汽车、插电混合动力汽车、纯电动汽车半导体元器件价值量分别达到531美元、785美元、775美元。光伏等新能源发电逆变器、变频家电等是IGBT等功率半导体的重用应用领域。5G通讯技术也将带来功率半导体需求的提升，根据英飞凌数据，4G MIMO射频板上功率半导体的价值量约为25美元，但5G massive阶段的射频板功率半导体价值量将提升到100美元，是MIMO射频板的4倍。
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SiC、GaN的发展现状和前景：SiC具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性，在大功率、高频、高温等应用方面潜力较大，新能源汽车为碳化硅功率器件的重要市场。GaN具有宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性，但GaN的功率器件类型相对碳化硅较少，其中GaN HEMT为氮化镓最受关注的功率器件类型。GaN因具有高输出功率、高能效特性在在消费电子快充产品上得以应用。
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功率半导体的市场格局：高端MOSFET、IGBT等领域仍以英飞凌、安森美、意法半导体、三菱电机、东芝、瑞萨等国际大厂占主导。同时，在车用半导体领域，国际大厂也积极布局，外延并购完善汽车电子产品线。近年来国产功率半导体取得较大进步，从低端市场开始逐步向车用等高端运用市场渗透。
重点推荐
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随着新能源汽车产业的发展、5G通讯到来，功率半导体器件的需求将持续提升。在半导体国产化的大趋势下，国内功率半导体企业有望迎来新的发展机遇，推荐：捷捷微电、华润微、扬杰科技、斯达半导。
评级面临的主要风险
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新能源汽车、家电、通讯等的需求不及预期；功率半导体的国产化进程不及预期。
1、常见的功率半导体类型及区别？
功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电压、频率、直流交流转换等功能的核心部件。根据器件集成度不同，功率半导体可以分为功率IC和功率分立器件两大类。功率分立器件包括二极管、晶体管、晶闸管三大类别，其中晶体管是分立器件中市场份额最大的种类。常见晶体管主要有BJT、IGBT和MOSFET。IGBT和MOSFET是当前市场关注度较高的功率型晶体管。功率IC是将晶体管、二极管、电阻、电容等元件集成在一个半导体晶片上，具有所需电路功能的微型结构。根据运用场景的不同，功率IC包括AC/DC、DC/DC、电源管理、驱动IC等种类。
功率IC、IGBT、MOSFET、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。根据Yole数据，2017年功率IC占全球功率半导体市场规模的54%，是市场份额占比最大的功率半导体产品。MOSFET主要运用于不间断电源、开关电源，变频器音频设备等领域，2017年MOSFET市场规模占功率半导体整体市场规模的17%；功率二极管主要用于电源、适配器、汽车、消费电子等领域，2017年全球功率二极管销售额占功率半导体整体销售额的比例约15%。由于IGBT的操作频率范围较广，能够覆盖较高的功率范围，适用于轨道交通、光伏发电、汽车电子等领域，2017年IGBT的销售占比达到12%。
1、功率二极管
功率二极管是一种不可控型的功率器件，因此功率二极管不可以作为开关器件使用，功率二极管电流容量大，阻断电压高，但是开关频率较低。功率二极管的单向导电性可用于电路的整流、箝位、续流。外围电路中二极管主要起防反作用,防止电流反灌造成期间损坏。功率二极管细分产品包括功率整流二极管、功率肖特基二极管、快速恢复二极管、超快速恢复二极管、小电流整流二极管、变容二极管等种类。
普通整流功率二极管一般采用p+pnn+的结构，反向恢复时间长一般在25微秒；电流定额范围较大，可以实现1安培到数百安培的电流；电压范围宽，可以实现5V-5000V的整流；但是普通整流功率二极管高频特性一般，一般用于1KHz以下的整流电路中。
快恢复功率二极管（FRD）采用PN结构，采用扩散工艺，可以实现短时间的反向恢复，一般反向恢复时间小于5微秒，广泛的使用在变换器中。超快恢复功率二极管（UFRD）在快速恢复功率二极管的基础上，采用外延工艺，实现超快速反向恢复。
肖特基功率二极管（SBD）不是利用P型半导体和N型半导体接触形成PN接原理制作的，而是利用金属和半导体接触形成的金属-半导体结原理制造的。肖特基二极管具有开关频率高和正向压降低等优点，但是反向击穿电压比较低，一般低于100V。因此肖特基二极管一般用于高频低电压领域。
2、MOSFET
MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor）简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路和数字电路的场效应晶体管。MOSFET可以实现较大的导通电流，导通电流可以达到上千安培，并且可以在较高频率下运行可以达到MHz甚至几十MHz，但是器件的耐压能力一般。因此MOSFET可以广泛的运用于开关电源、镇流器、高频感应加热等领域。
为了满足电气化程度不断提升的社会需求，功率型MOSFET性能不断被提升。MOSFET的改进主要围绕着更高的工作频率、更高的输出功率。目前市场上功率型MOSFET可以分为Planar MOSFET 和trench MOSFET两种类型。
早期的功率型MOSFET也叫LDMOS（later Double diffusion MOS），这种结构的MOSFET可以实现大电流传输，但是器件的栅、源、漏都在表面，因此器件的漏极和源极需要很长，十分浪费芯片面积。并且由于LDMOS的栅、源、漏都在同一个表面，在多个MOSFET器件进行并联时需要额外的隔离层，工艺步骤增加。因此后来发展了VDMOS（vertcal DMOS），这就是早期的planer VDMOS MOSFET，这种结构将原来LDMOS器件的漏极统一放到器件的另一侧，这样使得漏极和源极的漂移区长度可以通过背面减薄来控制，而且该种结构可以实现更有利于晶体管并联。晶体管的并联可以增大MOSFET的功率。这种结构的的表面处理工艺和传统的CMOS工艺兼容。
为克服planer MOSFET中整体面积使用效率不高的问题，后来发展出trench MOSFET器件结构。Trench MOSFET是将管子的沟道从原来的planer变成沿着槽壁的纵向。这样的结构虽然提升了硅片面积使用效率，但是工艺难度加大，成本较高，并且当槽较深是容易击穿，因此trench MOSFET的耐压性价差。但是该种结构可以实现较多的晶体管并联，可以导通的大电流，因此适合在低电压和大电流的工作环境。
3、IGBT
IGBT是由BJT和MOSFET组成的复合功率半导体器件，同时具备MOSFET开关速度高、输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小的优点和BJT导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。IGBT在功率MOSFET的基础上增加了一层，即在背面的漏极上增加一个P+层。在引入P+层之后，从结构上漏端增加了一个P+/N-driff的PN结，该PN结处于正偏状态，不仅不影响导通反而增加了空穴注入效应，该PN结带来的特性类似于BJT有两种载流子参与导电。因此IGBT具备MOSFET的开关速度高、输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小等优点，同时具备BJT导通电压低、通态电流大、损耗小等优点。IGBT在高压、大电流、高速方面有突出的产品竞争力，已经成为功率半导体主流发展方向。
从1988年IGBT诞生至今，已经有七代IGBT结构。第一代IGBT(PT-IGBT)产品结构简单，但是由于晶体结构本身原因造成负温度系数，并联时各个IGBT原胞压降不一致，不利于并联运行，并且电流只有25A，容量较小，因此没有普遍使用。第二代IGBT也称为改进型PT-IGBT是在P+和N-driff层时间加入N-buffer层，这一层形成的耗尽层可以减小芯片厚度、减小功耗，该种产品在600V以上具备优势，但是1200V以上时外延厚度较大导致成本较高，并且可靠性降低。西门子是改进型PT-IGBT产品的主流厂商。
第三代IGBT也称为Trench-IGBT，该种结构的思路和trench MOSFET思路一样，将沟道转移到垂直面上。该种结构导通电阻小，栅极密度增加不受限制，有效特高耐压能力。由于需要使用双注入技术，制作难度较大。英飞凌的减薄技术处于世界先进水平，因此英在Trench IGBT时代英飞凌一举成为IGBT行业巨头。
第四代为NPT-IGBT，该种产品不再使用外延技术，而是使用离子注入技术生成P+集电极（透明集电极），该种结构可以精准控制结深进而控制发射效率，增快载流子抽取速度来降低关断损耗，同时该种结构具备正温度系数，在稳态功耗和关断功耗取得较高的折中，该种产品结构被广泛的使用。
第五代FS-IGBT结合了第四代NPT-IGBT的“透明集电区技术”和“电场中止技术”。采用先进的薄片技术并在薄片上形成电场中止层，有效的减薄芯片的厚度，是的导通压降和动态功耗都有明显下降。
第六代FS-trench在第五代基础上改进沟槽结构，增加芯片电流导通能力，优化芯片内载流子浓度和分布，减小芯片的综合损耗和提高IGBT耐压能力。
2012年三菱电机推出第七代IGBT。IGBT7采用了新型微沟槽（MPT）+电场场截止技术。它采用基于n-掺杂的衬底的典型垂直IGBT设计，p基区内的n型重掺杂构成了发射极接触结构。通过在电隔离的沟槽刻蚀接触孔，确定了沟道和栅极。在n-衬底的底部，通过p+掺杂实现了集电极区。在n-衬底和和p+之间，通过n+掺杂实现了场截止（FS）结构。IGBT7增加有源栅极密度，能够增加单位芯片面积上的导电沟道，全面优化IGBT性能。根据富士电机发布的第七代IGBT产品数据，相比于第六代V系列，IGBT7可以使逆变器的功率损耗降低10%，最高操作结温度从150℃提高到175℃，这有助于减小设备尺寸。
各类型功率器件由于结构不同，特性有所不同。MOSFET高频特性较好，工作频率可以达几十KHz到上千KHz，能够工作在高电流状态下，但耐压特性较差，在高功率领域应用受限。IGBT耐压高，高功率领域应用优势明显，高频特性弱于MOSFET。晶闸管高频特性较差，在高功率领域应用优势明显。
4、化合物半导体
影响功率半导体器产品性能的主要有两方面因素：一是器件结构，二是半导体材料。半导体材料的禁带宽度、饱和电子漂移速度、击穿场强都会影响功率半导体性能。从半导体产业发展至今，半导体产业主要经历了三代材料技术演变，第一代是以硅（Si）、锗（Ge）元素为主；第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）为主；第三代半导体材料以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为主。
第一代半导体材料，尤其硅基半导体材料工艺成熟、成本较低，是目前半导体材料的主流，目前95%的功率半导体和99%的集成电路都是基于硅基的第一代半导体材料。但是第一代半导体材料禁带宽度有限，击穿电压低、饱和电子漂移速度低导致硅基半导体材料在面对高电压、高频、高功率运用场景越显捉襟见肘。第二代半导体是以砷化镓（GaAs）为主，砷化镓的运用主要集中在通讯领域，目前手机功率放大器是砷化镓的主要运用场景。砷化镓生产成本较高，物理性能低于第三代半导体材料，因此在功率放大器中难以被使用。
第三代半导体材料氮化镓、碳化硅等材料在物理上具有能级禁带宽的特点，因此第三代半导体材料也成为宽禁带半导体。同时，第三代半导体材料的导热性能、高压击穿、电子饱和漂移速度均明显优于第一代、第二代功率半导体，因此第三代半导体在高温、高功率、高压、高频等运用场景有明显的的优势。
氮化镓在高频电路中优势凸显，是当前移动通讯中有力竞争者。氮化镓半导体材料电子报和漂移速 度明显高于其他半导体材料。因此氮化镓通过高电子迁移率晶体管（HEMT：High Electron Mobility Transistor）率先在高频电路上取得运用。但是氮化镓在耐压性、电流容量都比碳化硅低，在高功率、 高电压运用场景性能低于碳化硅。因此当前氮化镓的主要运用场景主要集中于基站端功率放大器、 航空航天等军用领域。
碳化硅材料已在功率半导体市场崭露头角。碳化硅材料物理性能优于硅等材料，碳化硅单晶的禁带 宽度约为硅材料禁带宽度的 3倍，导热率为硅材料的 3.3倍，电子饱和迁移速度是硅的 2.5倍，击穿 场强是硅的 5 倍。相比于与硅材料，碳化硅在高温、高压、高频、大功率电子器件具有不可替代的 优势。目前碳化硅功率半导体已在特斯拉 model 3等高端车市场成功运用，未来汽车领域将是碳化硅 成长主要动力。碳化硅功率半导体的生产过程主要包括碳化硅单晶生产、外延层生产、器件制造三 大环节。目前英飞凌、意法半导体等国际主流厂商的 4 英寸碳化硅产品线居多，并向 6 英寸产品线 过度，龙头厂商 CREE已经开发出 8英寸产品。目前高质量的碳化硅外延片主要有 CREE供应。
汽车半导体是未来碳化硅功率器件的主要推动力。碳化硅在高温、高压、大功率领域具有不可替代的优势，在电力控制和转换、高压等领域有着广泛的运用。一汽电驱动研究所所长赵慧超表示，碳化硅器件工作结温在200°C以上，工作频率可以达到100kHz，耐压可达20KV，碳化硅器件体积可以减小到IGBT整机的1/3~1/5，重量减小到原来的40%~60%。目前碳化硅功率半导体已经在汽车主逆变器、车载充电器、DC/DC转换器等核心部件上成功运用，未来汽车将是碳化硅成长的主要动力。根据产业资料，特斯拉的model3中开始使用碳化硅的MOSFET，随着model 3车型以及其他高端新能源车的量产，碳化硅MOSFET需求有望迎来快速增长。根据Yole统计数据，2017年全球碳化硅功率器件市场规模达到3.02亿美元，较2016年的2.48亿美元增长22%，预计到2023年全球碳化硅功率半导体生产规模达到15亿美元，复合增长率达30.6%，远高于同期全球功率半导体市场规模增速。
碳化硅MOSFET的大规模运用尚需降低制造成本。当前碳化硅MOSFET为大规模运用于新能源车的主要原因在于碳化硅MOSFET成本高昂。根据Yelo数据，CREE碳化硅MOSFET成本达到**美元，同等级别硅基IGBT成本约为，英飞凌碳化硅的MOSFET成本约，同等 IGBT成本约为，总体而言硅基IGBT的成本约为碳化硅MOSFET的25%。因此当前降低碳化硅MOSFET生产成为成为产业研究重点方向。
氧化镓或是未来高压、高功率运用功率半导体材料的挑战者。氧化镓的禁带宽度为4.9eV，超过碳化硅、氮化镓等材料，采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件。氧化镓击穿场强高于碳化硅和氮化硅，目前β-Ga2O3的击穿场强可以达到8MV/cm，是碳化硅的两倍。氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用。氧化镓最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动汽车和光伏太阳能系统。氧化镓的导热率低，散热性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向，如若未来氧化镓的散热问题被攻克，氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。
2、功率半导体主要应用领域有哪些？
功率半导体下游运用广泛，包括工业控制、4C、新能源车、光伏等领域。功率半导体是电力电子技术的基础，也是构成电力电子转换装置的核心器件，应用范围覆盖工业控制、4C领域（Computer计算机产品、Communication通讯产品、Consumerelectronics数码家电、COM网络产品）、新能源车、光伏、智能电网等领域。根据IHS数据，2018年，全球功率半导体市场规模达到391亿美元，同比增长5.9%，2021年全球功率半导体市场规模有望达到441亿美元，复合增长率达到4.1%；我国功率半导体市场规模达到138亿美元，占据全球功率半导体市场的31%，2021年我国功率半导体市场规模有望达到159亿美元，年复合增长率达到4.83%，超过全球功率半导体增长速度。
1、汽车电动化：功率半导体发展新动能
汽车电动化带动单车半导体价值量的提升。与传统燃油车相比，新能源车多了电池、电机、电机控制器、DC/DC、空调驱动、充电器的装置。电动车的空调、充电系统、逆变器、DC/DC等核心部件都需要功率器件实现供电电压和直流交流的转换。根据英飞凌预测，2019年轻度混合动力汽车（MHEV）单车半导体元器件价值量约为531美元，而插电混合动力汽车（PHEV）、纯电动汽车（BEV）半导体元器件价值量分别达到785美元、775美元，较MHEV分别提升47.83%、45.95%。
MOSFET、IGBT等功率半导体器件是汽车电动化的受益核心。与传统动力汽车不同，新能源汽车需要使用大量的电力设备，将实现能量的转换。新能源汽车中AC/DC充电机变换器、DC/DC升压变换器、DC/DC降压变换器、双向DC/AC逆变器、充电桩等部件需要了大量的功率半导体实现能量的转换。根据on semiconductor数据，电动车的价值量电源解决方案的价格约为400美元，远高于传统动力汽车的40美元。MOSFET和IGBT是实现供电电压和直流交流转换的核心部件，因此汽车电动化带动单车功率半导体价值量。电机控制器是新能源车的核心部件之一，IGBT是电机控制器的核心电力电子元器件。根据驱动视界统计数据，电机控制系统成本占据整车成本的15%~20%，而IGBT模块占据电机控制模块成本的37%。1200V以下IGBT和MOSFET是电动车电源解决方案核心部件。
高端车型提升单车功率半导体的价值量。在高端车型中，特斯拉model S使用了84个IGBT为三相感应电机供电；model X 使用132个IGBT，其中后电机为96个，前电机为36个，整车IGBT成本达到650美元。从model 3开始，特斯拉开始使用碳化硅功率半导体替代传统硅基功率半导体，改善整车的续航能力等性能实现高效变电。高端车型的单车功率半导体价值量不断提升，中低端车型有望跟进，电动车平均单车功率半导体价值量有望进一步提升。
大众、福特、宝马等传统车企扩产新能源车，特斯拉、比亚迪等新兴电动车车企异军突起，汽车电动化趋势不可逆转。在汽车电动化趋势下，各大传统车企纷纷布局新能源车，新能源车将成为传统车企成长新动能。2019年11月，大众集团发布5年规划，预计2020-2024年集团将在电动车领域投资600亿欧元，2020、2025年电动车销量目标分别为40、300万辆，占其汽车销量的占比为4%、20%；计划至2029年将生产2600万辆电动车。福特计划到2020年实现新能源车销量占全球总销量10%-25%。根据IHS数据，2018年全球电动车销量达到700万辆，预计2023年将达到3300万辆，5年复合增长率达到41%。
汽车电动化除了带来车身功率半导体价值量的提升之外，新增的充电桩也将带来功率半导体增量。工信部、国家能源局联合发布《提升新能源汽车充电保障能力行动计划》提出利用三年时间优化充电基础设施发展环境，千方百计实现“一车一桩”接电需求。新能源汽车的普及将大幅提高对充电的需求。根据意法半导体数据，2020年美国/欧洲/中国新能源车充电需求分别为60亿千万时、40亿千瓦时、80亿千瓦时，预计2030年将分别达到530亿千瓦时、790亿千瓦时、1390亿千瓦时，复合增长率分别达到24%、34.76%、33.76%；2020年美国/欧洲/中国充电器数量分别为200万个、100万个、100万个，预计2030年将达到1300万个、1500万个、1400万个符合增长率分别达到20.58%、31.10%、30.2%。根据工信部发布《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020年）》，到2020年将新建超过480万个分布式充电桩。
MOSFET、IGBT是充电桩实现电能转换的核心元器件。在充电桩中，同样需要DC/DC等功率器件实现供电电压和频率的转换。根据产业数据，IGBT模块占充电桩成本月20%。根据ON semiconductor数据，充电站中的MOSFET、IGBT、功率二极管等功率半导体价值量将达到500美元。
2、新能源发电带动高压功率半导体需求
IGBT模块是光伏发电逆变器和风力发电逆变器的核心零部件，新能源发电助力功率半导体持续增长驱动力。太阳能、风能产生的电能不符合电网要求，光伏逆变器/风力发电逆变器可以将其整流成直流电，然后在逆变成符合电网要求的交流电后输入并网。
IGBT是光伏逆变器和风电逆变器的核心零部件。光伏逆变器的功率组价主要是由IGBT和功率二极管组成，风力发电逆变器中的功率组件和光伏逆变器的功率组件类似。光伏逆变器和风电逆变器中的IGBT主要是1200V-1700V的IGBT。
国内光伏需求强劲，我国经济基本面良好带动社会用电量攀升，新能源发电空间大。虽然近年来我国经济发展速度有所放缓，GDP增速仍然保持在6%以上，我国依然是全球经济增长的引擎。经济发展带动社会用电量的攀升，根据国家统计局统计数据，2019年我国社会用电量达到72255亿千瓦时，同比增长5.61%。另一方面，我国供电结构尚需改善，光伏发电、太阳能发电比例提升空间大。从我国电力供应结构上看，火力发电是我国供电的主力，根据国家统计局统计，2020年2月火力发电占比达到76.04%，而太阳能发电和风力发电占比仅为5.78%、1.75%。由于煤炭资源是不可再生，并且火力发电会带来环境破坏等问题，因此我国能源结构改善空间较大，未来光伏发电和风力发电的渗透率有望进一步提升。根据产业信息网数据，2020年我国风电装机容量有望达到270GW，2025年我国光伏累计装机容量有望达到400GW。
3、家电变频需求
功率半导体是实现变频技术的核心半导体器件。变频技术是使用IGBT、MOSFET、晶闸管等功率半导体元器件对电能实现变换和控制，从而实现电压频率的变化。变频技术的运用主要集中于家电、新能源车、轨道交通等领域，其中变频家电是最重要的运用领域。相比于传统的白色家电，变频白色家电更加高效节能，能够实现精准控制，实现舒适静音，能够实现多样化功能。根据英飞凌数据，变频技术能够使得家电节约60%的能效。
变频技术在白色家电的渗透率快速提升。近年来，变频家电全面推广，尤其是变频空调的推广。变频空调因为低频启动、启动电流较小、能够快速制冷、节能等优点收到广大消费者的青睐。根据产业在线统计数据，变频家用空调出货量在家用空调中的占比从2010年的17%提升到了2018年上半年的41%，提升24个百分点；变频洗衣机的渗透率从2011年的9%提升到了2018H1的39%，提升了30个百分点；变频冰箱的渗透率从2011年的4%提升到了2017年的17%。
受益于变频白色家电的快速渗透，家电用功率半导体需求上升。家电的变频化、网络化发展带动IGBT、MOSFET、IPM等功率器件的快速发展。根据IHS数据，2017年家电用功率半导体市场规模为14.47亿美元，2021年有望增长至26.68亿美元，四年复合增长率达16.5%。
4、5G通讯拉动功率半导体需求
5G massive MIMO技术带动单站用功率半导体需求量。全球移动通信技术进入5G时代，相比4G通讯技术，5G使用毫米波、massive MIMO等技术实现大带宽、低时延网络传输。2019年6月，工信部向三大运营商发放5G牌照，三大运营商获得频谱在2GHz以上，高于4G的频谱，未来5G频谱有望演进到毫米波。信号频率越高带来的衰减问题越严重，对基站端发射功率构成了巨大的挑战。另一方面，4G使用MIMO技术一般不超过4T4R，但在未来5G种的massive MIMO有望达到64T64R甚至更高阶数。Massive MIMO的大规模使用提升基站对电源管理的需求，根据英飞凌数据，4G MIMO射频板上功率半导体的价值量约为25美元，但5G massive阶段的射频板功率半导体价值量将提升到100美元，是MIMO射频板的4倍。
5G基站建设规模高于4G基站数，功率半导体受益。在无线通信中，信号的频率越高，信号的强度衰减越快，覆盖的范围就会越小。由于4G通信的可用频段比 3G频率高，为了保证良好的 4G信号覆盖， 4G基站的数量保持上升的趋势。截至 2018年，我国的 4G基站 372万站， 3G基站的数量为 117万站， 4G的基站的数量为 3G基站的 3.2倍。5G的频段在 2600MHz以上，比 4G的频率更高，为了保证良好的信号覆盖，基站的需求量将会大幅度增加。获得根据中国联通网络技术研究员预测 5G宏基站的需求量约是 4G基站的 1.5 倍， 2018年 4G基站的数量为 372万站，因此 5G宏基站至少需要 558万站。为了实现 5G在热点区域的良好信号覆盖， 5G需要在热点区域建设大量小基站。未来宏基站+小基站数量的增长将带来通讯用功率半导体的爆发。
此外，5G带来数据爆发式增长，这将带来数据中心的建设和云服务规模的提升。数据中心的建设将带动AC/DC、DC/DC等电源管理模块的需求，通讯用功率半导体市场规模进一步提升。
5、工业互联网需求
工业领域实功率半导体运用最大的领域，功率半导体在工业的运用范围较广，数控机床、鼓风机、发电系统、轧钢机等工业设备均需要使用功率半导体器件。另一方面，由于我国人口红利逐渐消失，提高社会生产效率成为必然选择，未来工业将朝着自动化、联网化方向发展。根据前瞻产业研究院预测，2019年我国工业互联网市场规模达到6080亿元，预计2024年将达到12500亿元，5年复合增长率达15.5%。功率半导体是实现电力控制核心零部件，未来有望在工业互联网大潮中迎来需求的增长。根据ON semiconductor数据，相比于人工生产，机器人生产的将带来250美元半导体价值量，这主要有MOSFET、二极管、图像传感器等半导体元器件构成。
3、SiC、GaN的发展现状和前景？
1、SiC器件
SiC材料属于第三代半导体材料，目前用于衬底的SiC材料类型主要为4H-SiC。4H-SiC的禁带宽度是Si的3倍，临界击穿电场达到40V/cm，因此，在相同结构下，SiC 器件阻断能力比硅器件高好多倍，相同的击穿电压下，SiC 器件的漂移区可以更薄，保证其拥有更小的导通电阻。一般硅器件最高到200℃就会因热击穿造成失效，而SiC 具有的宽禁带特性，保证了SiC 器件可以在500℃以上高温环境工作，且具有极好抗辐射性能。另外，4H-SiC的饱和电子迁移速度是Si的2倍，因此具有良好的高频特性。并且碳化硅的热导率也较高，是Si的三倍。SiC的宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性使得碳化硅功率器件具有耐高温、抗辐射、高开关频率等良好的性能，因此受到业界广泛关注。
SiC功率器件产业链环节主要包括单晶、外延、器件、模块和应用环节。目前，碳化硅功率器件主要包括功率二极管和功晶体管。功率二极管主要包括结势垒肖特基二极管JBS、PiN二极管和混合PIN肖特基二极管MPS，功率晶体管主要包括MOSFET、结型场效应晶体管JFET、双极型晶体管BJT、IGBT、门极可关断晶闸管GTO和发射极可关断晶闸管ETO等。目前，实现碳化硅功率器件产业化公司主要有美国Wolfspeed、德国英飞凌、日本罗姆、欧洲意法半导体、日本三菱，这几家约占国际市场90%份额。
受限于大直径碳化硅单晶生长难度高、成本高等因素，碳化硅功率器件的市场规模仍然较低。根据
受限于大直径碳化硅单晶生长难度高、成本高等因素，碳化硅功率器件的市场规模仍然较低。根据Yole预测，2020 年全球碳化硅功率器件市场规模约5-6亿美元，约占整个功率半导体器件市场份额的3-4%，预计到2022年，碳化硅功率器件的市场规模有望超过10亿美元。
新能源汽车为碳化硅功率器件的重要市场。电动汽车中，车载充电器、DC/DC 转换器、主逆变器和 电动压缩机对功率电子器件要求较高，需要 IGBT或 SiC功率器件。由于碳化硅器件与硅器件相比具 有以下优势：1）更高的电流密度，在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基 IGBT 模块。以 IPM为例，碳化硅功率模块体积可缩小至硅功率模块的 2/3-1/3。2）导通电阻低，具有更低 的开关损耗，提高系统效率或工作频率。碳化硅功率模块与采用硅基 IGBT的功率模块相比，可将开 关损失降低 85%。3）更高的结温，能够在高温条件下工作。碳化硅器件结温高，极限工作温度有望 达到 600℃以上，而硅器件的最大结温仅为 150℃。由于碳化硅功率器件的优良特性，预计汽车 OBC、 逆变器在未来几年对于 SiC的需求将呈现出线性增长。特斯拉量产的 Model 3车型中主逆变器已采用 全碳化硅功率模块作为核心功率器件，单车搭载有 24颗全碳化硅功率模块。
2、GaN器件
GaN同属于第三代半导体材料，具有宽禁带、高临界击穿场强、高饱和电子漂移速度等物理特性，使得其功率器件拥有高功率、高频率和高压下工作的能力，因此受到关注。目前，氮化镓应用较多的是光电器件和微波射频领域，跟SiC相比，GaN的功率器件类型不多，主要的GaN器件类型包括功率肖特基二极管、氮化镓PN二极管、氮化镓场效应晶体管（GaN FET）和高电子迁移率晶体管（GaN HEMT），其中GaN HEMT为氮化镓最受关注的器件类型。
氮化镓的应用领域以航天、军事等应用较多，但近年来也逐步走向消费电子领域。在消费电子产品的重充电电源领域，高输出功率和高转换效率一直是产品技术升级的焦点，而GaN功率器件具有的高输出功率、高能效特性，使其能在既定功率水平下能够做到更小的体积，因此在电源快充产品中得以应用。OPPO、小米等手机厂商已经开始在手机充电器中采用GaN技术。
根据 Yole数据，2019年氮化镓器件的市场规模约 6000万美金，预计到 2022年，全球氮化镓器件的市 场规模将达到 4.45亿美金。
4、功率半导体的市场格局如何？
1、高端功率器件国产化率仍较低
功率半导体行业在资金、技术、客户认证等方面壁垒较高，在高端功率器件领域，以美、日、欧龙头厂商为主导。根据IHS统计，2017年英飞凌、安森美、意法半导体、三菱电机、东芝半导体是全球前五的功率半导体供应商，分别占绝18.5%，9.2%、5.3%、4.9%、4.7%的市场份额，前五大供应商市场占比达到42.6%，前十大供应商占比达到60.6%。
MOSFE市场以英飞凌、安森美等厂商占主导。根据IHS统计，2018年全球功率MOSFET分立器件销售额达到75.8亿美元，其中英飞凌销售额达到21亿美元，占全球功率MOSFET销售额的27.7%，安森美、意法半导体、东芝半导体、瑞萨半导体分别占据13.1%、8.0%、7.0%、7.0%的市场份额，前五大供应商占据62.8%市场份额，前十大供应商占据81%的市场份额。
IGBT集中于英飞凌、安森美、三菱电机等厂商。在IGBT方面，2018年全球分立IGBT市场规模达到13.1亿美元，英飞凌占据37.4%，英飞凌、安森美、富士电机、littelfuse、意法半导体前五大厂商占比高达67.8%，前十大厂商占比达86.1%；2018年全球IGBT模块销售额达到32.5亿美元，英飞凌占比达到34.5%，英飞凌、三菱电机、富士电机、赛米控等前五厂商占比达到67.2%。
功率二极管市场格局分散。目前功率半导体市场相对分散，Vishay是全球功率二极管最大供应商，占据全球约10%，前五大厂商约占据28%，功率二极管的市场集中度远低于MOSFET和IGBT。
欧、美、日龙头厂商以IDM为主，垂直整合优势明显。龙头厂商英飞凌、安森美、罗姆半导体、三菱电机等龙头厂商均具备晶圆设计、制造、封装测试能力。IDM企业在研发与生产各个环节积累更加深厚，有利于技术的沉淀和产品群的形成与升级。公司能够发挥资源的内部整合优势，提升运营效率，有利于控制生产成本和响应客户定制化需求。
目前英飞凌等龙头厂商晶圆制造以8英寸、12英寸产线为主，单位芯片的制造成本更低，产品更具成本优势。龙头厂商充分发挥工艺优势，提升产品性能。背面工艺和减薄工艺先进对IGBT尤为重要，目前英飞凌制造的IGBT能够减薄到40微米。另一方面，车用功率半导体对散热要求极高，汽车逆变器温度要，同时需要考虑强振动等使用条件，因此高端车用功率半导体对封装的要求远高于工业使用的功率半导体。因此，IDM是当前功率半导体龙头的主流经营模式。
2、产业龙头重点布局汽车高端运用
车载半导体将是半导体产业下一个千亿蓝海市场，各大厂商重点布局高端车用半导体市场。根据strategy Analytics数据，2018年全球车载半导体市场规模达到377亿美元，英飞凌、瑞萨半导体、意法半导体占据前列。
车规级半导体技术难度大，价值量高。车规级功率半导体设计制造难度大，需要平衡低功耗与高可靠性、高功率容量；车规级功率半导体封装难度较高，车规级封装需要满足高效散热、高可靠性等需求，确保汽车长期可靠运行。
汽车成为各大功率半导体龙头的最重要的收入来源。根据英飞凌年报，2019年公司汽车业务收入占比达到44%，市公司最大的业务收入来源。2009年英飞凌汽车业务收入为9.05亿美元，占比仅为当年营收的28%，2019年英飞凌的汽车业务收入达到35.03亿美元，占当年营收44%。十年间英飞凌汽车业务收入复合增长率为14.5%，高于同期公司营10%的复合增长率。根据ON semiconductor 年报数据，公司汽车业务营收占比从2011Q1的21%提升至2019Q4的32%，2012年-2019年汽车业务收入复合增速达到 9.76%，高于同期公司6.07%的营收复合增速。根据意法半导体数据，2010年汽车业务收入为14.02亿美元，在当年营收占比为13.73%，2019年公司汽车业务收入达到36.06亿美元，在当年收入的比例37.74%。2010年至2019年汽车业务收入复合增长率10.91%，远高于共同同期公司业务营收。
龙头厂商积极布局车用半导体，外延并购完善汽车电子产品线。2016年英飞凌收购Innoluce，进一步完善车用MEMS和传感器的布局；2019年完成对 cypress的并购交易，cypress是车用MCU、存储器、WiFi、USB等零部件的龙头，英飞凌是功率半导体绝对龙头，英飞凌与cypress强强可联合，公司在汽车半导体产品线的布局进一步完善。自1999年成立以来，ON semiconductor发生过17次并购不断完善公司产品线，2016年收购仙童半导体完成高功率产品的布局，进一步完善汽车功率半导体产品线，2014年公司收购Aptina进一步完善公司在汽车图像传感器领域的布局，公司成为全球汽车图像传感器最大的供应商。
3、加码碳化硅，海外巨头抢占功率半导体新高地
CREE公司占据全球60%的SiC晶圆制造市场份额，英飞凌，CREE、意法半导体、安森美等功率半导体前十企业占据碳化硅功率器件50%以上市场份额。各大功率半导体厂商加速碳化硅产品的研发，
2019年ON semiconductor推出两款碳化硅MOSFET：符合工业运用标准的NTHL080N120SC1和符合AEC-Q101标准的汽车级NVHL080N120SC1。这与安森美的碳化硅二极管、驱动器构成完整的碳化硅功率器件生态。
英飞凌在碳化硅设备和工艺的研发投入达到上亿欧元。英飞凌与CREE达成碳化硅晶圆长期供应协议，CREE为英飞凌长期供应6英寸碳化硅晶圆。英飞凌计划将SiC的制造产线转换为6英寸产线，增加产品的供应碳化硅功率产品的供应。基于大量的经验和兼容性设计的知识基础，英飞凌开拓性的推出CoolSiC™ MOSFET产品。
意法半导体从1996年开始布局碳化硅技术，2004年推出首款碳化硅二极管，2009年推出首款碳化硅MOSFET，而后增加1200V的碳化硅MOSFET和功率SBD。2017年意法半导体6英寸碳化硅晶圆产线开始投产，降低生产成本增加碳化硅的市场供应。意法半导体的碳化硅产品成功的在特斯拉的model 3上使用，使得model 3的逆变器效率有model S的82%提升至90%。意法半导体与罗姆达成1.2亿美元的晶圆供货协议，由罗姆集团旗下的SiCrystal(SiC晶圆生产量欧洲第一)向意法半导体供应先进的6英寸的 SiC晶圆。
4、国产厂商崛起，资本助力功率半导体国产化
政策、资金、人才多方面扶持，国内功率半导体企业快速发展。功率半导体行业集中度高，长期被国外厂商垄断，但近年来国产功率半导体厂商取得较大进步，从低端市场开始逐步向车用等高端运用市场渗透。随着社会电气化的发展，我国成为全球功率半导体最大消费市场，国内孕育了一批功率半导体厂商，包括斯达半导体、华润微电子、士兰微等功率半导体厂商，并依托国内市场和政策切入市场，加速功率半导体国产化替代的进程。
外延并购助力功率半导体国产化。2008年株洲中车时代走出国门成功收购英国丹尼克斯半导体75%的股权，并在英国设立海外研发中心，成为我国第一家全面掌握IGBT芯片技术研发、模块测试的厂商。技术市场双轮驱动，中车时代完成650V-6500V全谱系IGBT研发。2016年以建广资产为主导的中国财团以27.6亿美元成功收购恩智浦标准件业务——安世半导体，2019年闻泰科技收购安世集团，成为安世半导体控股股东。安世半导体是全球第八大MOSFET供应商，中国财团的收购将促进功率半导体，尤其是MOSFET的国产化水平。
