2020功率半导体主要分类及全球市场现状分析

功率半导体是电子装臵电能转换与电路控制的核心，本质上，是通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。无论是水电、核电、火电还是风电，甚至各种电池提供的化学电能，大部分均无法直接使用，75%以上的电能应用需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。

模拟IC中的电源管理IC与分立器件中的功率器件功能相似，二者经常集成在一颗芯片中，因此功率半导体包括功率IC和功率器件。功率半导体的具体用途是变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等，相关产品具有节能的作用，被广泛应用于汽车、通信、消费电子和工业领域。在汽车中，汽车蓄电池的输入电压在12V-36V，而民用电电压为220V，将民用电电压转换至输入电压的过程叫做变压。蓄电池的输入电流一般是直流电，将交流电转换为直流电的过程叫做整流。汽车运行时，蓄电池持续输出直流电，而汽车的各个模块需要使用交流电，交流电转换为直流电的过程叫做逆变。汽车蓄电池输出的电压很低，无法满足各个模块的需求，将低电压转换成高电压的过程叫做增幅。电动汽车的马达使用的电流是三相电。首先，蓄电池输出的直流电经过逆变后成为单向交流电，将单向交流电变为三相电的过程叫做变相。

表：电力转换的四种基本模式

资料来源：锐观咨询整理

1、功率半导体分类

功率半导体主要分为功率器件、功率IC。其中功率器件经历了近70年的发展历程：20世纪40年代，功率器件以二极管为主，主要产品是肖特基二极管、快恢复二极管等；晶闸管出现于1958年，兴盛于六七十年代；近20年来各个领域对功率器件的电压和频率要求越来越严格，MOSFET和IGBT逐渐成为主流，多个IGBT可以集成为IPM模块，用于大电流和大电压的环境。功率IC是由功率半导体与驱动电路、电源管理芯片等集成而来的模块，主要应用在小电流和低电压的环境。

根据可控性分类根据功率半导体的可控性可以将功率半导体分为三类，第一类是不可控型功率器件，主要是功率二极管。功率二极管一般为两端器件，其中一端为阴极，另一端为阳极，二极管的开关操作完全取决于施加在阴极和阳极的电压，正向导通，反向阻断，电流的方向也是单向的，只能正向通过。二极管的开通和关断都不能通过器件本身进行控制，因此将这类器件称为不可控器件。

第二类是半控型功率器件，半控型器件主要是晶闸管（SCR）及其派生器件，如双向晶闸管、逆导晶闸管等。这类器件一般是三段器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制用门极。半控型器件也具有单向导电性，其开通不仅需在阳极和阴极间施加正向电压，还必须在门极和阴极间输入正向可控功率。这类器件一旦开通就无法通过门极控制关断，只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电流变为零。这类器件的开通可控而关断不可控，因此被称之为半控型器件。

第三类是是全控型器件，以IGBT和MOSFET等器件为主。这类器件也是带有控制端的三端器件，其控制端不仅可以控制开通，也能控制关断，因此称之为全控型器件。

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2、全球功率半导体行业现状

近年，来由于工业控制、家电产品、充电设备等终端应用不断追求更高能源效率，功率器件下游产品范围的稳步扩张、产量的大幅增长以及功率器件技术的快速更新，功率器件市场在全球范围尤其是中国地区都保持稳步增长。

据Yole数据显示，2017年，全球功率半导体市场规模超300亿美元，其中功率分立器件和模块市场规模约为150亿美元，功率IC约为200亿美元。预计功率分立器件2016-2021复合年增长率为3.1%，功率IC2016-2021复合年增长率为3.4%，功率模块2016-2021复合年增长率为7.0%。

具体产品来看，2017年，全球功率分立器件和模块市场规模约为150亿美元，其中二极管约占20%，MOSFET约占40%，IGBT及功率模块约占30%。

应用方面，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。HIS数据显示，2017年，全球功率半导体市场中工业应用市场占比为34%，汽车应用市场占比23%，消费电子应用占比为20%，无线通讯应用占比为23%。

根据驱动形式分类

根据驱动形式的不同，我们将功率半导体分为三类，第一类是电流驱动型，第二类是电压驱动型，第三类是光驱动型。

电流驱动型器件有SCR、BJT、GTO等，这类器件必须有足够的驱动电流才能使器件导通或者关断，本质上是通过极电流来控制器件。GTO和SCR一般通过脉冲电流控制，BJT则需要通过持续的电流控制。

电压控制型电路主要是IGBT和MOSFET等，这类器件的导通和关断只需要一定的电压和很小的驱动电流，因此器件的驱动功率很小，驱动电路比较简单。光控型器件一般是专门制造的功率半导体器件，如光控晶闸管。这类器件的开关行为通过光纤和专用光发射器来控制，不依赖电流或者电压驱动。

表：功率器件各项参数及其应用领域对比

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