經(jīng)濟觀察網(wǎng) 記者 李靖恒 作為新能源汽車、光伏等產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，近年來功率半導(dǎo)體的重要性在明顯提高。

功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，通過利用半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)電源開關(guān)和電力轉(zhuǎn)換。大部分情況下，電能往往無法直接使用，需由功率半導(dǎo)體器件進行功率變換以后才能供設(shè)備使用。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)功率半導(dǎo)體的企業(yè)包括士蘭微（600460.SH）和斯達半導(dǎo)（603290.SH）等。士蘭微董事會秘書辦人士于4月14日告訴記者，從普通的家電到高鐵都會用到功率半導(dǎo)體，不同產(chǎn)品應(yīng)用的功率范圍不一樣。目前功率半導(dǎo)體的主要發(fā)展趨勢之一是耐壓越來越大。

斯達半導(dǎo)在4月9日發(fā)布的2021年年報中表示，隨著世界各國對節(jié)能減排的需求越來越迫切，功率半導(dǎo)體器件已從傳統(tǒng)的工業(yè)控制和4C(通信、計算機、消費電子、汽車)領(lǐng)域邁向新能源、新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、變頻家電等諸多產(chǎn)業(yè)。功率半導(dǎo)體的發(fā)展使得變頻設(shè)備廣泛的應(yīng)用于日常的消費，促進了清潔能源、電力終端消費、以及終端消費電子的產(chǎn)品發(fā)展。

近年來，汽車產(chǎn)業(yè)頻頻傳出“缺芯”的問題。而上述士蘭微人士認為，汽車“缺芯”的問題存在誤解。某些環(huán)節(jié)的芯片在某些時候會出現(xiàn)短暫的供不應(yīng)求，不過這個問題被放大了。

士蘭微2021年年報信息顯示，該公司2021年營業(yè)收入為71.94億元，同比增長68.07%；歸屬于上市公司股東的凈利潤為15.18億元，同比增長2145.25%。而根據(jù)斯達半導(dǎo)的年報，該公司2021年營業(yè)收入約為17.07億元，同比增長 77.22%；歸屬于上市公司股東的凈 3.98億元，同比增長120.49%。

IGBT成為代表性產(chǎn)品 碳化硅材料快速增長

上述士蘭微人士告訴記者，功率半導(dǎo)體的功能可以理解為主要用于調(diào)節(jié)電壓電流。功率半導(dǎo)體應(yīng)用于不同的電子器件，包括從普通的家電到高鐵等。不同器件的功率范圍不一樣，而應(yīng)用于家電的和用于高鐵的屬于不同的級別。

斯達半導(dǎo)也在年報中介紹稱，功率半導(dǎo)體主要用于電力設(shè)備的電能變換和電路控制，是進行電能處理的核心器件，是弱電控制與強電運行間的橋梁,細分產(chǎn)品主要有MOSFET、IGBT、BJT等。（MOSFET：金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管，是高輸入阻抗、電壓控制器件；BJT：雙極型晶體管，是低輸入阻抗、電流控制器件；IGBT：絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT和 MOSFET組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件）

斯達半導(dǎo)表示，IGBT是目前發(fā)展最快的功率半導(dǎo)體器件之一。受益于工業(yè)控制、新能源、新能源汽車等領(lǐng)域的需求大幅增加，中國IGBT市場規(guī)模將持續(xù)增長。到2025年，預(yù)計中國IGBT市場規(guī)模將達到522億人民幣，年復(fù)合增長率達19.11%，是細分市場中發(fā)展最快的半導(dǎo)體功率器件。2021年，IGBT模塊的銷售收入占斯達半導(dǎo)主營業(yè)務(wù)收入的94%以上，是公司的主要產(chǎn)品。

士蘭微人士向記者介紹稱，從形態(tài)上來看，功率半導(dǎo)體有芯片和模塊兩種形態(tài)，模塊是多個芯片和電子器件形成的組合。比如，IGBT是電源的輔助裝置，功耗往往都比較高，用于分配調(diào)節(jié)電壓電流。在新能源汽車中，每個電驅(qū)會用到一個IGBT模塊。

斯達半導(dǎo)則表示，IGBT作為一種新型功率半導(dǎo)體器件，是國際上公認的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動化領(lǐng)域的核心元器件。其作用類似于人類的心臟，能夠根據(jù)裝置中的信號指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現(xiàn)精準調(diào)控的目的。因此，IGBT被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”，廣泛應(yīng)用于新能源、新能源汽車、電機節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子等領(lǐng)域。

功率半導(dǎo)體還應(yīng)用于光伏的逆變器，光伏逆變器的主要功能為將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流 電轉(zhuǎn)化為交流電，并入電網(wǎng)或供負載使用。安信證券分析師馬良在近日的研報中稱，IGBT 廣泛應(yīng)用于光伏逆變器中，占逆變器價值量的20%-30%。以往光伏逆變器中的功率器件一般采用MOSFET，而MOSFET的通態(tài)電阻會隨著電壓的升高而增大，增加開關(guān)損耗，逐漸不適合使用于高壓大容量的系統(tǒng)中。IGBT因其通態(tài)電流大、耐高壓、電壓驅(qū)動等優(yōu)良特性，在中、高壓容量的系統(tǒng)中更具優(yōu)勢，目前已逐漸取代MOSFET作為光伏逆變器和風力發(fā)電逆變器的核心器件。

功率半導(dǎo)體的材料也在發(fā)生變化。根據(jù)斯達半導(dǎo)的介紹，近年來，以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等材料為代表的化合物半導(dǎo)體因其寬禁帶、高臨界擊穿電場等優(yōu)異的性能而備受關(guān)注。其中碳化硅功率器件受下游新能源汽車等行業(yè)需求拉動，市場規(guī)模增長快速。（記者注：禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個重要特征參量，反映了半導(dǎo)體中價電子被束縛強弱程度的一個物理量）

根據(jù)馬良的介紹，碳化硅材料熱導(dǎo)率以及禁帶寬度高于硅材料，采用碳化硅器件可減小逆變器的體積和重量。碳化硅的導(dǎo)熱率是硅的3.3倍，且禁帶寬度為硅的3倍，保證碳化硅可以在更高溫度環(huán)境下工作。半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定其器件的工作溫度，材料禁帶寬度的值越大，器件的工作溫度也就越高。在高達600攝氏度的溫度下，碳化硅器件仍然可以正常工作。硅在175攝氏度左右就無法正常運行，在200攝氏度時會變成導(dǎo)體，而碳化硅直到1000攝氏度左右才發(fā)生這種情況。

斯達半導(dǎo)表示，2021年該公司在機車牽引輔助供電系統(tǒng)、新能源汽車行業(yè)、光伏行業(yè)推出的各類碳化硅模塊得到進一步的推廣應(yīng)用。士蘭微也表示，該公司碳化硅功率器件的中試線已在2021年上半年實現(xiàn)通線。目前，該公司已完成車規(guī)級SiC-MOSFET器件的研發(fā)，正在做全面的可靠性評估，將要送客戶評價并開始量產(chǎn)。士蘭微目前在廈門公司建設(shè)一條6英寸碳化硅功率器件芯片生產(chǎn)線，預(yù)計在2022年三季度實現(xiàn)通線。

缺芯問題被誤解？ 相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)擴張中

自去年以來，汽車產(chǎn)業(yè)頻繁出現(xiàn)“缺芯”消息。而上述士蘭微人士卻向記者表示，大家對汽車缺芯的問題可能有些誤解。

該人士認為，芯片分為很多種類，不同的芯片用于不同的場景和環(huán)節(jié)。可能某些環(huán)節(jié)的芯片在某些時候會出現(xiàn)短暫的供不應(yīng)求，不過這個問題被放大了。而且功率半導(dǎo)體的產(chǎn)線比較復(fù)雜，和普通產(chǎn)品的產(chǎn)線不同，每年產(chǎn)能并不是固定的。

“整個芯片產(chǎn)業(yè)有上萬億元，首先要搞清楚缺的是什么‘芯’。只是泛泛地用‘缺芯’這樣一個詞語來形容目前汽車芯片產(chǎn)業(yè)的狀況其實沒有意義。”該人士表示。

關(guān)于功率半導(dǎo)體的產(chǎn)線，斯達半導(dǎo)在年報中稱，生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要分為芯片和模塊設(shè)計、芯片外協(xié)制造、模塊生產(chǎn)三個階段。比如，在芯片和模塊設(shè)計階段，公司完成IGBT等功率芯片和功率模塊的設(shè)計；在芯片外協(xié)制造階段，公司根據(jù)階段一完成的芯片設(shè)計方案委托第三方晶圓代工廠制造自主研發(fā)的芯片，公司在外協(xié)制造過程中提供芯片設(shè)計圖紙和工藝制作流程，不承擔芯片制造環(huán)節(jié)；在模塊生產(chǎn)階段，公司將單個或多個功率芯片用先進的封裝技術(shù)封裝在一個絕緣外殼內(nèi)。

而相比之下，士蘭微采用的是“設(shè)計制造一體” (IDM)的經(jīng)營模式。士蘭微在年報中表示，作為 IDM 公司，該公司帶有資產(chǎn)相對偏重的特征，在外部經(jīng)濟周期變化的壓力下，也會在一定程度上承受經(jīng)營利潤波動的壓力。但是相對于輕資產(chǎn)型的設(shè)計公司，該公司在特色工藝和產(chǎn)品的研發(fā)上具有更突出的競爭優(yōu)勢，實現(xiàn)了特色工藝技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)的緊密互動，以及集成電路、功率器件、功率模塊、微機電控制系統(tǒng)傳感器、光電器件和化合物芯片的協(xié)同發(fā)展。

根據(jù)斯達半導(dǎo)的年報，2021年該公司生產(chǎn)的應(yīng)用于主電機控制器的車規(guī)級IGBT模塊合計配套超過60萬輛新能源汽車，其中A級及以上車型配套超過15萬輛。同時，該公司的車用空調(diào)、充電樁、電子助力轉(zhuǎn)向等半導(dǎo)體器件份額也有所提高。

“2021年公司生產(chǎn)的應(yīng)用于主電機控制器的車規(guī)級IGBT模塊開始大批量配套海外市場，預(yù)計2022年海外市場份額將會進一步提高。”斯達半導(dǎo)表示。

上述士蘭微人士告訴記者，功率半導(dǎo)體的主要發(fā)展趨勢之一是耐壓越來越高。斯達半導(dǎo)也在年報中表示，2021年該公司在650V、750V以及1200V車規(guī)級IGBT的研發(fā)生產(chǎn)上均有突破。士蘭微在年報中亦表示，2021年該公司自主研發(fā)的第五代IGBT和FRD芯片的電動汽車主電機驅(qū)動模塊，已在國內(nèi)多家客戶通過測試，并已在部分客戶批量供貨。目前公司正在加快汽車級和工業(yè)級功率模塊產(chǎn)能的建設(shè)。（記者注：FRD指快恢復(fù)二極管，是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短特點的半導(dǎo)體二極管）

根據(jù)士蘭微的年報，2021年該公司分立器件（具有單獨功能且功能不能拆分的電子器件，功率半導(dǎo)體屬于分立器件的一類）產(chǎn)品的營業(yè)收入為38.13億元，較上年增長73.08%。分立器件產(chǎn)品中，MOSFET、IGBT、IGBT大功率模塊、肖特基管、穩(wěn)壓管、開關(guān)管、TVS管（瞬態(tài)二極管）、快恢復(fù)管等產(chǎn)品的增長較快。

除了新能源汽車、光伏領(lǐng)域之外，功率半導(dǎo)體還廣泛應(yīng)用于家電中，比如IPM(智能功率模塊)。士蘭微介紹稱，2021年公司IPM模塊的營業(yè)收入突破8.6億元人民幣，較上年增長100%以上。目前，該公司IPM模塊已廣泛應(yīng)用到下游家電及工業(yè)客戶的變頻產(chǎn)品上，包括空調(diào)、冰箱、洗衣機，油煙機、吊扇、家用風扇、工業(yè)風扇、水泵、電梯門機、縫紉機、電動工具，工業(yè)變頻器等。2021年國內(nèi)多家主流的白色家電整機廠商在變頻空調(diào)等家電上使用了超過3800萬顆士蘭微的IPM模塊，較上年增加110%。