功率半导体行业基本情况及发展趋势

2024-07-02 02:35:52 产品中心

  功率半导体是电力电子装置中实现电力控制和转换的核心部件,主要功能为调整或改变电路中的电压、电流、频率等物理特性,以实现对电能的管理,其广泛运用于新能源汽车、工业控制、新能源发电、储能、消费电子等领域。

  从分类看,功率半导体分立器件主要包括二极管、晶闸管和晶体管。其中二极管、晶闸管等生产工艺相对简单,在中低端领域大量使用,目前已基本实现国产化。而以 IGBT 为代表的晶体管器件更多应用于高压、高可靠性领域,生产工艺门槛较高且结构相对复杂,技术含金量与产品附加值高,目前大部分市场份额被国外厂商所占据。

  随着下游应用领域的快速发展,功率半导体需求快速增长,尤其是在新能源汽车领域。由驱动电机、电机控制器等组成的电驱动系统作为汽车的动力之源,是整车的核心组成部分,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”。

  IGBT 在使用中高度重视散热性和可靠性,因此封装环节至关重要。根据应用场景和对性能要求的不同,可将IGBT功率模块分为消费级、工业级和车规级。与消费级和工业级半导体相比,车规级半导体对产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性要求较高,具体区别如下所示:

  应用领域方面,根据高工产业研究院数据,2020 年我国 IGBT 在新能源汽车的应用占市场价值的 28%,仅次于工业控制领域。在新能源市场持续爆发的带动下,新能源应用有望成为我国“十四五”IGBT 需求增长最大的下游驱动力。高工产业研究院预计,2025 年 IGBT 在新能源汽车应用市场占比将超过工业控制应用,成为我国 IGBT 第一大应用市场。

  全球市场规模方面,根据华经产业研究院数据,全球 IGBT 功率模块市场规模在过去几年中保持持续增长,从 2017 年的 46.8 亿美元增长至 2021 年的 70.9亿美元,年均复合增长率 10.9%。

  市场竞争格局方面,目前全球 IGBT 市场大部分份额被国外企业所占据,英飞凌是其中龙头。根据华经产业研究院数据,2020 年英飞凌占全球 IGBT 模块市场份额的 36.50%。

  目前,以 IGBT 为代表的功率半导体器件主要采用硅基材料制作,但受制于材料化学性能,由其制作的功率器件功率密度已接近极限。而与硅基材料相比,以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料拥有更为优越的电气特性,能够满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已逐渐开始应用于大功率器件。

  在同样体积条件下,碳化硅功率器件可拥有更高功率密度,从而提升整体性能,降低整体能耗。值得注意的是,硅基材料与碳化硅材料之间各有利弊,并无绝对的替代关系,只是在特定的应用场景中存在各自的比较优势。

  尽管 SiC 模块相比同等 IGBT 模块开关损耗和导通损耗较低,但由于 SiC 模块主要用在更高功率密度的使用场景中,加之其开关频率较高,损耗亦会增加,发热问题依然突出,仍需高性能散热基板来解决散热问题,以满足 SiC 模块正常工作需要。

  功率半导体是新能源汽车中的核心元器件,目前主要以 IGBT 为主,IGBT在新能源汽车中的主要应用如下:

  上述应用场景中,电机控制器用 IGBT 功率模块价值占比最大,作用最为重要。电控 IGBT 模块由于自身功率等级较高,同时面对复杂环境和特殊工况,发热现象较为严重,为保证其性能正常发挥,需要有可靠的散热结构设计,配备性能良好的散热基板。发行人所产散热基板,即用于配套电机控制器用功率半导体模块。

  近年来,全球新能源汽车 IGBT 市场高速增长,根据高工产业研究院数据,2021 年全球新能源汽车 IGBT 行业市场规模达 140.6 亿人民币,预计 2025 年市场规模有望达到 497.9 亿人民币,年均复合增长率约 37.2%,远高于 IGBT 行业整体市场增长率。

  在新能源发电领域,IGBT 功率模块亦得到广泛运用。光伏发电中,光伏逆变器需要将光伏发电所产生的直流电转化为符合电网电能质量要求的交流电,IGBT 则是光伏逆变器的核心部件。风力发电中,风电变流器需要将风电机组在自然风作用下产生的电压频率、幅值不稳定的电能转换为频率、幅值稳定,符合电网要求的电能,风电变流器的功能实现同样需使用 IGBT。

  由于光伏、风电等新能源发电的不稳定性,弃风弃光等问题随之产生,对电网的消纳能力亦是严峻考验。为新能源发电配套安装电化学储能装置能够有效平抑、消纳、平滑新能源发电的输出,储能市场因此也迎来发展良机。IGBT 作为储能变流器的核心半导体部件,可对电能起到整流、逆变等作用,以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能。