功率半导体器件「功率半导体器件与应用」

今天带来功率半导体器件「功率半导体器件与应用」，关于功率半导体器件「功率半导体器件与应用」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

1. 功率半导体的种类有哪些？

功率半导体器件处于现代电力电子变换器的核心地位，它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重 要的作用。功率半导体器件根据集成程度可分为功率 IC 和功率半导体分立器件。功率 IC 是将功率 分立器件与驱动、保护等电路集成在一个半导体晶片上；功率分立器件可分为二极管、晶体管、晶 闸管三大类别，晶体管中 MOSFET、IGBT、BJT 应用广泛。

据智研咨询统计，2019 年全球功率半导体市场结构中，功率 IC、MOSFET、IGBT、二极管是四种 运用最为广泛的功率半导体产品，四者分别占比 54%、16%、12%、15%。功率 IC 中，DC/DC 转 换器应用最为广泛，占比达到 51%。

功率半导体主要用于实现开关、放大、整流（AC/DC）、逆变（DC/AC）、斩波（DC/DC）等功 能。

1） 二极管

二极管的作用是“开关”。把电流用水流比喻的话，阳极是上游，阴极是下游，水能从上游流向下 游，却不能从下游流向上游，这就是二极管的开关作用，也即整流作用。

2） 晶体管

晶体管的作用是“增幅”和“开关”。在模拟信号中，晶体管在不改变输入信号波形的前提下放大 电压和电流，如收音机可以放大空中传播的极微弱的信号。在数字信号中，晶体管起到切换 0 和 1 的开关作用。从晶体管的结构来理解，可以把晶体管的 3 个引脚（基极、集电极和发射极）分别视作自来水的阀门、水龙头和配管，通过在阀门施加微小的力量（基极的输入信号）即可控制龙头喷 出巨大的水量（集电极的输出电流）。

3） 晶闸管

晶闸管是高电压、大电流场景下的“开关”，相比二极管可控性更强。晶闸管的作用于二极管类似， 其特点是可以用弱信号控制强信号，适宜高电压、大电流的场景。与二极管对比来看，晶闸管在应 用端的功能更为多样和可控，最根本的是晶闸管可以控制正向电流通电时间，非常适用于交流电压 开关、灯光控制、加热器功率控制、相位控制、电容器电压放电、继电器等应用，这些都是二极管 无法胜任的。

4） 功率 IC

功率 IC 可直接用于实现 DC/DC 或 AC/DC 等更复杂的功能。其通过将上述分立功率器件及其驱动 电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个芯片上，用于实现上述功能。相比较而言，采用 分立器件方案灵活性高，有助于降低物料清单成本，但需要更长的设计和验证时间，还需要较高的 专业技术知识以及较长的线路调适时间。而功率 IC 集成化使得器件体积更小，功能更强大，相应 产品价值会更高。

3. 不同功率半导体的应用领域有何差别？

不同功率半导体的优势领域不同。功率二极管结构简单，成本低，广泛应用于消费电子和工业中；晶闸管适合高功率低频的工业场景，在可控性上优于二极管，常见应用场景包括电力传输、高铁、 轻工业、船舶电力等。晶体管中，MOSFET 高频特性最优，但由于耐压特性较差故在高功率领域 应用受限，主要应用于消费电子、通讯、工业控制和汽车领域等高频低功率场景。IGBT 耐压高， 高功率领域应用优势明显，高频特性弱于 MOSFET，广泛用于智能电网、高铁、新能源发电、电 动汽车、白色家电等领域等高功率中低频场景。BJT 则更适合低功率场景，在应用频率上低于 MOSFET，主要用于家电等领域。

以晶体管中应用最为广泛的 MOSFET 和 IGBT 为例进行说明：

 MOSFET：主要应用于消费电子、家用电器、汽车和 PC 电源

MOSFET 简称 MOS 管，是一种全控-电压驱动的功率器件。从结构上来看，MOSFET 的栅极与 其他部分通过绝缘层隔开，输入阻抗较大，因而需要的驱动功率小。此外，MOS 管是多子导电， 关断时由于没有少子而显著地减小了开关时间和开关损耗，成为制造 AC/DC 开关转换器和 DC/DC 转换器的必要器件，特别适用于家用电器，汽车和 PC 电源领域。

MOSFET 品类丰富，可适配多层次电压需求。根据结构工艺不同，市面上的主流功率 MOSFET 结 构包括：平面型、沟槽型和超级结（SJ）。最常见的平面型 LD MOSFET 由于三极都在硅片的上 表面，只能应用于电压较低、功率较小的场景。平面型 VD MOSFET 利用垂直导电结构让电流在 硅片内部垂直流动，因而可适用于中高压。上述平面型结构的问题在于导通内阻较大，开关性能较 差，不适用于高频场景。沟槽型的 Trench MOSFET 和 SGT MOSFET 通过降低导通内阻和漏极 栅极米勒电容，降低了开关时间和损耗，适用于中低压高频场景。SJ MOSFET 则综合了平面型和沟槽型结构两者的优点，在平面型结构中开一个低阻抗电流通路，高电压下实现了较低的导通电阻， 广泛应用于高压高频领域。

 IGBT：主要应用于轨道交通、智能电网、电动汽车与新能源装备等领域

IGBT 是由 BJT(双极型晶体管)和 MOSFET 组成的全控-电压驱动的功率器件，多个 IGBT 可以集 成为 IPM 模块。IGBT 驱动原理类似 MOSFET，但导通电流通过 BJT 处理，既有 MOSFET 输入 阻抗高、驱动功率小、开关速度快特性，又兼具 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点， 在高压、大电流、高速等方面具有独特优势，广泛应用于轨道交通、智能电网、电动汽车与新能源 装备等领域。

受益于国产替代趋势和部分细分市场的高增速，国内功率产业链领先公司盈利有望快速提升。我 们看好国内功率半导体产业链，建议关注华润微、闻泰科技、 华虹半导体、斯达半导：

华润微：国内 IDM 巨头，产品线齐全

公司采用 IDM 模式，是目前国内产品线最为全面的功率器件厂商，产品主要包括 MOSFET、 IGBT、SBD、FRD 等，主要应用于消费电子、工业控制、新能源、汽车电子等领域。2020 年上 半年，公司产品与方案业务（功率器件业务为主）实现收入 13.69 亿元，其中功率器件业务同比 增长 22%以上。公司在 MOSFET 产品方面优势显著，是国内少数能够提供 -100V 至 1500V 范 围内低、中、高压全系列 MOSFET 产品的企业，也是目前国内拥有全部 MOSFET 主流器件结构 研发和制造能力的主要企业。IGBT 产品方面，公司已建立国内领先的 Trench-FS 工艺平台，并具备 600V-6500V IGBT 工艺能力，2020H1 IGBT 产品收入同比增长近 50%。同时公司 1200V 和 650V 工业级 SiC 肖特基二极管系列产品也已在上半年投入市场。

闻泰科技：汽车功率半导体巨头，与 ODM 业务协同

闻泰科技通过安世半导体（原属 NXP）从事功率半导体业务。2019 年安世半导体营收约 100 亿 元，其中，汽车业务占比超过 40%，净利润为 12.6 亿元。安世是全球第九大功率分立器件厂 商，并在汽车功率 MOSFET 和小信号 MOSFET 器件等细分市场位居全球前三大。安世拥有 10000 多种产品，年产销功率器件超过 900 亿件。被闻泰收购以后，安世有望加速拓展国内客 户，叠加新能源车对功率半导体需求旺盛，业绩有望迎来高速增长期。安世提前布局化合物半导 体，已经推出全新高压 GaN FET，化合物半导体功率器件有望打开安世长期成长空间。闻泰的 ODM 业务方面，也不断开拓优质客户，迎来 5G 手机量价齐升。

华虹半导体：功率半导体代工巨头，受益于 8 寸厂产能紧俏

华虹半导体是中国大陆第二大晶圆厂，在上海有 3 座 8 寸厂，在无锡有 1 座 12 寸厂，合计月产 能约 20 万 8 寸片。公司通过在成熟节点打造差异化技术平台来实现盈利，在功率器件、分立器 件、存储等领域竞争力强。

斯达半导(603290，未评级)：公司专注 IGBT 模块研发设计及封装，与上海华宏和上海先进两家 主要的代工厂深度合作，IGBT 模块市占率国内第一、全球第十。公司产品主要用于工业和新能 源汽车领域，工业领域长期绑定英威腾、汇川技术等龙头，车用领域已获得国内主流汽车品牌认 可。2020 年上半年，公司实现营业收入 4.2 亿元，同比增长 13.7%，公司应用于燃油车微混系统 的 48V BSG 功率组件开始大批量装车应用，预计公司 48V BSG 功率组件出货量在下半年会继续 上升。同时公司新增多个国内外知名车型平台定点，将对 2022-2028 年公司新能源汽车模块销售 增长提供持续推动力。此外，国产化趋势下，公司在风电、光伏、高压变频器等领域的市场份额 也有望不断提升。第三代半导体器件方面，公司应用于新能源客车的 SiC 汽车级模块通过国内龙 头大巴车企定点，预计 2021 年开始大批量装车。