电子行业市场前景及投资研究报告：功率半导体黄金赛道技术迭代

证券研究报告电子/行业深度报告2025年5月28日功率半导体黄金赛道——技术迭代×能源革命×国产替代的三重奏摘要•基于Omdia数据，功率分立器件、功率模块市场规模由2023年的357亿美元，萎缩至2024年的323亿美元，近十年年复合增长率为7.14%。广义口径下，2024年全球功率器件（含SiC）规模为530.6亿美元，2020-2024年复合增长率为3.55%。随着第三代半导体材料加速渗透，预计2024-2029年间，全球功率器件有望维持8.43%的年复合增长率至795.3亿美元。相对于车规级功率半导体，功率半导体分立器件及模块的集中度偏低且较为分散，CR5占比在50%以下。但仍以外企主导，龙头英飞凌市占率稳定在20%左右，国内替代空间相对较大。••中国作为全球最大的功率半导体消费国，贡献了约40%的功率半导体市场。根据Omdia及中商产业研究院预测，2023年国内功率半导体市场规模约为1519.36亿元，2024年预计规模增长至1752.55亿元。新能源车打开IGBT、SiC增长空间，国内车规级半导体市占率有待提升：根据S&P

Automative

Semiconductor

Tracker预测，2024年纯电BEV市场为1100万量，预计2030年纯电规模将增长至3200万量，年复合增长率约为20%。受益于高压-高功率化、材料迭代、SDV驱动，英飞凌预测，BEV的半导体单车BOM将从2024年的单车1300美元增长至2030年的1,650美元（高端车型或至2,500美元）。中国新能源车出货量占比持续攀升，占比超过50%。国内车规级功率半导体市占率与新能源车销量产生较大差异，全球车规级半导体市场规模由2019年的372亿美元增长至2024年683.8亿美元。但是，当前车规级用功率半导体集中度远高于功率半导体分立器件及模块。Top3分别为英飞凌、意法半导体、德州仪器，市占率分别为29.20%、20.10%、10.10%。•••AI驱动兆瓦级供电需求，800V

HVDC依赖于高性能功率半导体材料：全球算力设备能耗随人工智能需求爆发大幅增长。算力设备是能耗和碳排放的重要来源。2024年-2030年，AI芯片将为数据中心IT设备负载带来每年4至9GW的新需求，在数据中心新增的全部IT设备负载约占70%。主流AI训练机柜正从传统的10–15kW抬升至30kW以上，高端液冷机柜甚至冲向100kW。一套高密度AI服务器机柜仅功率半导体用料就高达1.2–1.5万美元，包括24只PSU、36块GPU板、18块48V母线转换板、>300颗保护器件等。传统功率二极管陷入“高耐压vs低损耗”两难：在功率MOS器件设计中，击穿电压(BV)与特征通态电阻(푅표푛)的关系非常密切，其基本关系式为푅표푛

=

5.93

×

10−ꢀ（퐵푉）2.ꢁ。高耐压下抑制漏电流，必须降低半导体掺杂浓度并增厚漂移区厚度，导致导通电阻和正向压降显著升高。碳化硅（SiC）是一种典型的第三代半导体材料，具有相对于硅（Si）显著更大的带隙、更高的击穿场强和热导率等优势国内市场碳化硅渗透率更快，增长更为可观：受益于新能源汽车、储能及其他电力领域应用高速增长，国内6英吋外延片由2019年的3.4万片增长至2023年的18.8万片，复合增长率为52.8%，增速高于同期全球6英吋销量的46.1%。弗若斯特沙利文预测，中国8英吋销量预计在2028年达到103万片，2023年至2028年复合增速644.9%，同期全球8英吋碳化硅销量预计为308.1万片，8英吋国内市场需求或占据33.4%的份额，碳化硅外延片整体需求占全球市场份额约40%。••相关公司：我们认为，AI数据中心+高功率车载动力平台有望加速碳化硅快速渗透，国内碳化硅市场份额较大且渗透率高于全球，市场空间及增长可观，建议关注：扬杰科技（300373.SZ)、三安光电（600703.SH)、新洁能（605111.SH）、天岳先进（688234.SH)、士兰微（600460.SH）、华润微（688396.SH）、斯达半导（603290.SH)风险提示：宽禁带材料主要应用于高压、高功率场景，主要集中于新能源车、智能电网等领域，下游需求景气度存在波动；功率半导体生产前期投入成本较高，需实现一定的规模化；生产设备、材料对外依赖度仍然较高，贸易摩擦或影响产能爬坡；半导体行业周期性下行；政治、政策不确定性因素及其他宏观因素目录一、全球功率半导体市场：第三代半导体材料维持高增长七、超结(SJ-MOS)、IGBT推动功率MOS步入高频、耐压、低损耗时代二、全球功率半导体（分立器件及模块）较为分散，但头部企业仍以外企为主八、IGBT≈

BJT+

功率MOS，沟槽型IGBT或成为主流趋势三、功率半导体正从“单一器件”向“系统级解决方案”演进九、宽禁带半导体材料成为高压、大功率、高温的理想材料四、新能源车打开IGBT、SiC增长空间，国内车规级半导体市占率有待提升十、SiC衬底的制备过程十一、SiC外延技术五、储能及AI算力中心建设或成为新型功率半导体“增长曲线”六、传统功率二极管陷入“高耐压vs低损耗”两难十二：相关公司风险提示：宽禁带材料主要应用于高压、高功率场景，主要集中于新能源车、智能电网等领域，下游需求景气度存在波动；功率半导体生产前期投入成本较高，需实现一定的规模化；生产设备、材料对外依赖度仍然较高，贸易摩擦或影响产能爬坡；半导体行业周期性下行；政治、政策不确定性因素及其他宏观因素功率半导体研究图谱全球功率半导体市场：第三代半导体材料维持高增长••基于Omdia数据，2023年功率分立器件、功率模块市场规模357亿美元，2024年萎缩至323亿美元，近十年年复合增长率为7.14%。广义口径下，2024年全球功率器件（含SiC）规模为530.6亿美元：2020-2024年复合增长率为3.55%。随着第三代半导体材料加速渗透，预计2024-2029年间，全球功率器件有望维持8.43%的年复合增长率至795.3亿美元。•第三代半导体材料保持高增长：新型宽禁带材料功率半导体增速较高增速，碳化硅功率器件2020-2024年期间复合增长率为45.4%；根据Omdia，Yole预测，2024-2029年全球碳化硅功率器件市场或将保持39.9%的复合增长率至136亿美元。图：碳化硅功率器件有望维持年复合增长39.9%至2029年的136亿美元图：2024年全球功率半导体分立器件及功率模块市场份额萎缩至323亿美元数据来源：Omdia，金元证券研究所数据来源：Yole，金元证券研究所全球功率半导体（分立器件及模块）较为分散，但头部企业仍以外企为主•

2024年全球功率半导体（分立器件及模块）来看，英飞凌市占率为首位，为20.8%；第二名安森美市占率为9.2%；中国企业士兰微市占率为3.3%，较2023年上升0.7pct。比亚迪市占率持续提升，跃居至全球第七位。•

相对于车规级功率半导体，功率半导体分立器件及模块的集中度偏低且较为分散，CR5占比在50%以下。但仍以外企主导，龙头英飞凌市占率稳定在20%左右，国内替代空间相对较大。图：全球功率半导体（分立器件、模块）市场集中度偏低，CR5在50%以下图：全球功率半导体（分立器件、模块）头部企业市占率数据来源：Omdia，英飞凌，金元证券研究所数据来源：Omdia，英飞凌，金元证券研究所国内是全球最大的功率半导体消费国•

中国作为全球最大的功率半导体消费国，贡献了约40%的功率半导体市场。根据Omdia及中商产业研究院预测，2023年国内功率半导体市场规模约为1519.36亿元，2024年预计规模增长至1752.55亿元。•

从市场结构来看，功率集成电路，包括电源管理芯片、驱动芯片、AC/DC等占比最大；分立器件MOSFET、功率二极管及IGBT占比分别为16.4%、14.8%、12.4%。图：按类型划分市场占比图：中国功率半导体市场规模数据来源：Omdia，中商产业研究，金元证券研究所数据来源：Omdia，中商产业研究，金元证券研究所功率半导体正从“单一器件”向“系统级解决方案”演进••功率处理包括：变频、变压、变流、功率放大、功率管理等。目前以汽车电子、计算机、通信、消费类产品为代表的4C市场占据了多数功率半导体的应用市场，高压横向功率器件结构的改进又产生了单片功率集成电路市场。计算机、通信和汽车工业方面应用的功率半导体器件，其耐压等级在200V以下；电动控制、机器人和动力分配方面应用的功率半导体器件，其耐压等级超过200V。功率器件的应用是工作频率的函数。大功率系统（例如高压直流输电配电系统和机车驱动装置）在相对低的频率下进行兆瓦级功率控制。随着工作频率的增加，对于100W的典型微波器件，其额定功率有所降低图：功率半导体应用范围极广图：基于额定功率（Y）、工作频率（X）的功率半导体应用数据来源：Yole，金元证券研究所数据来源：金元证券研究所功率半导体正从“单一器件”向“系统级解决方案”演进•

功率半导体正从“单一器件”向“系统级解决方案”演进，成为智能终端、能源网络、工业系统的“心脏”。•

通过3D

Packaging、Embedded

Die、SoC等封装、集成技术，将功率模块封装或集成至单一芯片，可减少互连损耗、提升功率密度。以英飞凌为例，通过Embedded

Power技术将Mosfet直接嵌入PCB基板，降低电感与热阻，逐步优化其收入结构。通过整合产品组合，为汽车客户提供一体化解决方案，英飞凌ATV部门自FY2020-FY2024实现24%年复合增长率，其中功率器件仍占较大比重。•

同样，Navitas提供GaNFast将多种功率分立器件组合到单个GaNIC，以提高速度、效率、可靠性和成本效益。图：英飞凌通过产品组合提供汽车一体化解决方案，公司实现24%年复合增长率图：Navitas基于GaN分立器件组合为GaNFast

IC数据来源：英飞凌，金元证券研究所数据来源：Navitas，金元证券研究所新能源车打开IGBT、SiC增长空间，国内车规级半导体市占率有待提升•

根据S&PAutomativeSemiconductorTracker预测，2024年纯电BEV市场为1100万量，预计2030年纯电规模将增长至3200万量，年复合增长率约为20%。•

受益于高压-高功率化、材料迭代、SDV（soft

design

vehicle)驱动，英飞凌预测，BEV的半导体单车BOM将从2024年的单车1300美元增长至2030年的1,650美元（高端车型或至2,500美元）。除了驱动系统对高功率需求外，ADAS、舒适性及安全性等同样推升单车半导体BOM。图：预计2030年，BEV车规级半导体BOM将达到1650美元/辆图：BEV驱动功率半导体演进驱动类别高压-高功率化材料迭代典型变化对功率器件的具体影响1200VSiCMOSFET、IGBT功率段显著提升400V→800V、双/三电机Si→SiC(牵引逆变器)；Si→GaN(22kWOBC)SiC材料需求车身12-48V负载激增、域/区控SDV增量低压MOSFET数量需求数据来源：英飞凌，金元证券研究所数据来源：金元证券研究所新能源车打开IGBT、SiC增长空间，国内车规级半导体市占率有待提升••IGBT功率模块在电机控制器中发挥了核心作用，直接控制直、交流电的转换，同时对交流电机进行变频控制，通过决定驱动系统的扭矩和最大输出功率来直接影响新能源汽车的加速能力和最高时速，堪称核心之核“芯”。新能源汽车IGBT成本与车型定位、系统功率需求深度绑定，市场价值分布呈现显著的结构性差异。从功能模块来看，主驱电控系统IGBT价值量约1000元，承担电能转换核心功能，OBC、空调压缩机、电子助力转向等子系统IGBT价值量均低于300元，合计占比约25%-30%。从车型来看，级别越高所搭载的功率模块越多，价值量越高，A00/A0级新能源汽车IGBT价值量为600-900元，高级车型IGBT价值量为3000-3900元。从销量结构来看，中低端车型（20万元下）占比逐步提升。从中国纯电动车结构来看，20万以下车型占比从2020年的66%提升至2024年的68%，其中增量主要来自10-15万车型。相对而言，IGBT成本较低，中低端车型使用SiC的可能性较低图：不同车型IGBT价值量图：我国纯电动车销量结构电控中功率模块价值量空调IGBT单管单车IGBT价值量不同车级车型电控/模块方案OBC电子助力转向A00/A0级EV代步车1个模块600-900元1200-1500元1600-1900元15万车型（两驱车）单电控（1个模块）1000-1300元一般是四驱（前后各20万-30万车型

有一个电机，共2个模

2000-2600元块）2600-3200元3600-4500元A级及以上前驱+后驱（前驱1个模块，后驱2个模块）高级车型3000-3900元约300元，

约100元，SiCMOS管渗透

采用IGBT单约200元，MOS单管也可应用IGBT＞600元，电控采用SiC模块率逐步提升管/IPM豪华电动（特

SiC模块（内含48颗斯拉Model3）

SiCMOSFET）4000-5000元900-1000元物流车两驱（3个模块）1500-1600元3000-3600元约4200元四驱（6个模块，前后两个电控，1个电控3

2700-3000元个模块）商用车8米大巴车10米大巴车四驱（6个模块）约3600元数据来源：观研天下，金元证券研究所数据来源：观研天下，金元证券研究所新能源车打开IGBT、SiC增长空间，国内车规级半导体市占率有待提升••传统12V车载低压系统已难以支撑下一代汽车（特别是自动驾驶与区域E/E架构）对功率的激增需求，必须升级到48V低压平台。高功率功能持续加入自动驾驶等级提高，需要电动助力转向、线控制动、线控转向、主动悬架、主动侧倾抑制等大量机电执行器，这些都属于kW级负载。功率P

=

푈퐼。在固定目标功率下，电压仅12V时电流过大→线束截面积、重量、铜耗、发热都成倍上升，既不经济也难以满足安全要求。48V兼顾效率与安全优势。相较12V可将电流减至1/4，显著降低线束重量、热损耗，同时仍属安全低压范畴（<60

V

DC）。区域

E/E架构+自动驾驶——要求在车身各区就近供电，48V母线与ZoneController天然匹配，可缩短布线并提升冗余。•48VMOSFET、SiC高压DC/DC、智能驱动IC与的市场规模将随电动车及L3+自动驾驶同步扩张。图：电车智能化高功率区域图：12V车载低压系统将不满足未来需求现有高功率功能

典型功率需求未来高功率功能线控转向（Steer-by-wire,EPS)后轮转向(Rear

Wheelsteering)电控制动/线控制动(Brake-by-wire)主动侧倾控制(Activerollcontrol)典型功率需求1–2kW车身控制底盘控制约1kW约1kW1–1.5kW1–2kW动力总成控制座舱与高级驾辅合计功率需求约1kW约0.5kW≈3–4kW约3kW主动悬架(Activesuspension)2–3kW中央计算平台(centralcomputer)1–3kW0.5kW信息娱乐系统合计功率需求≈9–12

kW数据来源：英飞凌，金元证券研究所数据来源：英飞凌、金元证券研究所新能源车打开IGBT、SiC增长空间，国内车规级半导体市占率有待提升•

中国新能源车出货量占比持续攀升，占比超过50%：国内新能源车出货量自2022年以来稳定在50%以上，2024年单月出货量接近60%，且持续上升。•

国内车规级功率半导体市占率与销量产生较大差异：受益于全球新能源车渗透率提升且新能源车动力系统对功率半导体及功率IC使用量较传统燃油车有较大增长，全球车规级半导体市场规模由2019年的372亿美元增长至2024年683.8亿美元。但是，当前车规级用功率半导体集中度远高于功率半导体分立器件及模块。Top3分别为英飞凌、意法半导体、德州仪器，市占率分别为29.20%、20.10%、10.10%。图：中国新能源车出货量占比超过50%图：车规级功率半导体市占率较为集中数据来源：SNEResearch，金元证券研究所数据来源：TechInsight，金元证券研究所3C领域催化电源管理芯片需求••消费电子类，如手机、平板催化电源管理芯片需求。一部旗舰智能手机内部通常需要10–15颗PMIC/电源子芯片，每颗集成2-4对功率MOSFET，叠加外围保护FET，一台手机就包含20+对低压MOSFET。随着智能手机变得越来越先进，对复杂PMIC的需求激增，以支持5G连接、AI处理和高分辨率显示等功能。这些组件对于管理电池寿命、散热性能和整体设备效率至关重要，直接影响用户体验和设备使用寿命。2023年中国电源管理芯片市场规模达到约1243亿元，近五年年均复合增长率达12.60%。2024年电源管理芯片市场规模约1452亿元。图：中国电源管理芯片市场规模图：功率半导体在3C领域应用终端系统功率器件封装作用归属大类集成式LDMOS、低RDS(on)

沟槽MOSFET(20-40V)构成8-15路Buck/Boost、Load-Switch手机/平板主55nm/40

nmBCD低压Si

MOSFET板内部，WLCSP双向功率路径MOSFET(15-30V)支持2-4

A快充、OTG反向升压电池充放/保护QFN/DFNQFN/LGAFC-QFN低压Si

MOSFETGaNFET650VeGaNHEMT（初级）；100

VGaNFET（同步整流）快充适配器(USB-PD

45-240W)高频LLC

+PFC，>95%效率平板/游戏掌机

6-12V中压沟槽内部升降压

SJMOSFET8-10A大电流SoC核心供电低压Si

MOSFET数据来源：Frost&Sullivan，中商产业研究，金元证券研究所数据来源：金元证券研究所储能及AI算力中心建设或成为新型功率半导体“增长曲线”•储能变流器（PCS），又称双向储能逆变器，是储能系统与电网中间实现电能双向流动的核心部件，用作控制电池的充电和放电过程，进行交直流的变换。在电池储能系统中成本约占比15%-20%，是电池储能系统的关键核心环节。PCS负责在交流电网（380V/480V三相）与直流电池串（650V-1

500V）之间做双向能量交换。能否把充放电损耗压到极低、把柜体做得更小更冷，几乎全看功率器件选型。••储能变流器中，材料成本占比约93%，其中占比最高的是结构件(约为25%)，其次是IGBT(约为15%)和变压器、电感器等磁性器件(15%)。SiC在储能领域或大有可为：PCS目标效率≥98%，SiC的导通电阻和反向恢复损耗远低于传统IGBT，可把损耗降低30–50%，减少空调或液冷负担。KACO基于SiC打造的blueplanetgridsave92.0TL3-S是第一款采用碳化硅（SiC）功率模块的电池逆变器。SiC的优势体现在高达

98.8%的卓越效率上。图：电化学储能系统框架图：IGBT占PCS材料成本比重较高结构件,25%软件,

5%PCB,8%集成电路,

10%其他,

22%IGBT,15%变压器、电感器等,

15%数据来源：金元证券研究所数据来源：中研世纪，金元证券研究所储能及AI算力中心建设或成为新型功率半导体“增长曲线”•••全球算力设备能耗随人工智能需求爆发大幅增长。算力设备是能耗和碳排放的重要来源。2024年-2030年，AI芯片将为数据中心IT设备负载带来每年4至9GW的新需求，在数据中心新增的全部IT设备负载约占70%。降低传输损耗是供配电系统的重点方向。数据中信传统的供配电系统组成复杂，包括变压器、UPS、配电柜等多套设备，同时传统UPS供电方案电能损耗较大，能效比较低。高效UPS、UPS智能在线模式和电力模块等节能技术已经开始规模化应用。高效率的实现离不开第三代半导体材料的应用。碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体器件凭借其优异的物理特性，正逐步渗透到PSU(电源供应单元)领域。Wolfspeed研究表明，在低负载条件下，1200

V

SiC

MOSFET和1200V

IGBT在相同驱动电流下，SiC

MOSFET的导通损耗仅为IGBT的一半，且通过消除关断拖尾电流，其开关损耗相比IGBT可降低多达90%。图：AIDC负载大幅增长，降低传输损耗是供配电系统的重点方向图：相同额定电流下的典型

1200VSiCMOSFET

和

1200VIGBT

的导通损耗和开关损耗的比较数据来源：Wolfspeed，金元证券研究所数据来源：中国信通院，金元证券研究所储能及AI算力中心建设或成为新型功率半导体“增长曲线”•

主流AI训练机柜正从传统的10–15kW抬升至

30kW以上，高端液冷机柜甚至冲向

100kW。一套高密度AI服务器机柜仅功率半导体用料就高达1.2–1.5万美元，包括24只PSU、36块GPU板、18块48V母线转换板、>300颗保护器件等。图：AI训练机柜及内部功率半导体使用情况数据来源：英飞凌，金元证券研究所储能及AI算力中心建设或成为新型功率半导体“增长曲线”••典型AI服务器的电源链可拆解为三段：•••AC/DC277V→48V（PSU）DC/DC48

V→12V（母线转换）DC/DC12

V→0.8-1.8V（POL/VR）传统方案链路总效率仅约85%，使用第三代半导体材料（SiC/GaN)将推升整体系统率。以英飞凌为例，通过GaN

PFC

+

SiC同步整流、80V

OptiMO

6

MOSFETIBC以及高功率密度多相VR，将三段效率分别推高至98%、98%、94%，系统效率提升至约90%。图：第三代半导体材料能大幅压降“Grid-to-Core”损失数据来源：英飞凌，金元证券研究所AI驱动兆瓦级供电需求，800V

HVDC依赖于高性能功率半导体材料2025.5.

Navitas

+

NVIDIA20Navitas

+兆易创新03Navita宣布其

GaNSaf+

Fast-SiC器件被NVIDIA选为下一代800

V架构关键元件，并透露已实现PFC峰值效率99.3%。2025.4.9双方成立联合实验室，主攻高频GaN

驱动+MCU“电源控制一体化”，面向AI机房、EV与储能。在功率器件之外整合主控SoC，以软硬协同提升

48V→12VIBC与800V→54V双向DC-DC的数字化闭环效率。AI+高功率半导体02Navitas

8.5kWGaN

2024.1+SiC

PSU

首度亮相1.5以三相PFC+LLC拓扑验证GaNSafHEMT与Gen-3FastSiCMOSFET的协同，高功率密度先导48V总线时代2024.11.5Infineon+NVIDIAIntel

Gaudi

3+DellAI

Factory正式官宣

800V供电方案2025.5.202025.5.19Infineon称与NVIDIA共同开发业界首个800

V

AI服务器供电架构，利用Si+SiC+GaN全材料栈。Dell公布“AI

Factory”

方

案

，

引

入Gaudi3

加速卡，单卡TDP高达600W，机箱级功耗直指30

kW。官方白皮书建议1.5

kW以上高效PSU与液冷配套，并引用MPS/Delta的GaN48

V电源链作为参考配置，显示Intel亦在导入宽禁带方案。AI驱动兆瓦级供电需求，800V

HVDC依赖于高性能功率半导体材料••AI驱动的数据中心时代，千瓦级的供电标准早已无法匹配AI模型对能耗的极端需求。以GB200

NVL72机架为例，随着机架功率逐步逼近兆瓦级别，基于54V直流的传统配电方式已然陷入瓶颈。54V系统电流过大，需配备庞大的铜母线与电源架。在兆瓦级Kyber计算节点中，光是电源就可能吞噬整个机架的空间，根本无法留出计算资源的位置。英伟达估算，一座兆瓦级机架若仍采用54V直流架构，其电源设备甚至可能高达64U机架单位，已无法在现实中部署。54V配电链通常包含多级AC/DC及DC/DC转换，层层损耗不仅影响整体效率，还增加了潜在故障点与维护成本。每一次能量转换都是一个风险点，也让数据中心的可用性与长期稳定性大打折扣。从变电站进入数据中心的13.8kV交流电在边界处通过工业级整流器一次性转换为800V

HVDC，随后通过两根导线直达设备排与IT机架，实现“交流一次转换，直流全程传输”的高度简化电力流动路径。全新的800V高压直流（HVDC）集中供电方式，落地依赖于高性能功率半导体材料的支撑。图：为什么需要800V

HVDC图：800

V

HVDC催化SiC/GaN需求数据来源：Navitas,

金元证券研究所数据来源：金元证券研究所基于材料分类的功率半导体•

功率半导体的性能很大程度上取决于其制造材料。不同材料具有不同的禁带宽度、电子迁移率、热导率等特性，从而决定了器件的电压、电流、开关速度和工作温度等关键参数。硅

(Si)基功率半导体•特点：技术最成熟，成本最低，是目前应用最广泛的功率半导体材料。•优势：制造工艺完善，良品率高，供应链稳定。•局限：在高频、高温、高压应用中性能受限，开关损耗较大。•主要器件：大部分功率二极管、BJT、MOSFET、IGBT、晶闸管等。宽禁带(WBG)

半导体材料•碳化硅(SiC)基功率半导体：禁带宽度约为硅的3倍，临界击穿电场约为硅的10倍，热导率约为硅的3倍。更高的工作电压、更高的工作温度、更低的导通损耗、更快的开关速度。主要器件包括：SiC肖特基二极管、SiCMOSFET、SiC结型场效应晶体管(JFET)。•氮化镓(GaN)基功率半导体：禁带宽度约为硅的3倍，具有极高的电子迁移率和电子饱和速率。极高的开关频率（可达MHz级别）、更低的导通电阻、更高的功率密度、更小的器件尺寸。新型功率半导体材料•氧化镓(Ga₂O₃)：

具有比SiC和GaN更宽的禁带宽度，有望在超高压应用中展现潜力，但目前技术尚不成熟。•金刚石(Diamond)：拥有极致的半导体特性（极宽禁带、高热导率、高载流子迁移率），被认为是下一代功率半导体的理想材料之一，但面临制造工艺和成本等巨大挑战。传统功率二极管陷入“高耐压vs低损耗”两难•••功率二极管是最基本的功率器件，仅允许电流单向流动，广泛用于整流、续流和防倒灌等用途；传统硅PN结功率二极管通过P型和N型半导体形成结势垒，正向导通时少数载流子的注入导致导通压降通常在0.7-1V以上，且反向恢复过程中因载流子复合产生反向恢复电流，带来额外的开关损耗肖特基势垒二极管（SBD）则采用金属-半导体接触取代PN结，实现了多数载流子导通的整流机制；硅肖特基二极管的主要优点是正向导通压降低（0.4-0.5V，远低于相同电流下硅PN二极管的压降）以及几乎“零”反向恢复电流，从而具备极快的开关速度然而，硅肖特基二极管也存在局限。其反向耐压受限于硅材料较低的禁带宽度和临界场强：为在高耐压下抑制漏电流，必须降低半导体掺杂浓度并增厚漂移区厚度，导致导通电阻和正向压降显著升高。换句话说，若想提高其耐压能力，则会导致其损耗增大。图：肖特基二极管具有正向电压

(푉

)

低，开关速度快的特点,但漏电流

(퐼

)大图：肖特基二极管高损耗问题푓푅数据来源：罗姆,

金元证券研究所数据来源：罗姆,金元证券研究所超结(SJ-MOS)、IGBT推动功率MOS步入高频、耐压、低损耗时代•金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是典型的单极型功率器件，由少数载流子（多数载流子）导电，因而具有开关速度快、驱动功耗低的优点。功率MOSFET自20世纪80年代进入实用，其工作频率达到MHz量级，使得开关电源等高频应用成为可能。硅功率MOSFET一般为N沟道增强型，图：DMOSFET、UMOSFET、EXTFET结构利用栅极电压在P型体区诱导形成N沟道导通电流。MOSFET为电压驱动器件，栅极驱动简单且输入阻抗高；导通时无二极管的恢复问题，因此开关损耗较低，非常适合高频环境下的小功率变换器。•在低压（几十伏至数百伏）应用领域，硅MOSFET的导通电阻可以做到很小且开关损耗低，因此在通信电源、计算机VRM、家电逆变等广泛取代了双极晶体管。然而对于耐压较高（>500V）的应用，硅MOSFET的弱点开始显现：为了承受高电压，其N-漂移层必须足够厚且掺杂浓度低，这导致导通电阻随耐压呈指数级上升。高耐压MOSFET的导通损耗远高于IGBT等双极器件，使得MOSFET难以在600V以上电压应用中竞争。此外，MOSFET的导通压降随电流增大接近线性上升（欧姆特性），不像BJT/IGBT那样在高电流下仍能保持较低压降。因此，在千伏级高压大电流场合（例如电动车主逆变器、工业传动），传统硅MOSFET并非最佳选择。数据来源：《功率半导体器件》,

金元证券研究所•在传统MOS受限于耐压和导通电阻的平衡，技术层面经历了“双扩散+纵向导电”的VDMOS、U型沟槽栅的UMOSFET、以及沟槽加深+底部扩展的EXTFET超结(SJ-MOS)、IGBT推动功率MOS步入高频、耐压、低损耗时代••在功率MOS器件设计中，击穿电压(BV)与特征通态电阻(R표푛)的关系非常密切，其基本关系式为푹풐풏

=

ퟓ.

ퟗퟑ

×

ퟏퟎ−ퟗ（푩푽）ퟐ.ퟓ为了解决这对矛盾，一种基于电子科技大学陈星弼院士在美发明专利的新结构功率MOSFET，打破了传统功率MOS器件理论极限，被国际上盛誉为“功率MOS器件领域里程碑”的新型功率MOS器件——CoolMOS于1998年问世并很快走向市场。CoolMOS由于采用新耐压层（陈院士称为复合缓冲层，Composite

Buffer

Layer）结构（国际上又称为SuperJunction结构或Multi-RESURF结构或3DRESURF结构等），在几乎保持功率MOS器件所有优点的同时，又有着极低的导通损耗。•超结结构（SJ-MOS）通过交替排列的P/N柱实现三维均匀电场分布，将传统D-MOS的局部高压电场（集中在P/N界面）转化为全域平衡电场，从而突破硅材料耐压极限，在相同芯片面积下实现更低的导通电阻和更高的电压承载能力。图：器件结构及电场密度分布：DMOS

vs

SJ-MOS数据来源：东芝,金元证券研究所IGBT

≈BJT+

功率MOS，沟槽型IGBT或成为主流趋势•

IGBT融合MOSFET与BJT特性：栅极电压触发内部MOSFET导通，图：BJTvsIGBTvs

单极型功率MOS特性双极晶体管

(Bipolar)IGBT功率MOSFET（N型)驱动p+集电极向n-漂移区注入空穴，引发双极导电调制，使n-区电阻降低至传统MOSFET的1/5-1/10，实现高压（1200V+）下的低导通压降（1-3V）。关断时，栅极电压移除后，n-区存储的载流子需通过复合或抽离消散，产生拖尾电流，导致关断延迟（约100ns）。IGBT在20kHz以下的中低频、高压大电流场景（如电动汽车逆变器）中性能优势显著，但高频特性弱于MOSFET。结构载流子类型驱动方式电子&空穴电子&空穴仅电子•

驱动方式

：BJT需持续基极电流（驱动功耗高），而MOSFET/IGBT仅需容性充放电（驱动电路简化90%以上）。基极电流控制栅极电压控制栅极电压控制•

频率与耐压权衡：MOSFET以高频低损见长，IGBT牺牲速度换取高压大电流能力，BJT则逐步被替代，仅存于低成本线性领域。安全承载的最大电流值中等较高强低弱导通压降工作频率极低约20kHz约20kHz约300kHz•

损耗机制

：BJT/IGBT导通损耗主导（导电调制效应），MOSFET开关损耗占比更高（高频下尤为明显）。数据来源：金元证券研究所IGBT

≈BJT+

功率MOS，沟槽型IGBT或成为主流趋势••沟槽栅（TrenchGate）技术是功率器件结构上的一项重大改进，最早应用于低压功率MOSFET，后来拓展到高压MOSFET和IGBT中。与传统平面栅结构相比，沟槽型器件在单位芯片面积上可以实现更高的沟道密度，从而降低导通电阻并增大电流能力沟槽型MOSFET：

传统平面MOSFET（又称DMOS结构）的栅极位于芯片表面，通过在P型体区表面形成水平方向的反型沟道来导通电流。相邻元胞的P体区之间存在一定距离，形成“JFET效应”区域：当MOSFET导通时，电流需通过两个P区之间的窄颈区域，产生额外的电阻和电流拥挤效应。沟槽型MOSFET（沟槽栅MOSFET）则在硅片中垂直刻蚀出沟槽，并在沟槽侧壁生长栅氧、填充多晶硅作为栅极。这样，栅极与P体区的接触从平面改为垂直侧壁，沟道电流沿沟槽侧壁垂直流动到衬底•沟槽型IGBT：

平面栅IGBT的栅极与MOSFET部分类似，也是位于芯片表面控制P型阱表面形成沟道。不过IGBT由于有双极扩散电流，其平面结构下的JFET效应和载流子分布不均问题也较突出。沟槽型IGBT（Trench

IGBT）通过将栅极置于垂直沟槽中，形成垂直沟道来驱动IGBT的MOSFET单元。这样一来，每个IGBT元胞的沟道是纵向的，可在芯片内部形成更紧凑的结构。一方面，垂直沟槽使沟道密度大幅提升：相同面积容纳的沟道单元更多，意味着导通时允许通过的电流更多，单位面积电流能力提高，相当于降低了单位面积导通电阻图：平面栅IGBT与

沟槽栅IGBT导通电阻对比（消除JFET）图：靠近emitter的位置，沟槽型IGBT载流子浓度远高于平面型IGBT，减小漂移区电阻푹풏ꢂ数据来源：英飞凌，金元证券研究所数据来源：英飞凌，金元证券研究所IGBT

≈BJT+

功率MOS，沟槽型IGBT或成为主流趋势•

2023年，中国IGBT市场规模约28亿美元，2019年至-2023年复合增长率约12.1%。根据普益索预测，2024年国内IGBT市场规模约31亿美元，至2029年，IGBT市场增长至48亿美元（年复合增长率为9.4%）图：23年国内IGBT市场约28亿美元，24-29年预计年复合增长率达9.4%数据来源：尚鼎芯，普益索咨询，金元证券研究所宽禁带半导体材料成为高压、大功率、高温的理想材料•碳化硅（SiC）是一种典型的第三代半导体材料，具有相对于硅（Si）显著更大的带隙、更高的击穿场强和热导率等优势。SiC的禁带宽度约为3.26

eV（4H-SiC，多晶型之一），约为硅的三倍，这带来本征载流子浓度极低，使器件在高温下漏电小、耐受更高电场而不击穿。同时，SiC的临界击穿场强可达约3-4

MV/cm，约为硅的10倍；热导率约为4.9

W/(cm·K)，约为硅的3倍，有利于散热。这些物理特性使SiC成为高压、大功率、高温电子器件的理想材料。图：第一代、二代、三代半导体特点对比及其应用对比维度第一代半导体第二代半导体第三代（宽禁带）半导体半导体元素：硅(Si)、锗(Ge)化合物半导体：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)化合物半导体：氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)材料1.硅储量丰富且成本低2.应用最广泛的半导体3.实现真空管到紧凑型电子设备的转换1.

电子迁移率快（高频传输）2.

直接禁带特性（光发射应用）3.

器件尺寸精巧1.强化热与电子特性2.碳化硅耐热/耐辐射性优于锗3.节能环保优势1.间接禁带且迁移率低2.性能提升已达物理极限1.稀有材料成本高（GaAs/InP）2.材料有毒且有害环境3.制造工艺复杂1.

制造成本高2.

无法全面取代前两代3.制造工艺复杂（异质/同质外延）不足1.硅制造技术成熟2.接近最优工艺水平1.精密外延生长技术2.需两个制造阶段（衬底+外延）1.GaN：异质外延生长（如蓝宝石衬底）2.SiC：同质外延生长技术特点毫米波装置、卫星通信、GPS导航、红外激光、高亮度红光LED5G通信、物联网、电动汽车、智能电网、高性能传感器应用领域消费电子、电信、光伏、自动化数据来源：金元证券研究所碳化硅功率半导体产业链全貌上游中游下游碳化硅原材料碳化硅半导体器件终端应用电动汽车充电基础设施可再生能源储能设计制造封测衬底衬底供应商器件制造商人工智能算力中心其他器件制造商可选择采购衬底并进行内部外延工艺或者直接采购预制外延晶片外延片供应商外延片碳化硅逐步渗透AI+智能电网+eV

TOL，市场规模持续扩充•

2024年全球碳化硅半导体器件市场规模约26亿美元，2020-2024年间年复合增长率高达45.4%；其中，2024年电动汽车、充电基础设施占比较高，分别为74.4%、7.8%。根据Yole预测，碳化硅器件市场规模随着新兴行业（包括AI算力中心、智能电网、eVTOL）的需求，2029年有望达到136亿美元，新兴行业年复合增速预计高达56.4%，器件渗透率由2024年的4.7%提升至17.1%。图：全球碳化硅半导体器件渗透率有望在2029年提升至17.10%图：全球碳化硅半导体器件年复合增速或达39.9%（2024-2029）数据来源：Yole，金元证券研究所数据来源：Yole，金元证券研究所碳化硅外延片尺寸从4英吋->6英吋->8英吋•

当前市场主流SiC外延片尺寸为6英吋，8英吋加速渗透：2020-2024年，6英吋外延片销售额由3亿美元增长至8亿美元，年复合增长率为29.5%。8英吋市场规模快速提升，2024年8英吋外延片市场规模提升至3.12亿美元，2020-2024年复合增长率186.3%。考虑8英吋的成本优势，预计2029年8英吋SiC外延片占比将由2024年的26%逐步提升至77.4%，外延片市场规模提升至58亿美元。•

销量方面，全球碳化硅外延片从2020年24.19万片增长至2024年的98.99万片，预计2029年将进一步增长至59.59万片。其中，2024年6英吋销量增长至82.28万片，8英吋销量13.71万片。随着大尺寸技术进一步成熟，预计2029年8英吋碳化硅外延片将增长至378.48万片，年复合增长率为94.2%。图：预计2029年8英吋外延片年销量提升至378万片图：8英吋外延片市场销售额持续提升，预计29年至77.4%数据来源：Yole，金元证券研究所数据来源：Yole，金元证券研究所中国或成为碳化硅市场Top1•

国内市场碳化硅增长更为可观：受益于新能源汽车、储能及其他电力领域应用高速增长，国内6英吋外延片由2019年的3.4万片增长至2023年的18.8万片，复合增长率为52.8%，增速高于同期全球6英吋销量的46.1%。•

弗若斯特沙利文预测，中国8英吋销量预计在2028年达到103万片，2023年至2028年复合增速644.9%，同期全球8英吋碳化硅销量预计为308.1万片，8英吋国内市场需求或占据33.4%的份额，碳化硅外延片整体需求占全球市场份额约40%。图：2028年国内8英吋碳化硅外延片需求量或达103.2万片图：

国内占全球碳化硅市场份额逐步提升，或成为全球最大碳化硅市场数据来源：弗若斯特沙利文，金元证券研究所数据来源：弗若斯特沙利文，金元证券研究所碳化硅作为功率半导体材料的性能优势••碳化硅功率半导体器件凭借优异的击穿电压、热导率、电子饱和速率及抗辐射能力等特性脱颖而出。与氮化镓相比，碳化硅在中高压应用领域具有更广泛的适用性，在600V以上应用市场中占据主导地位，市场规模也更为庞大。近年来，碳化硅功率半导体器件已在多个行业获得广泛应用，并有望在功率半导体行业的持续变革中发挥关键作用。相比于传统晶圆工艺外，碳化硅功率器件较为重要的两个工艺流程分别为碳化硅衬底的制备和外延图：SiC材料在击穿电压、热导率、电子饱和速率的相对优势图：SiC器件生产工艺流程切割、研磨、抛光单晶生长外延热导率（W/cm·℃）碳化硅晶锭碳化硅外延碳化硅粉末碳化硅衬底高热阻耐高温击穿电场强度（MV/cm)熔点（

ퟏퟎퟑ℃

）前道工艺：光刻、刻蚀、沉积…耐高压高频率减薄…封测碳化硅功率器件晶圆划片裸芯片禁带宽度（eV)电子饱和速率（高抗辐射ퟏퟎퟕcm/s）数据来源：金元证券研究所数据来源：瀚天天成，金元证券研究所SiC衬底的制备过程•碳化硅单晶在自然界中极为罕见，只能通过人工合成制备。目前，碳化硅衬底的工业生产主要以

PVT

法为主。该方法需要用高温和真空使粉末升华，然后通过热场控制让组分在种子表面生长，从而得到碳化硅晶体。整个过程在封闭空间内完成，有效监控少，变量多，对过程控制精度要求高。•Si+C=碳化硅粉末：

Si

和

C以

1：1的比例合成成

SiC多晶颗粒SiC

粉末是晶体生长的来源，其粒度和纯度将直接影响晶体质量特别是在制备半绝缘衬底时，对粉末纯度的要求非常高（杂质含量<0.5ppm）••••种子层：为晶体生长的基础，它为晶体生长提供了基本的晶格结构，也是晶体质量的核心原料晶体生长物理蒸汽传输（PVT）：原料经过加热，升华的组分通过蒸汽升华和热场控制在种子表面再结晶切片：金刚石线锯或激光切割机用于切割；SiC是一种硬脆材料，硬度仅次于金刚石，因此切片时间长，容易开裂。研磨抛光：将衬底表面加工成纳米光滑的镜面，这是Epi-ready衬底的表面粗糙度和厚度均匀性等，将直接影响外延的质量，进而影响器件的质量。SiC外延技术•

碳化硅（SiC）的外延生长主要通过化学气相沉积（CVD）技术实现。由于SiC无液相特性，需在气相中利用单硅烷（SiH₄）和丙烷（C₈H₃）或乙烯（C₂H₄）作为前驱体，以氢气或氩气为载气，在高温（1500-1650°C）下进行沉积。•

工艺分为两步：原位蚀刻（采用纯H₂或混合气体在约1650°C下清除衬底表面损伤并形成规则阶梯结构）和主外延生长（精确控制n型或p型掺杂层的厚度与均匀性）。缺陷管理是关键挑战，需结合低缺陷衬底与优化工艺以减少晶格缺陷（如位错、堆垛层错）对器件性能的影响。图：化学气相沉积（CVD）反应器在碳化硅外延生长中的应用图：外延生长缺陷控制倾斜式感应基座顶盖难点对策反应腔感应线圈衬底缺陷生长前预刻蚀去除衬底划伤和亚损伤晶格失配优化缓冲层生长速度，降低缓冲层缺陷反应物入口：含硅（SiH₄）、碳（C₃H₈）等前驱体气体副