培训课件：功率半导体市场趋势分析报告

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：孙彬日期

：November29,2016功率半导体市场趋势分析目录01功率半导体简介、分类及市场概述02MOSFET器件市场趋势分析03IGBT器件市场趋势分析04SiC&GaN功率器件发展趋势分析05功率半导体的应用趋势功率半导体简介、分类及市场概述01章节PART功率半导体简介功率半导体分类功率半导体的应用功率半导体市场概述功率半导体的发展历程1904电解整流器1927固态功率半导体1952锗双极晶体管1957硅功率半导体1957晶闸管21世纪商用SiC/GaN器件1970s功率MOSFET1980sIGBT功率半导体的发展历程主要是从结构和材料两个方向发展，从整流器到晶闸管，从MOSFET到IGBT，主要是结构上的改进；从锗到硅再发展到SiC/GaN器件，这是材料的演进。高功率、低功耗及微型化是未来发展方向。功率半导体的分类半导体分立器件集成电路光电子传感器功率半导体小信号功率器件不可控型半可控型全控型过压过流保护器件整流二极管肖特基二极管（SBD）快恢复二极管（FRD）普通晶闸管双向晶闸管快速晶闸管逆导晶闸管光控晶闸管巨型双极晶体管（GTR）门极可关断晶闸管（GTO）磁控晶闸管（MCT）双极结型晶体管（BJT）场效应晶体管（MOSFET）绝缘闸双极晶体管（IGBT）功率半导体的功能应用AC-AC:变压器、变频器AC-DC:整流器DC-AC:逆变器DC-DC:升降压变换器\稳压器LDO变压器可以降压与升压，变频器可改变频率常见的是整流二极管和晶闸管，几乎所有的家用电器和电脑中都有整流器晶闸管、IGBT等都可实现，新能源发电中应用较多常用语仪器仪表中，新能源汽车及轨道交通领域应用也较广功率半导体的应用领域1G1K1M100M1K1M晶闸管BJTSiCIGBTGaNMOSFET功率（W）频率（HZ）空间电源白电激光雷达无线充电航空电源光伏发电新能源汽车轨道交通风力发电智能电网低压中压高压超高压功率半导体的市场规模数据来源：Yole单位：亿美元根据Yole的数据，2023年全球功率分立器件的市场规模将达188亿美元，其中IGBT的市场增长较快，BJT及晶闸管的增速较慢，MOSFET由于SiC/GaN材料的应用保持不错的增速。功率半导体的竞争格局数据来源：Yole2017数据来源：IHSMarket就全球市场而言，模块及IGBT的市场占比提升，二极管及晶闸管的占比下降，BJT及MOSFET保持稳定；按营收统计，2017年全球功率分立器件的老大为英飞凌，占比达18.6%，安森美（收购仙童）、STM及三菱电机占比也较高。功率半导体的国产化数据来源：Yole2017数据来源：WSTS功率半导体国产化比例低于50%，BJT、MOS管及IGBT（除中车时代能生产高电压外）等国内产品较为低端；由于国产化程度低，加上中国为制造大国，中国为全球最大的功率半导体市场，占比约43%。功率半导体与集成电路进口对比数据来源：统计局，Wind数据来源：统计局，Wind我国二极管及类似半导体2014年为进口高峰，达235亿美元，其原因为我国二极管等低端产品持续放量；相对而言，集成电路的进口额正在持续走高，2018年达创记录的3120亿美元，为我国第一大进口物品。MOSFET器件市场趋势分析02章节PARTMOSFET简介技术发展路线市场趋势分析MOSFET简介图8：功率MOSFET工作原理图9：功率MOSFET产品区分方式种类实际意义影响载流子种类P沟道空穴作为多数载流子导电载流子迁移速度慢，开关速率低，阈值电压高，导通电阻大N沟道电子作为多数载流子导电载流子迁移速度快，开关速率高，阈值电压低，导通电阻小掺杂方式增强型不掺杂VGS=0时为截止状态，正电压控制耗尽型在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子VGS=0时为导通状态，正、零、负电压控制，成本较高表1：MOSFET的分类方式MOSFET发展历程德国科学家Lilienfeld提出场效应晶体管概念1930Shockley阐明了双极晶体管的原理，提出可实用化的结型晶体管1949Kahng和Attala意外发明MOS晶体管19601969Tarui等人提出横向双扩散MOS（LDMOS）1976Siliconix和IR公司推出垂直导电V型槽结构MOS（VVMOS）1977Salama等人提出垂直U型槽结构MOS（VUMOS）1979Collins等提出垂直双扩散的MOS（VDMOS）（第一代）Ueda等人提出Trench结构MOSFET（第二代）Tatsuhiko等人提出SuperJunction结构MOS（第三代）AdvancedTrench结构MOSFET（第三代）SiC/GaN材料MOSFET19851997MOSFET研究历程MOSFET产品开发历程MOSFET技术发展路线方式名称演进特点代表案例影响制程缩小线宽制程的缩减，但不追求先进制程从10μm演进至0.15-0.35μm全面提升器件性能技术变化同种设计结构中新技术带来的结构调整从planar到Trench再到SuperJunction与AdvancedTrench提升器件的电压承载能力与工作频率工艺进步同种设计与技术结构中生产工艺的进步英飞凌CoolMOS系列S5-C7主要提升器件的FOM品质，降低功耗材料迭代半导体材料的改变SiMOSFET演进至SiC/GaNMOSFET全面提升器件性能并降低功耗种类主要特性适用领域Planar工作频率低但耐压性能好稳压器等Lateral电容低，工作频率高但耐压性差音频设备Trench导通电阻小，工作频率较高，耐压性一般开关电源等SuperJunction在Trench的基础上进一步提高了耐压性与输出功率工业照明等AdvancedTrench在Trench的基础上进一步提高了工作频率通信设备等SiC功耗低、工作频率快、输出功率最高、耐压性能最好汽车电子等GaN功耗低、耐压性好、输出功率高、工作频率最高汽车电子等表2：功率MOSFET的技术演进方式表3：主流功率MOSFET的类型MOSFET技术发展路线表4：功率MOSFET的产品定位层级MOSFET类型性能要求生产工艺演进进程厂商间性能差异下游厂商选择标准核心竞争力应用行业代表厂商低端Planar、Trench工作频率要求一般，输出功率要求低，功耗要求一般已停止小价格成本控制能力消费电子扬杰科技、士兰微中端SuperJunctionAdvancedTrench工作频率要求较高，输出功率要求较高，功耗要求一般中后期，演进速度放缓大优先满足性能，其次考虑价格渠道能力工业、家电安森美、瑞萨、东芝高端SiC、GaN工作频率要求较高，输出功率要求较高，功耗要求较高前中期，演进速度较快仅有领先厂商可以生产性能高品质产品生产能力汽车、航天英飞凌、CREE现阶段低端的Planar结构和Trench结构主要是国内厂商在生产，价格竞争激烈，对成本控制能力要求极高；SuperJunction和AdvancedTrench结构以外资厂商为主，国内厂商正在积极研发和量产；SiC和GaN的发展受限于外延片的超高价格，国内的SiC片基本上以4“为主，但是CREE等已开发8”产品。MOSFET的市场趋势图10：功率MOSFET的市场结构（2018）图11：功率MOSFET的市场结构（2023）从市场角度而言，预计到2023年，SuperJunction和AdvancedTrench会成为主流应用，Trench会下降；由于硅片及外延片的成本快速下降，SiC和GaN也将迎来发展契机，高端二极管及MOS管会首先应用。全球功率MOSFET市场概况数据来源：IHS、Yole数据来源：IHS全球市场来看，2019年市场预估为76亿美元，进入一个缓慢增长的阶段，预计到2022年市场规模达85亿美元；全球市场的主要商家有英飞凌、安森美、瑞萨、东芝等，其中龙头老大英飞凌占据26.1%的市场份额。中国功率MOSFET市场概况数据来源：IHS、TrendForce数据来源：IHS中国市场来看，2019年市场预估为199亿元，增速比全球市场稍快，预计到2022年市场规模达231亿元；中国市场的竞争格局与全球市场类似，龙头老大英飞凌占据26.9%的市场份额，中国厂商士兰微占2.5%。IGBT器件市场趋势分析03章节PARTIGBT简介技术发展路线市场分析主流厂商IGBT介绍图16：（a）MOSFET结构图；（b）IGBT结构图资料来源：ElectronicDesignIGBT简介：IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用。IGBT结构：在结构方面，IGBT比MOSFET多一层P+区，通过P层空穴的注入能够降低器件的导通电阻。随着电压的增大，MOSFET的导通电阻也变大，因而其传导损耗比较大，尤其是在高压应用场合中。相较而言，IGBT的导通电阻较小。IGBT的应用电流消费电子领域的运用的IGBT产品为600V以下；光伏逆变器需要600/650V和1200V低损耗的IGBT；动车组常用的IGBT模块为3300V和6500V，轨道交通所使用的IGBT电压在1700V-6500V之间；智能电网使用的IGBT通常为3300V。数码相机闪光灯汽车点火器家用电器电磁炉光伏逆变器电焊机UPS电源电机控制器HEV/EV600V电压1200V1700V6500V智能电网轨道交通风力发电图17：2014-2025年中国IGBT各应用领域需求结构数据来源：TrendForceIGBT应用领域需求结构一、在中低电压领域，IGBT广泛运用于新能源汽车和家电中。IGBT是新能源汽车电机驱动系统、车载空调控制系统和充电桩的核心元件。二、在1700V以上的高电压领域，IGBT运用于轨道交通、清洁发电、智能电网等领域：①高铁加减速过程中，通过IGBT来确保传动设备、牵引变流器以及其他电动设备所需的电流、电压精准可靠。②在风力、光伏发电中，整流器和逆变器都需要使用IGBT模块，IGBT已逐渐取代MOSFET。③在柔性直流输电领域，IGBT是构成换流阀阀塔的核心部件，为解决可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电等问题提供了绝佳解决方案。2018年最大的应用市场为消费电子，随着电动汽车出货量的大幅增长，预计到2022年新能源汽车将成为最大的应用市场；技术发展路线代别工艺出现时间芯片面积（相对值）工艺线宽（μm）饱和压降（V）关断时间（μs）功率损耗（相对值）断态电压（V）第一代平面穿通型（PT）198810053.00.5100600第二代改进的平面穿透型（PT）19905652.80.374600第三代沟槽型（Trench）19924032.00.25511200第四代非穿通型（NPT）19973111.50.25393300第五代电场截止型（FS）2001270.51.30.19334500第六代沟槽型电场—截止型（FS-Trench）2003240.31.00.15296500表5：IGBT工艺革新历程第一代：由于体内晶体结构本身原因造成“负温度系数”，电流只有25A，且容量小，有擎住现象，速度低；第二代：采用“电场中止技术”，增加一个“缓冲层”，在相同的击穿电压下实现了更薄的晶片厚度；第三代：采用Trench结构，把沟道从表面变到垂直面，所以基区的PIN效应增强，减小了导通电阻，增强电流导通能力；第四代：采用离子注入的技术来生成P+集电极，可以精准的控制结深而控制发射效率尽可能低，增快载流子抽取速度来降低关断损耗；第五代：第五代是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中止技术”的组合；第六代：第六代是在第五代基础上改进了沟槽栅结构，并以新的面貌出现。三菱电机第七代IGBT采用第7代IGBT硅片和RFC二极管硅片，降低损耗第七代IGBT芯片采用CSTBTTM技术，采用超薄晶圆及超细工艺，损耗相比第四代降低65%RFC二极管采用了新背面扩散技术，有无阶跃恢复特性采用绝缘和铜基板一体化的底板，降低内部电感具有650V，1200V和1700V三种电压等级涵盖模块电流75A至2500A兼容现有市场主流产品封装提高产品热循环寿命和功率循环寿命预涂热界面材料(PC-TIM)，接触热阻比传统硅脂降低50%，并可减少生产工序NX封装具有焊接方式和压接方式两种控制端子可选三菱电机于2012年推出第七代IGBT产品，其他厂家（如富士电机、瑞萨等）也推出相应的第七代产品，但是晚于三菱电机中国大陆IGBT产业发展路线—先轨交后汽车&电网2011年12月2014年6月2015年8月2015年底2017年Q32018年8月2013年9月2015年3月2015年10月2016年5月2018年Q12018年9月西安永电国内第一个，世界第四个能够封装6500V以上IGBT产品的企业中车时代电气全球第二条，国内首条8吋IGBT芯片专业生产线投入使用（收购英国丹尼克斯）上海先进与比亚迪、国家电网建立战略产业联盟，进入比亚迪新能源车供应链中车时代电气与北汽新能源签署协议，全面启动汽车级IGBT和电机驱动业务华微电子第六代IGBT研发成功积塔半导体投资82亿，将建成月产能6万片的专用汽车级IGBT8吋生产线西安永电成功封装国内首件自主设计生产的50A/3300VIGBT芯片淄博美林年产60万只IGBT模块封装产线投产西安永电/上海先进联合开发的6500V高铁机车用IGBT芯片上车实验华润上华/华虹宏力基于6吋和8吋的1700V、2500V、3300VIGBT芯片量产扬杰科技6吋产线生产的IGBT产品已经量产出货比亚迪比亚迪IGBT装车量超过60万只IGBT全球市场竞争格局数据来源：赛迪智库电压第一第二第三第四第五400V及以下安森美英飞凌东芝STM罗姆600-650V英飞凌安森美三菱电机富士电机STM1200V英飞凌三菱电机富士电机安森美STM1700V英飞凌三菱电机富士电机日立IXYS2500-3000V三菱电机富士电机英飞凌日立ABB4500V以上三菱电机ABB日立英飞凌中车时代表6：按电压分布的主要IGBT品牌数据来源：IHSIGBT全球市场竞争格局中，英飞凌、三菱电机、富士电机等占据市场份额较高，英飞凌占29%；在具体应用上有差别，英飞凌为全球电动汽车用IGBT绝对老大，三菱电机为高铁及轨交领域绝对老大；中车时代收购英国丹尼克斯，吸收技术后建立了不少产线，其IGBT产品主要应用于高铁领域。IGBT市场规模数据来源：IHS数据来源：中国产业信息网全球IGBT市场而言，预计2022年市场规模将达55.4亿美元，但是增速逐渐下降，2022年增速约为4%；中国市场是全球最大的IGBT市场，受益于高铁及新能源汽车发展，中国市场增速显著高于全球市场；中国IGBT市场规模2018约为130亿元，未来将持续增长。图21：2014-2025年中国IGBT芯片产量与进口量对比数据来源：TrendForce图22：2018-2025年中国IGBT晶圆制造产能结构数据来源：TrendForce中国IGBT产能与进口量中国市场IGBT需求量将在2025年超过20亿只，届时国内产量和进口量将平分秋色，各占约50%；中国国内生产的IGBT主要由IDM厂商、晶圆厂商代工及一些外资厂商生产，IDM如士兰微、扬杰科技、华微电子等晶圆厂如华虹宏力、中芯国际等，晶圆厂代工占比较高SiC&GaN功率器件发展现状04章节PARTSiC&GaN简介技术发展路线市场分析产业链分析半导体材料性能对比物理量SiGaAsGaNSiC禁带结构间接直接直接间接禁带宽度（eV）1.121.433.373.3击穿场强（MV/cm）0.30.43.32.8电子迁移率（cm2/Vs)1350850020001000饱和电子漂移速度（107cm/s）1.01.02.72.2相对介电常数11.912.58.99.7热导率（W/cm·K）1.490.541.34.9第一代半导体以Si和Ge为代表，第二代以GaAs和InP为代表，第三代以SiC和GaN等宽禁带半导体为代表；核心指标为禁带宽度、相对介电常数、电子漂移速度及热导率，禁带宽度越大，耐高压及高温性能越好；SiC具有宽禁带及高热导率，耐高压高温及散热性能优异，是电力电子的未来发展方向；GaN具有宽禁带及高电子漂移速度，一方面适合做高频射频，另一方面适合做高频电力电子器件。发展历程材料主要性能特征第一代半导体Si、Ge大规模集成电路使用，产业链成熟，成本低第二代半导体GaAs、InP等直接带隙，光电性能优越，射频领域的主要选择第三代半导体GaN、SiC等宽禁带半导体，宽度大于2eV，抗高压、高温及高辐射性能优越，可承受大功率，是射频及电力电子的发展方向表6：半导体材料性能对比表7：半导体材料发展历程SiC材料及wafer简介SiC都是第四主族元素，每个Si和每个C配对形成稳定的共价键结构，每个Si外面四个C，而每个C外面也是4个Si；Si片拉晶时只需要一颗很小的单晶seed（种子），但是SiC的seed直径直接决定了wafer的大小；Si片的反应条件为1400℃，但是SiC的反应条件为2300℃，生长速率只有1mm/hour；全球主要SiCwafer由Cree提供，其6吋半导电型衬底价格在1000美元以上。图23：SiC内部结构图图24：SiC长晶与Si长晶对比图SiC技术发展路线瑞典科学家Berzelius在人工合成金刚石的过程中观察到SiC1824荷兰Lely发明了一种采用升华法生长高质量单晶体的新方法1959Cree推出全球首款商用SiC晶圆19911999Cree推出全球首款4吋SiC晶圆2001英飞凌发布全球首款商用SiC器件—二极管2006Cree推出业界首款1200VSiC肖特基二极管2010Cree开发出高品质的6吋SiC衬底Cree发布业界首款SiCMOSFET英飞凌发布超高可靠的SiCJFET开关Cree推出具有业界最低品质因数的SiC1200V，75毫欧MOSFET2011201420152017Cree展示8吋SiC晶圆SiC功率器件的分类SiC功率器件类型性能描述SiC功率二极管肖特基二极管（SBD）是速度最快的高压SBD，在开关应用中，几乎没有反向恢复时间，可大幅降低开关损耗、提高开关频率，有在高频、中等电压开关的应用上替代硅基PiN二极管的趋势PiN二极管PiN二极管的优势在于它有更小的反向漏电流和更高的击穿电压，因此广泛应用于高压低频功率开关上势垒肖特基二极管（JBS）充分发挥SiC临界击穿电场强度高的优势，同时拥有SBD和PiN的优点，是耐高压、高温、高速的理想开关管SiC功率晶体管MOSFETSiC基MOSFET的阻断电压在300V-4500V之间，由于其低导通电阻、高输入阻抗、高开关速度等优势，完全有可能取代硅基IGBT器件，成为理想的高压功率器件结型场效应管（JFET）JFET的性能略差于MOSFET，但其制备工艺相对MOSFET要简单，而且回避了SiCMOSFET存在的沟道迁移率低、栅氧化层质量不稳定等问题双极型晶体管（BJT）BJT与大多数FET相比具有更高的载流子处理能力和更低的导通电阻，对于4.5kV和更高阻断电压的应用，SiC双极功率器件将比单极型SiC功率器件更有实际应用价值。IGBTSiC基IGBT适用于超高电压（5kV以上）低频领域，是最有希望应用到高压直流输电、舰船驱动等领域的高效节能的第三代半导体器件。晶闸管SiC晶闸管与Si晶闸管有着更低正向压降、更快的转化速度、更高的阻断电压和更高的工作温度。表8：SiC功率器件的分类及性能优势Si器件与SiC器件对比图25：三种半导体材料的应用对比降低约60%降低约42%开关损耗降低约77%开关功耗图26：SiC基MOSFET与IGBT模块性能对比目前SiMOSFET应用多在1000V以下，约在600~900V之间，若超过1000V，其芯片尺寸会很大，切换损耗、寄生电容也会上升。SiC器件相对于Si器件的优势之处在于，降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC功率器件的损耗是Si器件的50%左右。SiC主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。数据来源：电子工程网资料来源：英飞凌SiC二极管商业化产品时间厂商产品参数2018年1月LittelfuseSiCMPS1200V/8A、15A、20A2018年2月安森美SiCSBD650V/6-50A2018年4月MicrosemiSiCSBD1200V2018年6月LittelfuseSiCMPS1200V/10-40A2018年8月CreeSiCMPS1200V/20A表9：2018年国际企业最新推出的SiC二极管产品图27：商业化SiC肖特基二极管的器件性能商业化的SiC肖特基二极管目前最高耐压为3300V，最高工作温度（100-190℃）下的电流在60A以下，主要产品耐压范围还集中在650V和1200V左右，1700V和3300V（GeneSiC，3300V/0.3A）产品较少；国际主要企业最新推出的SiC肖特基二极管产品电压集中在650V、1200V，以MPS、JBS结构为主。MPS与JBS器件结构类似，但工作原理不同。资料来源：CASA资料来源：MouserSiC二极管与Si基二极管价格对比耐压SiC肖特基二极管平均价格（元/A）Si基FRD平均价格（元/A）价格之比6004.801.024.7X6502.84————12007.541.325.7X170024.41————耐压SiC肖特基二极管平均价格（元/A）Si基FRD平均价格（元/A）价格之比6003.320.546.1X6502.47————12006.080.946.5X170020.0————耐压（V）Cree英飞凌罗姆STM6004.133.424.732.196504.062.563.372.2012009.466.8410.394.03耐压（V）Cree英飞凌罗姆STM6003.812.864.362.016504.072.472.901.9112008.875.649.313.47表10：不同制造商SiC肖特基二极管产品均价对比（元/A）表11：不同制造商SiC肖特基二极管产品价格中位数对比（元/A）表12：SiC肖特基二极管与Si基FRD平均价格对比表13：SiC肖特基二极管与Si基FRD价格中位数对比包括Infineon、Rohm、Cree、STM等20家企业提供SiCSBD，ROHM和Cree价格较高，STM价格最低；SiC肖特基二极管价格是同规格Si基快恢复二极管（FRD）的5倍左右。数据来源：Mouser资料来源：MouserSiC晶体管商业化产品时间厂商产品参数2018年3月UnitedSiCSiCCascadeFETS650V/31-85A，27mΩ2018年3月LittlefuseSiCMOSFET1200V/18A/120mΩ1200V/14A/160mΩ2018年4月MicrosemiSiCMOSFET1200V2018年5月UnitedSiCSiCCascadeFETS1200V，40mΩ和80mΩ2018年6月CreeSiCMOSFET1200V2018年8月CreeSiCMOSFET900V2018年9月LittlefuseSiCMOSFET1700V，1Ω表14：2018年国际企业最新推出的SiC晶体管产品图27：商业化SiC晶体管的器件性能商业化的SiCMOSFET目前最高耐压为1700V，最高工作温度（100-160℃）下电流在65A以下，主流器件有650V、900V、1200V和1700V四个电压层次，业内生产SiCJFET的企业较少，Mouser上只有UnitedSiC在销售SiCJFET产品，耐压在650V、1200V，最高工作温度下的最大电流为62A（650V/62A@100℃）。资料来源：CASA资料来源：MouserSiC

MOSFET与Si基IGBT价格对比耐压SiCMOSFET平均价格（元/A）Si基IGBT平均价格（元/A）价格之比6504.180.3511.9X9003.78————12007.050.878.1X170011.31————耐压SiCMOSFET平均价格（元/A）Si基IGBT平均价格（元/A）价格之比6504.050.3113.1X9003.70————12006.340.798.0X170011.72————图28：不同制造商商业化SiC晶体管价格表15：SiCMOSFET与Si基IGBT平均价格对比表16：SiCMOSFET与Si基IGBT价格中位数对比数据来源：Mouser数据来源：MouserSiCMOSFET价格约是同规格SiIGBT的8-13倍。目前有包括Cree和美高森美等8家企业提供SiC晶体管产品。SiC器件成本下降的关键—衬底与外延图30：SiC外延价格（RMB/cm2）发展趋势图29：SiC衬底价格（RMB/cm2）发展趋势CASA预测，在近期5年内，衬底单位面积价格会伴随直径150mm衬底的快速推广，小幅度下调，在大部分衬底提供商完成低缺陷密度单晶生长工艺及厚单晶生长工艺研发后，衬底单位面积价格会迎来相对快速的降低；在外延价格中，衬底占据50%以上的成本，随着衬底价格的降低，外延价格也随之降低，此外，随着设备、厂务和人工成本的降低，外延单位面积价格会迎来相对快速的降低。数据来源：CASA数据来源：CASAGaN器件工作原理图31：GaN外延与晶体管示意图Si基半导体的原理是PN结，GaN的工作原理是异质结HEMT，异质结就是利用一种比GaN禁带宽度更高的AlGaN与GaN组合在一起，由于AlGaN和GaN的异质结存在两种极化效应：自发计划(RSP)和压电极化(RPE)，由于这两种极化共同作用，在AlGaN和GaN的界面处产生极化静电荷。从而形成2DEG(两维电子气)。GaNHEMT的Gate控制是靠一个肖特基二极管控制的，HEMT是电压控制器件，栅极电压Vg可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中2-DEG的面密度，从而控制着器件的工作电流（开与断）不同衬底的GaN器件对比图32：GaN器件的Si衬底与SiC衬底对比GaN需要衬底才能生产，主要有同质衬底和异质衬底，同质衬底包括单晶衬底和厚膜衬底，同质衬底的生产办法较难，价格很高（超过SiC），异质衬底主要有Si、SiC和蓝宝石，蓝宝石由于导热性差，只能用作LED领域的GaN衬底材料，以SiC为衬底主要应用于高功率及高频率领域，但是目前尺寸最大为8吋，虽然Si衬底性能比不上SiC衬底，但是硅片12吋商业化很成熟，成本非常低。GaN电力电子器件商业化产品时间厂商产品参数2018年2月GaNsystemsGaNE-HEMT650V/120A2018年3月德州仪器GaN驱动器50Hz2018年6月TransphormGaNFET650V/35、50mΩ2018年6月英飞凌GaNHEMT400V、600V2018年6月ExaganGaN解决方案30-65mΩ2018年9月EPCGaNHEMT100V/37A/25mΩ2018年11月英飞凌GaN解决方案CoolGaN600VE-HEMT+驱动IC表17：2018年国际企业最新推出的GaN电力电子产品图33：商业化Si基GaNHEMT电力电子器件性能商业化的Si基GaNHEMT最高电压为650V，室温下（25℃）最大电流为120A，创下新高；GaN电力电子器件朝着集成化方向发展，解决方案不断完善。目前，市场上GaN电力电子器件解决方案分为三种：1）分立式，开关器件+外部驱动器；2）多片集成，将开关器件和驱动器封装在一起；3）单片集成，将栅极驱动集成到开关器件，可以消除高频工作时的互连电感，提升效率，并节省空间。资料来源：CASA资料来源：MouserGaN器件成本下降的关键—衬底与外延图35：GaN衬底价格（RMB/cm2）发展趋势图34：Si基GaN外延成本（＄/cm2）发展趋势Si基GaN电力电子器件市场化进程要求材料外延的成本不断降低，在未来30年用于GaN外延的Si衬底尺寸，由目前主流的6英寸在未来5年扩展至8英寸，在未来10-15年内扩展至12英寸，甚至18英寸，成本将迅速降低；在近期5年内，GaN衬底单位面积价格会伴随直径100mm衬底的快速推广，小幅度下调，在大部分衬底提供商完成低缺陷密度单晶生长工艺及表面处理工艺研发后，衬底单位面积价格会迎来相对快速的降低；数据来源：CASA数据来源：CASA中国SiC、GaN电力电子器件市场概况图36：全球SiC、GaN电力电子器件市场规模预测（亿美元）CAGR=36%综合Yole和IHSMarkit的数据，2018年SiC电力电子器件市场规模约3.9亿美元，GaN电力电子器件市场规模约0.5亿美元，合计约4.4亿美元，占整体电力电子器件市场规模（390亿美元）的比例为3.4%；据IHSMarkit预计，SiC和GaN电力电子器件预计将在2020年达到10亿美元，自2017起，由于SiC和GaN电力电子器件在混合动力和电动汽车的主传动系逆变器中的应用开启，SiC和GaN电力电子器件市场年复合增长率（CAGR）将超过35%，到2027年达到100亿美元。Yole预测，SiCMOSFET性能和可靠性的提高，SiCMOSFET有望在电动汽车传动系统主逆变器中获得广泛应用，未来5年内驱动SiC器件市场增长的主要因素将由SiC二极管转变为SiCMOSFET。据IHSMarkit预测，到2020年GaN电力电子晶体管在同等性能的情况下，将会达到与SiMOSFET和IGBT持平的价格。SiC电力电子器件的价格是同规格Si器件的5-10倍左右，而Si基GaNHEMT电力电子器件（600-650V）的价格比SiC器件高50%以上。整体而言，SiC、GaN电力电子器件的价格离业界可普遍接受的价格（约是Si产品价格的2-3倍）还有较大距离，产品的快速渗透有赖于后续生产成本的降低，预计2020年后将迎来快速增长。数据来源：Yole、HIS、CASA中国SiC、GaN电力电子器件市场概况根据CASA统计，2018年中国市场SiC、GaN电力电子器件的市场规模约为28亿元，同比增长56%，预计未来五年复合增速为38%，到2023年SiC、GaN电力电子器件的市场规模将达到148亿元；电源领域（不间断电源UPS、消费类电源PFC、工业及商业电源）占比58%，规模约为16.2亿元。据CASA测算，2018年EV领域功率电子器件的市场规模高达6亿元，而第三代半导体电力电子器件的市场规模仅1700万元但是充电桩中的SiC器件的平均渗透率达到10%，2018年整个直流充电桩SiC电力电子器件的市场规模约为1.3亿，较2017年增加了一倍多。数据来源：CASA数据来源：CASA图37：2018年中国SiC、GaN电力电子器件应用市场规模（亿元）图38：2018年中国SiC、GaN电力电子器件应用市场分布SiC功率器件市场竞争格局图39：2017年全球SiC器件市场格局图40：2017年全球SiC晶圆市场格局数据来源：Yole数据来源：Yole就全球SiC器件市场而言，Cree由于其在SiC晶圆无可比拟的优势，占据第一的位置，市场份额达26%，其他如日本罗姆、英飞凌、三菱电机及STM均有不错的表现。现今全球SiC晶圆大部分由Cree提供，市场份额达52%，主要供应尺寸为6吋，8吋出货量很少。SiC功率器件产业链衬底外延器件、模块应用大陆天科合达山东天岳河北同光世纪金光中科节能Norstel大陆瀚天天成东莞天域世纪金光Norstel境外美国Cree美国Ⅱ-Ⅵ美国道康宁日本罗姆日本NSC境外美国Cree美国道康宁日本罗姆日本NSC台湾嘉晶分工IDM设计制造封测大陆三安集成境外台湾瀚薪美国USCI境外瑞典Ascatron法国离子束德国X-Fab台湾汉磊科技大陆中车时代泰科天润世纪金光芯光润泽基本半导体国扬电子士兰微扬杰科技境外美国Cree德国英飞凌日本罗姆日本三菱电机美国通用美国GeneSiC光伏逆变器电机控制器充电桩GaN功率器件产业链衬底外延器件、模块大陆苏州纳维科技东莞中镓半导体大陆苏州晶湛半导体境外住友电气住友化学三菱化学日本古河电气美国Kyma公司波兰Ammomo公司境外英国IQE公司德国Allos公司台湾嘉晶电子德国世创电子比利时EpiGaN公司住友化学日本NTT-AT日本同和控股分工IDM设计制造封测大陆三安集成海威华芯境外GaNsystems美国EPCCustomMMICMACOMTransphormDialog半导体Navitas公司境外环宇通讯稳懋半导体富士通半导体嘉晶电子台积电联合微波大陆苏州能讯中电科13所中电科55所苏州能华境外住友电气法国Exgan恩智浦英飞凌CreeⅡ-Ⅵ三菱电机大陆Ampelon公司功率半导体的应用趋势05章节PART新能源汽车领域的应用智能电网领域的应用功率半导体应用市场划分图41：2017年全球功率半导体下游应用市场图42：2017年中国功率半导体下游应用市场数据来源：Gartner数据来源：中国半导体行业协会目前功率半导体的应用范围已从传统的工业控制和4C产业（计算机、通信、消费类电子产品和汽车）扩展到新能源、轨道交通、智能电网等新领域。与国际市场相比，中国汽车电子的应用比例小于国际市场，但随着新能源汽车在国内的逐渐推广以及配套充电站的普及，汽车电子有望成为功率半导体行业的突破口。汽车半导体需求旺盛图44：新能源汽车内部结构图43：新能源汽车半导体需求示意图资料来源：盖世汽车资料来源：Murata特斯拉ModelS车型使用的三相异步电机驱动，其中每一相都需要使用28颗IGBT芯片，三相共需要使用84颗IGBT芯片，每颗的价格大约在4~5美元，合计达420美元。2018年，特斯拉Model3的逆变器采用了意法半导体制造的SiCMOSFET，每个逆变器包括了48个SiCMOSFET，Model3的车身比ModelS减小了20%，每个SiCMOSFET的价格大约在50美元左右，合计达2500美元。传统车型与电动汽车半导体需求对比数据来源：StrategyAnalytics传统内燃机车混合动力车纯电动车根据StrategyAnalytics的数据，传统燃油汽车的功率半导体使用量约占其汽车半导体总量的21%，成本71美元左右；混合动力车功率半导体成本将攀升至425美元，是传统油车的6倍；纯电动车功率半导体成本则可达到387美元，是传统的燃油汽车的5.5倍。IC和传感器在混动车/纯电动车型上的价值量分别是传统车的1.2/1.0和1.3/1.1倍，增幅低于功率半导体。不同类型电动汽车半导体需求对比数据来源：英飞凌从英飞凌披露的数据看，2018年一台纯电动汽车半导体需求量达750美元，其中功率半导体需求达455美元，占整车半导体成本60.6%；同轻混电动器车相比，纯电动汽车功率半导体需求量增长500%；同插混电动汽车相比，纯电动汽车功率半导体需求量增长51.6%。48V轻混电动汽车插混电动汽车纯电动汽车全球汽车半导体竞争格局（2018）汽车传感器汽车MCU汽车功率半导体数据来源：StrategyAnalytics汽车半导体功率半导体在智能电网中的应用—以柔性直流输电为例“柔性直流输电技术”是90年代发展起来的一种新型直流输电技术，它将半控型器件（晶闸管）升级为全控型器件（IGBT），具有响应速度快、可控性好、可向无源网络供电、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点；柔性直流输电中，“模块化多电平换流器”（MMC）是关键设备。参照厦门±320kV/1000MW柔性直流输电科技示范工程，柔性输电需要两台MMC，每台由6个桥臂组成，每个桥臂由3座IGBT换流阀阀塔串联而成，每座阀塔为双列式布置；阀塔共3层，包含12个阀模块，每个阀模块包含6个子模块。因此每台MMC包含1296个IGBT模块，两台MMC组成整个换流系统，共需2592个IGBT模块。IGBT模块采用1500A/3300V，单价约为8000元，即单项柔性输电工程需要的IGBT模块价值约为2000万（2592×0.8万）。图45：换流阀阀塔示意图图46：换流阀子模块示意图数据来源：互联网数据来源：互联网SiC器件在智能电网领域的应用趋势SiC器件发展趋势SiC产品的电压电流、开关频率会进一步提高；预计SiC二极管和SiCMOSFET等器件的价格每年以超过10%的速度下降，已开始逐步取代Si器件；SiC产品类型如SiCIGBT、SiC晶闸管等会出现；集成驱动的SiC产品会更多，如驱动和芯片一体化、光触发、集成短路保护功SiC器件在电网中的应用优势当用同一SBD实现换流时，SiC器件的开通损耗显著小于Si器件，有大约降低25~50%的对比结果；SiC器件的关断损耗显著小于Si器件的关断损耗，有大约降低5~10倍的对比；SiC二极管没有正向恢复电压和反向恢复电流；作为单极型器件，SiCMOSFET在保证低导通压降的前提下，可以极大提升器件的阻断电压，目前研制的SiCMOSFET阻断电压已经达到10KV；通过高电压SiC产品来替换相对低电压Si产品，降低电力电子器件数或/和模块数，降低复杂性；通过高电压SiC器件(指电压为10kV及以上的SiC器件)可减少功率变换的次数，如省略降压变压器等；降低系统散热要求。由于SiC带来的低损耗，系统效率提高，降低系统散热设计难度和成本；SiC器件产业现状市场上已有SiC二极管、SiCMOSFET、SiC二极管与SiCMOSFET构成的全SiC模块、以及SiC二极管与SiIGBT构成的混合模块这四大类产品；分立器件电压最高为1700V，电流小于300A；三菱电机混合模块产品，最高为1700V/1200A直流输电中的SiC应用预测202020252030203520402048电压等级（DC）±50kV±50kV±100kV±200kV±320kV±400kV/±500kV/±800kV容量MW50100500100020005000采用器件MOSFETIGBTIGBTIGBTIGBTIGBT器件参数6.5kV/600A15kV/600A15kV/600A20kV/1000A20kV/2000A20kV/2500A换流阀效率（%）9898.59999.599.699.8直流输电主要有LCC-HVDC、VSC-HVDC、HybridHVDC和DCgrid等，其中，HybridHVDC和DCgrid直到2017年12月还没有工程应用。现阶段，LCC-HVDC都采用Si晶闸管，VSC-HVDC都采用SiIGBT，VSC-HVDC将逐步取代LCC-HVDC；以±800kV，额定电流为5kA的LCC-HVDC为例，据测算，采用SiC可减少约47%的功率损耗（相比Si器件），如对于相同容量的换流器，采用高电压的SiC产品，可以降低换流器的电流，从而提高换流器的转换效率；现阶段还没有SiCIGBT的相关产品，混合模块的容量(1700V/1200A)还是相对较小，预计2030年前，3300~6500V/1500~3000A系列SiIGBT+SiCDiode混合器件会在VSC-HVDC中示范应用，预计2048年前，SiCMMC-HVDC的转换效率预计可以高达99.8%。表18：柔性直流换流阀发展预测资料来源：CASA柔性变电站中的SiC应用预测202020252030203520402048电压等级（AC）35kV35kV110kV220kV330kV500kV容量MW50100500100020005000采用器件MOSFETIGBTIGBTIGBTIGBTIGBT器件参数6.5kV/600A15kV/600A15kV/1000A20kV/1000A20kV/2000A20kV/2500APET效率（%）9898.498.899.199.399.4柔性变电站/TIPS通常包括电力电子变压器/固态变压器(SolidStateTransformer)和固态断路器等电力电子设备，电网用电力电子变压器的最低交流电压不宜低于10kV，最小容量(三相)不宜小于315kVA；预测在5年内(到2023年)，三相PET样机的容量应可做到315kVA或以上，系统标称电压输入为10kV或6kV、输出为220V/380V的三相PET样机转换效率应可以到98.3%；预测在5年内(到2023年)，采用6500V电压等级SiCMOSFET的35kV/5MVA全SiC电力电子变压器实现工程示范应用；预测2030年前，将15kVSiC双极性器件示范应用到500kV电力电子变压器。SiC功率二极器件包括高压PiN二极管、双极晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、晶闸管、GTO和碳化硅GCT等。表19：电力电子变压器（PET）发展预测资料来源：CASA灵活交流输电中的SiC应用预测202020252030203520402048电压等级（AC）35kV35kV110kV220kV330kV500kV类型APFSTATCOMSSTSSTATCOMSSTSSTATCOMSSTSSTATCOMSSTSSTATCOMSSTS容量MVA51050100200500采用器件MOSFETIGBTIGBTIGBTIGBTIGBT器件参数6.5kV/600A15kV/600A15kV/1000A20kV/1000A20kV/2000A20kV/2500A效率（%）9797.598.499.199.699.6灵活交流输电(FACTS)可分为基于半控型电力电子器件的FACTS装置，如可控串联补偿装置(TCSC)和静止无功补偿装置(SVC)等，和基于全控型电力电子器件的FACTS装置，如静止同步补偿器(STATCOM)和统一潮流控制器(UPFC)等。现阶段，基于半控型电力电子器件的FACTS装置都采用晶闸管，基于全控型电力电子器件的FACTS装置都采用SiIGBT。基于全控型电力电子器件的FACTS装置将逐步取代基于半控型电力电子器件的FACTS装置；预测混合型SiC器件应用早于纯SiC器件，基于全控型电力电子器件的FACTS中STATCOM最有可能率先得到应用。表20：灵活交流输电装置（FACTS）发展预测资料来源：CASA光伏逆变器中的SiC应用预测202020252030203520402048电压等级（AC）0.4kV10kV35kV110kV110kV220kV类型组串式集中式集中式集中式集中式集中式容量3-10kW500-1500kW3-5MW10MW20MW50MW采用器件MOSFETMOSFETIGBTIGBTIGBTIGBT器件参数1.2kV/50A6.5kV/100A15kV/500A20kV/300A20kV/600A20kV/1500A效率（%）9797.59898.598.698.8现有光伏逆变器普遍采用Si器件，经过40多年的发展，转换效率和功率密度等已接近理论极限。如需进一步提升，SiC等宽禁带器件成为必然的选择。如Mitsu