據統計,2022年上半年中國新能源乘用車占比世界新能源車份額59%,位居全球第一,我國新能源汽車產量已連續7年位居世界第一,中國市場新能源汽車的滲透率達到21.6%,新能源汽車中功率半導體的含量達到55%。對于新能源汽車而言,汽車不再使用傳統汽油車“三大件”——汽油發動機、油箱或變速器,“三電系統”即電池、電機、電控系統取而代之,為實現能量轉換及傳輸,新能源汽車中新增了電機控制系統、DC/DC模塊、高壓輔助驅動、車載充電系統OBC、電源管理IC等部件,其中的功率半導體含量大大增加。
功率半導體發展過程在半導體功率器件中,MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開關器件,相比于功率二極管、功率三級管和晶閘管等電流控制型開關器件,具有易于驅動、開關速度快、損耗低等特點,應用前景十分廣闊。在分立器件發展過程中,20世紀50年代,功率二極管、功率三極管面世并應用于工業和電力系統。20世紀60至70年代,晶閘管等半導體功率器件快速發展。20世紀70年代末,平面型功率MOSFET發展起來;20世紀80年代后期,溝槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世,半導體功率器件正式進入電子應用時代。20世紀90年代,超結MOSFET逐步出現,打破傳統“硅限”以滿足大功率和高頻化的應用需求。2008年,英飛凌(Infineon)率先推出屏蔽柵功率MOSFET,半導體功率器件的性能進一步提升。對國內市場而言,功率二極管、功率三極管、晶閘管等分立器件產品大部分已實現國產化,而IGBT、功率MOSFET特別是超級結MOSFET等高端分立器件產品由于其技術及工藝的復雜度,依然較大程度上依賴進口,未來進口替代空間巨大。
新興領域拉動全球功率器件行業加速成長,根據WSTS統計,在整個功率器件市場中,MOSFET占比最高,約占40%,其次為功率二極管(30%),IGBT緊隨其后約占25%,晶閘管占約為5%,MOSFET、IGBT市場占比較高。ICInsights指出,在各類半導體功率器件中,未來增長最強勁的產品將是MOSFET與IGBT模塊。根據Yole,受益于新能源等下游新興應用領域的高速增長,2023年MOSFET、IGBT及其模組的市場規模預計達到132億美元,年均復合增長率為4.05%。
IGBT和MOSFET內部結構不同,IGBT輸入電壓高,MOSFET輸入電壓低,這也決定了其應用領域的不同,MOS管適合較小輸出功率的場景,IGBT適合較大輸出功率的場景。MOSFET應用于開關電源、鎮流器、高頻感應加熱、高頻逆變焊機、通信電源等高頻電源領域;IGBT集中應用于焊機、逆變器、變頻器、電鍍電解電源、超音頻感應加熱、電驅等高壓領域。MOSFET根據工作載流子的不同,可分為“N型”與“P型”,又稱為NMOS、PMOS。IGBT同樣分成N型和P型。MOS管工作原理是利用VGS來控制“感應電荷”的多少,以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況,然后達到控制漏極電流的目的。根據不同器件結構又可分為溝槽型MOSFET、超結MOSFET、屏蔽柵MOSFET等。
IGBT是功率器件最具發展前景的細分賽道
IGBT,絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT和MOS組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,主要用于變頻器逆變和其他逆變電路,交流電和直流電的轉換、變頻,結合了高輸入阻抗和低導通電壓兩項優點,相當于電力電子領域的“CPU”,也是新能源應用的心臟。IGBT有陰極、陽極和控制極,關斷的時候阻抗非常大,接通的時候存在很小的電阻,通過接通或斷開控制極來控制陰極和陽極之間的接通和關斷。
IGBT是國家16個重大技術突破專項中的重點扶持項目,產業大致可分為芯片設計、晶圓制造、模塊封裝、下游應用四個環節,其中設計環節技術突破難度略高于其他功率器件,制造環節資本開支相對大同時更看重工藝開發,封裝環節對產品可靠性要求高,應用環節客戶驗證周期長,綜合看IGBT屬于壁壘較高的細分賽道。隨著下游應用的不斷提出新的挑戰,IGBT結構也一直在創新和發展,向更好的性能進化。
隨著汽車電動化趨勢日益明顯,車用功率器件的需求也增多,作為當前主流的車規級功率器件,IGBT在汽車市場的表現非常突出。集幫咨詢在《2019中國IGBT產業發展及市場報告》中表示,新能源汽車中的IGBT成本約占整車成本的10%。基于以上信息可預測,到2025年,中國車用IGBT市場規模將達到210億人民幣。另外,IGBT模塊成本約占充電樁成本的20%,到2025年,國內充電樁用IGBT市場規模將達100億元人民幣。通過觀察以上數據大致可推斷出,在未來幾年內,中國新能源汽車市場將是全球IGBT廠商的兵家必爭之地。社會各領域對新能源汽車的支持,將促使中國IGBT產業鏈的繁榮發展。
MOSFET器件是功率器件領域中市場占比最大的產品
功率MOSFET于20世紀70年代首次推出,并成為世界上應用最廣泛的功率晶體管。與雙極功率晶體管等老技術相比,它們在線性和開關應用中具有許多優勢。這些優勢包括極大改進的開關特性、易于并聯、沒有二次擊穿效應以及更寬的安全工作區(SOA)。MOSFET屬于電壓驅動型跨導器件。構成MOSFET管芯的硅的不同摻雜方式將MOSFET分成兩個技術大類,即平面型和溝槽型,管芯由許多并聯的獨立單元或平面帶組成,并通過網狀柵極連接在一起。
根據中金企信數據,2020年,全球MOSFET市場規模達80.67億美元,2021年在全球尤其是中國5G基礎設施和5G手機、PC及云服務器、電動汽車、新基建等市場推動下,全球MOSFET增速將以比較高速度增長,預計2021年至2025年,MOSFET每年的增速將不低于6.7%,至2025年將達到118.47億美元。目前全球MOSFET市場主要被海外廠商占據,全球前十大廠商主要為歐美或日本企業,中國本土企業中,中國本土成長起來的華潤微電子、聞泰科技收購的安世半導體、士蘭微也能夠躋身。由于應用領域廣泛,MOSFET下游市場整體比較分散,市場可以容納足夠多的公司進行發展。從士蘭微和華潤微可以看到,中國本土企業正在快速成長,市占率不斷提升,未來我們還會看到更多的本土公司成長起來,尤其在細分的高壓領域。
小結
功率半導體應用領域已從單一的工業控制領域擴展到新能源車、發電、變頻家電等諸多領域,在我國雙碳政策下,新能源,新基建以及光伏等領域對功率半導體的需求呈現幾何式的增長。隨著汽車電子零組件增加,功率半導體元件乃至MOSFET的應用也不斷增加,新能源汽車是中國IGBT下游應用領域中最主要的應用領域之一,但我國IGBT行業仍存在巨大供需缺口,“國產替代”將會是IGBT行業未來發展的主道路之一。
審核編輯 :李倩
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原文標題:車規級功率半導體:IGBT和MOSFET是主要產品
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