功率半导体市技术服务费 科目场规模及发展趋势分析

2019年04月15日 13:01来源:腾讯分分彩手机版

1 驱动世界向更高效、更精密、更清洁的方向发展,功率半导体2022年市场规模可达426亿美元

1.1 功率半导体是电力控制的核心,驱动现代社会的电气化运作

功率半导体,即依托电力电子技术、以功率处理为核心的半导体产业; 与功率半导体这个概念相对应的,则是更为大众所熟知的依托微电子技术、 保持小功率的特点、以信息处理为核心的信息半导体产业。

功率半导体市场规模及发展趋势分析

以手机、电脑这些具体的电子产品为例,信息半导体是这些产品的大脑 和神经,负责感知、运算、操纵等,实现电子产品的设计功能;而功率半导 体则是这些产品的心脏和血脉,负责将合适的电能传输给每一个用电终端。

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而当我们放眼一条完整的从电能产生到电能最终被用电终端应用的电力 传输链时,功率半导体则更类似于一名“厨师”的角色。它负责将发电设备 产生的、电压和频率杂乱不一的粗电“加工”成电压、频率统一的工频电, 再将“加工好”的工频电“烹饪”成拥有不同电压、电流、频率等电能参数 的特定电来满足各个用电终端的不同“口味”。 需要特别注意的是,我们这里提到的用电终端,并不是电脑、手机这些 终端设备,而是指电脑、手机里的传感器、摄像头这类的功能终端。

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功率半导体的“厨师”职能,从本质上来说,是通过利用半导体的单向 导电性实现的电源开关和电力转换的功能。 

电源开关功能,顾名思义,指实现电力传输某一具体环节的导通和关断; 而电力转换功能则是指通过变压、变频、直交流转换等实现特定电的转换, 具体又分为AC-AC、AC-DC、DC-AC、DC-DC四种形式(AC:交流;DC:直流) 。

功率半导体市场规模及发展趋势分析

正是功率半导体这看似简单的电源开关和电力转换功能,通过多样化的 组合方式,实现了“粗电”向“精电”的转换,从而满足了现代生活中复杂 的用电需求。

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因此,我们可以毫不夸张地说,当今世界一切涉及发电、输电、变电、 配电、用电、储电的事宜都离不开功率半导体。

1.2 伴随着社会电气化程度的加深,功率半导体长远追求更高的功率密度与更低的功耗

功率半导体伴随着电力的运用而诞生,自然也就随着社会电气化程度的 加深而发展。而社会电气化程度的提高又主要源于两个方面:应用领域的广 泛化与应用形式的精密化。 应用领域的广泛化一方面是指新型应用的诞生,代表性的应用包括智能 手机、可穿戴设备等;另一方面是指越来越多传统领域的电气化,代表性的 应用比如过去10 年间实现对传统灶具部分替代的电磁炉、未来的电动汽车与 物联网等。 而应用形式的精密化则是指对用电终端的供电,从原来粗犷地向所有用 电终端统一直供,渐渐转化为对每一个用电终端的精确化控制,代表性的产 品比如电源管理芯片、负载开关等。 

自然,社会电气化程度的提高也对功率半导体提出了相应的要求。

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而当这些性能要求具体到性能指标的层面时,则又分为基础指标和功耗 指标。前者是指为了能实现某一特定功能,功率半导体必须满足的指标,比如只有满足一定的工作电压、电流密度、工作频率的功率器件才能驱动电动 汽车的电机实现特定的转速,又比如只有能耐受一定温度的功率半导体才可 以运用到一些特定的航天领域;而后者则是满足了基础指标后,为了实现更 高效的目的,所有功率半导体追求更低功耗所参考的指标。

这些指标中,频率指标需要特别关注,因为频率(反向恢复时间的倒数) 一方面决定直流电转化成交流电的最高频率,另一方面决定了变压器等电气 设备的最小体积,通常来说由功率半导体及配套被动元件组成的电气设备的 体积和重量与供电频率的平方根成反比。

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为了满足越来越高的指标要求,自 1956年美国贝尔实验室发明晶闸管以 来,功率半导体一刻不曾停歇,一直在通过多种方式实现技术演进。

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从功率半导体的发展轨迹来看,高功率、高频率(小型化)与低功耗是 技术演进的方向,但三者的关系有层次之分:不同应用场景对功率的硬性要 求不同,在满足特定功率要求的基础上,新的技术、工艺都在尽量追求小型 化和低功耗。例如新能源汽车等新兴应用市场对高功率半导体的需求巨大, 但GTO等前代功率器件在在体积(重量)、功耗层面性能不足,而以 IGBT 为代表的新型功率器件在保证实现高功率的基础上保持了小型化和相对低功 耗的特点,进而成为主流的高功率器件。 

因此我们认为功率半导体的发展实际上是在满足特定功率的基础上,追 求于更小的体积(重量)和更低的功耗。 

所以功率半导体长远所追求的,是实现自身的低功耗与高功率密度(功 率和体积之比)。而拥有着更低的功耗和更高的功率密度的功率半导体,驱 动着我们的世界向着更高效、更精密的方向发展。

1.3 受益于清洁能源、电动汽车与物联网的发展,预计2022年功率半导体市场规模可达426亿美元

作为一个从1956年发展至今的成熟产业,功率半导体行业每年的市场空 间可以被很容易地拆解成两个方面:折旧带来的替换市场以及电气化程度加 深带来的新增市场。 

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