功率半導體各品類及下游應用市場空間分析

在功率半導體發(fā)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(yè)和電力系統(tǒng)。20 世紀60-70年代，晶閘管等半導體功率器件快速發(fā)展。20 世紀70 年代末，平面型功率 MOSFET 發(fā)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，超級結(jié) MOSFET 逐步出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)硅基產(chǎn)品的性能限制以滿足大功率和高頻化的應用需求。進入21世紀，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導體材料逐漸嶄露頭角，它們具有高耐壓、高溫工作、低損耗等顯著優(yōu)點。

前文筆者對國內(nèi)12家功率半導體企業(yè)進行了對比分析，本文側(cè)重分析行業(yè)整體規(guī)模，各類細分產(chǎn)品MOSFET、IGBT、 SiC/GaN 等的市場規(guī)模，以及下游應用中增長較快的領(lǐng)域如新能源汽車及充電樁、光伏及逆變器、AI服務器等市場規(guī)模，以便對產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展前景有更深層次的了解。

一、功率半導體分類

1.1、按產(chǎn)品品類

功率半導體按器件集成度可以分為分立器件（含模塊）、功率模塊和功率 IC 三大類。本文側(cè)重分析功率半導體分立器件，按照器件結(jié)構(gòu)劃分，可分為二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT、 SiC/GaN 等，其中以 MOSFET、IGBT、SiC MOSFET 為代表的功率器件需求旺盛。

圖|功率器件分類

來源：與非研究院整理

二、功率半導體市場規(guī)模

根據(jù)世界半導體貿(mào)易統(tǒng)計（WSTS）組織預測，2024 年全球半導體銷售額將增長 13.1%。功率半導體的市場規(guī)模在全球半導體行業(yè)的占比在 8%—10%之間，結(jié)構(gòu)占比保持穩(wěn)定。

2.1、功率半導體全球市場規(guī)模

根據(jù) Omdia 預測，2023年全球功率半導體市場規(guī)模達到503億美元，預計至2024 年市場規(guī)模將增長至 522億美元，2019-2024的年化復合增長率為2.4%。預計2027年市場規(guī)模將達到596億美元，其中功率IC市場占 54.8%，功率分立器件占30.1%， 功率模塊占15.1%。

圖|全球功率半導體市場規(guī)模/億美元

來源：Omdia、與非研究院整理

2.2、功率半導體中國市場規(guī)模

2022年中國功率半導體市場規(guī)模約為1368.86億元，同比增長4.4%。中商產(chǎn)業(yè)研究院預測，2023年中國功率半導體市場規(guī)模增長至1519.36億元，2024年將達1752.55億元。中國功率半導體的市場規(guī)模占全球市場約為 38%，功率半導體作為實現(xiàn)我國電氣化系統(tǒng)自主可控以及節(jié)能環(huán)保的核心零部件，在智能電網(wǎng)、新能源汽車等領(lǐng)域需求量大幅提升。

圖|中國功率半導體市場規(guī)模/億元

來源：Omdia、與非研究院整理

2.3、IGBT市場規(guī)模

IGBT被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”，廣泛應用于電機節(jié)能、軌道交通、新能源汽車等領(lǐng)域。目前在軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)技術(shù)突破，在新能源汽車領(lǐng)域，IGBT是電控系統(tǒng)和直流充電樁的核心器件，我國IGBT產(chǎn)量快速增長。IGBT 從穿通、 非穿通、場截止和平面柵、溝槽柵兩條路徑升級，器件結(jié)構(gòu)升級帶來耐壓、降低損耗和導通電阻性能不斷提升。

中商產(chǎn)業(yè)研究院報告顯示，2022年中國IGBT產(chǎn)量達3058萬只，同比增長26.5%，2023年產(chǎn)量約為3573萬只。中商產(chǎn)業(yè)研究院預測，2024年中國IGBT產(chǎn)量將達到3900萬只。

圖|中國IGBT產(chǎn)量/萬只

來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院、與非研究院整理

根據(jù)WSTS數(shù)據(jù)顯示，2023年全球IGBT市場規(guī)模達到90億美元，預計2026年將達到121億美元；中國是全球IGBT最大的消費市場，2023年中國IGBT市場規(guī)模達32億美元，預計到2026年中國IGBT市場規(guī)模將達到42億美元。

而根據(jù)YOLE數(shù)據(jù)顯示，2022年全球IGBT的市場規(guī)模約為68億美元，受益于新能源汽車、新能源、工業(yè)控制等領(lǐng)域的需求大幅增加，預計2026年全球IGBT市場規(guī)模將達到84億美元。中國是全球最大的IGBT市場，約占全球IGBT市場規(guī)模的40%，預計到2025年中國IGBT市場規(guī)模將達到522億元。

圖|全球IGBT市場規(guī)模/億美元

來源：YOLE、與非研究院整理

圖|中國IGBT市場規(guī)模/億美元

來源：YOLE、與非研究院整理

2.4、MOSFET市場規(guī)模

MOSFET具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好等特性，應用于包括通信、消費電子、汽車電子、工業(yè)控制在內(nèi)的眾多領(lǐng)域。從功率半導體器件結(jié)構(gòu)來看，MOSFET 從平面型、溝槽型、超級結(jié)、屏蔽柵器件結(jié)構(gòu)不斷升級，器件耐壓性和開關(guān)頻率性能大幅提升。

根據(jù)中金企信數(shù)據(jù)，全球MOSFET行業(yè)市場規(guī)模保持穩(wěn)定擴張，市場前景廣闊。2022年全球MOSFET市場規(guī)模達129.6億美元，同比增長14.49%，2023年達133.9億美元。

圖|全球MOSFET市場規(guī)模及預測/億美元

來源：中金企信、與非研究院整理

中國MOSFET行業(yè)市場規(guī)模也保持穩(wěn)定擴張趨勢，增速高于全球市場增速。2022年中國MOSFET市場規(guī)模約為54.0億美元，同比增長15.88%，2023年達56.6億美元。預計2025年中國MOSFET市場規(guī)模將增長至64.7億美元，年化復合增長率為8.5%，增速高于全球市場增速。

圖|中國MOSFET市場規(guī)模及預測/億美元

來源：中金企信、與非研究院整理

2.5、SiC功率半導體全球市場規(guī)模

中商產(chǎn)業(yè)研究院報告顯示，2023年全球SiC功率半導體市場規(guī)模為21.2億美元，受益于新能源汽車及光伏領(lǐng)域需求量的高速增長，預計2024年全球SiC功率半導體市場規(guī)模預計將達26.6億美元。

全球SiC功率半導體市場規(guī)模

來源：Omdia、與非研究院整理

SiC功率半導體應用分類

當前我國已將碳化硅半導體納入重點支持領(lǐng)域，隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的實施，碳化硅半導體將在5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。從下游應用市場占比情況來看，新能源汽車應用占比最大，達到38%；其次是消費類電源，占比為22%；光伏逆變器占據(jù)著15%的份額。

圖|SiC下游應用占比

來源：CASA、與非研究院整理

隨著新能源汽車的發(fā)展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。碳化硅器件在新能源汽車產(chǎn)業(yè)中主要應用在電機控制器（電驅(qū)）、車載充電機OBC、DC/DC變換器以及充電樁，碳化硅器件相比硅基器件有更優(yōu)越的物理性能，體積小，性能優(yōu)越，節(jié)能性強，同時緩解了續(xù)航問題，更適應新能源汽車增加續(xù)航里程、縮短充電時長、提高電池容量、降低車身自重的需求。

2.6、GaN全球市場規(guī)模

氮化鎵是功率半導體行業(yè)傳統(tǒng)硅材料的替代和升級材料，其解決了硅材料在頻率、功率、功耗、熱管理和器件尺寸方面的限制。氮化鎵功率半導體產(chǎn)品具有高頻、低損耗和性價比高等特點，被廣泛采納于智能設(shè)備快充、車規(guī)級充電應用和數(shù)據(jù)中心等多種應用場景。2023年，全球氮化鎵功率半導體市場規(guī)模為17.6億元。

2.7、二極管市場規(guī)模

由于二極管的行業(yè)技術(shù)壁壘較低，市場規(guī)模比較穩(wěn)定，我國份額逐漸增加。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院的統(tǒng)計，2022年全球二極管行業(yè)市場規(guī)模為55.73億美元，與2021年數(shù)據(jù)基本持平。中國的二極管行業(yè)憑借其低成本的優(yōu)勢，在全球市場中的市場份額占比逐年增加，2022年我國二極管行業(yè)市場規(guī)模為23.23億美元，與2021年數(shù)據(jù)基本持平，預計2023年市場規(guī)模為19.57億元，較2022年下降15.76%，降速遠小于全球平均水平。

2.8、晶閘管市場規(guī)模

晶閘管因其大電流大電壓的處理能力，在大功率應用領(lǐng)域仍有優(yōu)勢，作為一種技術(shù)相對成熟的產(chǎn)品，其市場成長性趨于穩(wěn)定。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院的統(tǒng)計和預測，全球晶閘管市場規(guī)模由2017年7.18億美元增至2021 年8.24億美元，2022年全球晶閘管市場規(guī)模達到10.07億美元，2017年到 2022年的年均復合增長率達到5.8%。全球晶閘管市場規(guī)模將從2023年的 8.31億美元增長至2028年的12.42億美元，期間復合增速達5.9%。而中國市場在2021年就以37%的占比成為了全球晶閘管最大的單一市場，從 2019年開始，中國晶閘管的市場規(guī)模開始穩(wěn)定的持續(xù)增長，2017-2022 年的年均復合增長率為7.0%，預計到2023年將增長至27.9億元。

2.9、BJT市場規(guī)模

BJT作為電流控制型分立器件，在消費類電子、網(wǎng)絡(luò)通訊、工業(yè)、安防等領(lǐng)域?qū)Ψ至⑵骷暮皖l率要求愈發(fā)嚴格的背景下，其市場空間正逐步被 MOSFET等元器件取代。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的統(tǒng)計，2022年全球BJT市場規(guī)模達9.32億美元，同比減少9.07%，預計2023年將下降至7.38億美元。2022年中國BJT市場規(guī)模達4.5億美元，同比減少5.46%，預計2023年將下降至3.66億美元。

三、下游應用及市場規(guī)模

根據(jù)電壓、功率、頻率等性能差異，功率半導體適用于不同的場景。其中，IGBT 耐壓高，常用于新能源汽車、風光儲逆變器、智能電網(wǎng)、軌道交通等高壓場景；MOSFET 的高頻特性優(yōu)、成本低，常用于消費電子、工業(yè)、通訊、汽車電子、電動工具等中低功率場景；SiC 具備高耐壓性和高導熱性，在新能源汽車的高電壓平臺和光伏逆變器等領(lǐng)域有望逐步替代 IGBT。相比單管功率分立器件，集成度更高的功率模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠、高集成、高效率，在高壓大電流場景廣泛應用。

3.1、新能源汽車及充電樁

中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2024年1至8月，我國汽車產(chǎn)銷量分別為1867.4萬輛、1876.6萬輛，同比增長2.5%、3%；其中新能源汽車產(chǎn)銷量分別為700.8萬輛、703.7萬輛，同比增長29%、30.9%。

IEA 預計到 2030 年全球新能源汽車銷量超過 4000 萬輛。相應配套的充電基礎(chǔ)設(shè)施也在迅猛增長，IEA 預計到 2030 年充電樁新增裝機量達到 4000 萬個。

圖|中國新能源車銷量/萬輛

來源：iFinD、與非研究院整理

下半年我國汽車市場有望繼續(xù)保持穩(wěn)中向好發(fā)展態(tài)勢，新能源汽車成為引領(lǐng)我國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量，汽車電子需求旺盛，MOSFET 作為汽車功率器件中的重要組成部分，亦將迎來廣闊的應用空間。

根據(jù) Strategy Analytics 分析，傳統(tǒng)燃料汽車中功率半導體芯片的占比僅為 21.0%，而純電動汽車中功率半導體芯片的占比高達 55%。新增需求主要來自：逆變器中的 IGBT 模塊、DC/DC 中的高壓 MOSFET、輔助電器中的 IGBT 分立器件、OBC 中的超級結(jié) MOSFET。功率半導體是新能源汽車價值量提升最多的部分，需求端主要為 IGBT、MOSFET 及多個 IGBT 集成的 IPM 模塊等產(chǎn)品。

圖|新能源乘用車功率模塊廠商分布情況

來源：NE 時代、與非研究院整理

NE 時代統(tǒng)計，2023 年 1-8 月我國新能源乘用車功率模塊國產(chǎn)供應占比超過 59%。其中，比亞迪半導體搭載功率模塊 163 萬套（占比 31.2%），時代電氣搭載功率模塊 54.6 萬套（占比 10.5%），斯達半導搭載功率模塊 38 萬套（占 比 7.3%），士蘭微搭載功率模塊 26.2 萬套（占比 5.0%），中芯紹能搭載功率模塊 24.0 萬套（占比 4.6%）。隨著國產(chǎn)功率模塊搭載量的大幅提升，國產(chǎn)功率模塊在全球新能源汽車市場份額達到 37%，占據(jù)一席之地。

充電樁

充電樁是推動汽車電動化的基礎(chǔ)設(shè)施，新能源汽車的高速增長的態(tài)勢，也帶動充電樁產(chǎn)業(yè)步 入快速發(fā)展期，全國各地充電樁建設(shè)正在提速。2024 年全國計劃新增公路服務區(qū)充電樁 3,000 個、充電停車位 5,000 個。適合公路場景的“超快充、大功率”充電設(shè)施成為發(fā)展方向，對充電樁的功率密度、電能轉(zhuǎn)換效率、工作溫度、可靠性提出更高要求。從直流充電樁相關(guān)零部件分解可以看出，充電機是充電樁的最核心部件，成本占充電樁的 50% 以上，而功率半導體是充電機的最核心組成部分，成本占充電機的一半以上。

圖|中國充電樁數(shù)量/百萬個

來源：iFinD、與非研究院整理

3.2、AI算力服務器及數(shù)據(jù)中心

國內(nèi)外廠商加速布局千億級參數(shù)量的大模型，訓練需求及推理需求高速增長，共同驅(qū)動算力革命，并助推 AI 服務器市場及出貨量高速增長。據(jù) IDC 與浪潮信息的數(shù)據(jù)顯示，2023 年全球 AI 服務器市場規(guī)模為 211 億美元，預計 2026 年達 347 億美元，5 年 CAGR 達到 17.3%；預計 2025 年中國 AI 服務器市場規(guī)模達到 103.4 億美元。

以SGT MOSFET、SJ MOSFET、GateDriver、Dr MOS 為代表的功率半導體在服務器電源供 電、CPU/GPU 主板供電、同步整流、PFC、LLC、散熱等服務器重要部件中有廣泛應用。目前國產(chǎn)服務器廠商在全球市場份額占比超 35%，其市場規(guī)模及占有率的提升給中高端國產(chǎn)功率器件帶來廣闊空間。

3.3、光伏市場

在光伏發(fā)電應用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。

圖|光伏發(fā)電原理圖

來源：金蘭功率半導體官網(wǎng)

根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，2024 年上半年，光伏新增裝機 102.48GW。其中，集中式光伏新增裝機 49.6GW；工商業(yè)新增裝機 37.03GW；戶用光伏新增裝機 15.85GW。預計2024年全國風電新投產(chǎn)規(guī)模達到90GW，比上年增長16.5%，太陽能新投產(chǎn)規(guī)模達到240GW，比上年增長8.8%，連續(xù)兩年突破200GW。

IEA估算，預計到 2030 年，全球光伏新增裝機量將達到 4200GW，風電新增裝機量將達到 2400GW。

圖|太陽能光伏裝機量/萬千瓦

來源：iFinD、與非研究院整理

光伏逆變器

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，逆變器的作用是將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為滿足電網(wǎng)要 求的交流電，是光伏系統(tǒng)中重要的平衡系統(tǒng)部件之一。全球光伏逆變器出貨量靠前的企業(yè)均為中國企業(yè)，占全球光伏逆變器總出貨量的大部分，且呈現(xiàn)向頭部集中的趨勢。

根據(jù)中國海關(guān)總署數(shù)據(jù)顯示，2024 年 1-6 月我國光伏逆變器累計出口 40.11 億美元，同比下降 34.76%。與此同時，逆變器出口自今年 2 月以來連續(xù) 4 月環(huán)比提升，6 月我國逆變器出口金額 9.18 億美元，為近 12 個月最高水平，同、環(huán)比分別增長-4%、18%。歐洲仍是主要需求地區(qū)，去庫進入尾聲，亞、非、拉等新興市場表現(xiàn)亮眼。

圖|光伏逆變器出口額/億美元

來源：iFinD、與非研究院整理

IGBT 器件及模塊、中高壓 MOSFET、碳化硅等功率器件是光伏逆變器的核心零部件，在逆

變器中承擔著功率變換和能量傳輸?shù)淖饔?，決定著光伏逆變器的性能高低，直接影響光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性、發(fā)電效率以及使用壽命，是逆變器的心臟，其市場規(guī)模將隨下游裝機量增加同步增長。

IGBT 單管及模塊占光伏逆變器價值量的 15%至 20%，不同的光伏電站需要的 IGBT 產(chǎn)品略有不同，如集中式光伏主要采用 IGBT 模塊，而分布式光伏主要采用 IGBT 單管或模塊。

使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 與碳化硅 SBD 結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從 96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升 50 倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢。

3.5、工控自動化、泛消費及其他市場

在工業(yè)生產(chǎn)中，功率半導體在變頻器、工業(yè)電源、電機控制等應用中扮演著核心角色，可以 精確控制電機的速度和扭矩，從而實現(xiàn)節(jié)能和提升效率。通過使用 IGBT 和 MOSFET 等功率半導體組件，這些應用不僅提高了能源使用效率，而且還優(yōu)化了運行性能。

功率半導體也廣泛應用于各種消費電子產(chǎn)品中，比如電源適配器、電源供應器和 LED 照明系統(tǒng)。在家庭中，從微波爐到電磁爐，再到洗衣機等各種家用電器，都需要依賴功率半導體來控制電力的使用，控制和轉(zhuǎn)換電力，以滿足這些設(shè)備對電能的精確要求，而且能夠提高能效和減少待機能耗。根據(jù) TrendForce 統(tǒng)計，全球功率半導體下游應用中，工業(yè)占比 35%，消費電子占比 19%，其巨大市場規(guī)模成為功率半導體穩(wěn)定的基本盤。

除上述應用外，功率半導體在無人機、安防、醫(yī)療設(shè)備、鋰電保護、5G 通信、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域均有大量應用，市場規(guī)模將隨經(jīng)濟發(fā)展、技術(shù)迭代、新應用普及等因素而穩(wěn)步提升。

四、總結(jié)

通過以上分析，我們對功率半導體各個細分產(chǎn)品在全球和國內(nèi)市場規(guī)模有了大致的了解，IGBT、MOSFET產(chǎn)品依然是主力，第三代半導體SiC和GaN發(fā)現(xiàn)迅速。各類產(chǎn)品在新能源車及充電樁、光伏及逆變器、AI服務器等新興領(lǐng)域未來發(fā)展空間廣闊，未來國產(chǎn)功率半導體會迎來更加廣闊的發(fā)展前景和替代空間。