▌功率半导体是系统应用核心器件，战略地位突出
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。功能半导体包括功率 IC 和功率器件，是系统应用的核心器件，战略地位十分突出。功率半导体具体用途是变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等。从产品种类看，根 据 Yole 统计数据， 2017 年功率半导体最大的细分领域是功率 IC，占比 54%， MOSFET 占比 17%，IGBT 占比 12%，功率二极管/整流桥占比 15%。
▌新兴应用不断涌现，功率半导体市场持续向好
功率半导体的应用领域非常广泛，根据 Yole 数据，2017 年全球功率半导体 市场规模为 327 亿美元，预计到 2022 年达到 426 亿美元，复合增长率为 5.43%，其中，2017 年全球功率半导体器件市场规模为 144.01 亿美元，预计 到 2022 年市场规模将达到 174.88 亿美元，复合增长率为 3.96%。在全球功 率半导体市场中，工业、汽车、无线通讯和消费电子是前四大终端市场，根 据中商产业研究院数据，2017 年工业应用市场是功率半导体最大的市场，占 比 34%，汽车领域占比 23%，消费电子占比 20%，无线通讯占比 23%。我 们认为受益于工业、新能源汽车、通信和消费电子领域新兴应用不断出现， 全球功率半导体市场将会不断向好，规模将会不断扩大。
▌中国是全球最大功率半导体市场，国产替代大势所趋
中国是全球最大的功率半导体消费国，根据 Yole 数据，2017 年中国功率半 导体市场空间占全球比例为 39%。功率半导体厂商以欧美日为主，且大多是 IDM 模式，是 IGBT 和中高压 MOSFET 的主要制造商，占据全球功率半导 体 70%的市场份额，英飞凌、安森美是典型代表；中国大陆以二极管、低压 MOSFET、晶闸管等低端功率半导体为主，目前实力较弱，占据全球 10%的 市场份额，供需缺口很大，国产替代迫在眉睫。目前，国外厂商逐步退出低 压功率半导体领域，国内的龙头企业有望依靠成本优势和技术优势承接这部分市场份额；在高端产品领域，中国中车、比亚迪等企业在高铁、汽车等领 域已经取得了突破。我们认为随着国内汽车电子、工业电子等下游产业日渐 崛起，国内功率半导体市场将迎来更广阔的发展前景，国内企业迎来绝佳的发展良机，国产替代将是大势所趋。
1、 功率半导体是系统应用核心器件，战略地位突出
1.1、 功率半导体是电能转换与电路控制的核心
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。
1.2、 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。
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。
1.2.1、 二极管：最简单的功率器件
二极管是最简单的功率器件，由 P 极和N 极形成 PN 结结构，电流只能从 P 极流向 N 极。二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流单向只能通过。二极管的作用有整流电路、检波电路、稳压电路和各种调制电路。二极管承受的电压和电流较低（锗管导通电压为 0.3V，硅管为 0.7V），电流一般不超过几十毫安，电压和电流过高会导致二极管被击穿。常见的二极管有肖特基二极管、快恢复二极管、 TVS 二极管等。
二极管应用：二极管是最简单的功率器件，由于二极管具有单向导电的特性， 通常用于稳压电路、整流电路、检波电路等。齐纳二极管通常用于稳压电路，在达到反向击穿电压前，齐纳二极管的电阻非常高。达到反向击穿电压时，反向电阻降 低，在这个低阻区中电流增加而电压保持恒定。TVS 二极管常用于电路保护，TVS 管的响应速度很高，当 TVS 管两端经受瞬间高能量冲击时，TVS 能以极高的速度 将高阻抗降为低阻抗，从而吸收大电流，保护电路。
二极管市场规模：整流器由二极管与一些金属堆叠而成，二者在功能上相似， 因此将二极管和整流器合并研究。根据 Yole 的数据，2016 年全球二极管及整流器 市场规模为 33.43 亿美元，其中整流器市场规模为 27.58 亿美元，占比为 82.50%。
1.2.2、 MOSFET：高频开关，功率器件最大市场
金属-氧化物半导体场效应晶体管，可广泛运用于数字电路和模拟电路。
MOSFET 由 P 极、N 极、G 栅极、S 源极和 D 漏级组成。金属栅极与 N 极、P 极之间有一层二氧化硅绝缘层，电阻非常高。不断增加 G 与 S 间的电压至一定程度，绝缘层电阻减小，形成导电沟道，从而控制漏极电流。因此 MOSFET 是通过电压 来控制导通，在 G 与 S 间施加一定电压即可导通，不施加电压则关断，器件通断 完全可控。MOSFET 的优点是开关速度很高，通常在几十纳秒至几百纳秒，开关 损耗很小，通常用于开关电源，缺点是在高压环境下压降很高，随着电压上升电阻变大，传导损耗很高。MOSFET 的导通与阻断都由电压控制，电流可以双向通过。
MOSFET 工作原理：MOSFET 本质上是一个开关，开关的导通和关断完全可控。通过脉宽调制，MOSFET 可以完成变频等功能。假设一个器件前 1 秒输入电压为 100V，后 1 秒MOSFET 关断，这 2 秒内相当于持续输入 50V 的等效电压，这就是脉宽调制的原理。通过控制 MOSFET 导通关断可以改变电压和频率。
