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。
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、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%。
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。
MOSFET 是功率器件最大市场。MOSFET 在功率器件中占比最高，2018 年全球 MOSFET 市场规模为 59.61 亿美元，占功率器件市场的 39.78%。MOSFET 的优点在于稳定性好，适用于 AC/DC 开关电源、DC/DC 转换器，因此 MOSFET 通常用于计算机、消费电子、汽车和工业等领域。Yole 预测到 2022 年 MOSFET下游应用中，汽车占比为 22%，计算机及存储占比为 19%，工业占比为 14%。
3、IGBT：电力电子行业“CPU”
绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT(双极型三极管）和 MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合式半导体。IGBT 兼具 MOS 和 BJT 的优点，导通原理与 MOSFET 类似，都是通过电压驱动进行导通。IGBT 在克服了 MOSFET 缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点，在高压环境下传导损耗较小。
IGBT 是电机驱动的核心，广泛应用与逆变器、变频器等，在 UPS、开关电源、电车、交流电机等领域，逐步替GTO、GTR 等产品。IGBT 的应用范围一般都在耐压 600V 以上，电流 10A 以上，频率 1KHz 以上的区域。IGBT 固有结构导致其作为高频开关时损耗较大，IGBT 工作频率通常为 40-50KHz。IGBT 的导通与阻断都受电压控制，可以双向导通。
IGBT 应用：IGBT 的应用领域非常广泛，小到家电、数码产品，大到航空航天、高铁等领域，新能源汽车、智能电网等新兴应用也会大量使用 IGBT。按电压需求分类，消费类电子应用的 IGBT 电压通常在 600V 以下，太阳能逆变器需要1200V 的低损耗 IGBT，动车使用的 IGBT 电压在 1700V 至 6500V 之间，智能电网应用的 IGBT 通常为 3300V。
IGBT分为 IGBT 芯片和 IGBT模块，其中 IGBT模块是由 IGBT 芯片封装而来，具有参数优秀、最高电压高、引线电感小的特点，是 IGBT 最常见的应用形式，IGBT模块常用于大电流和大电压环境。根据 ASMC 的数据，2018 年全球 IGBT 芯片市场规模为 11.36 亿美元，IGBT 模块市场规模为 37.61 亿美元，总计 48.97 亿美元，占功率器件市场的 32.68%。
4、功率 IC：功率器件与其他元器件集成，用于小电流环境
功率 IC 通常由功率器件、电源管理芯片和驱动电路集成而来，能承受的电流比较小，能承受大电流的模块一般是 IGBT 集成形成的 IPM 模块。功率 IC 可以分为以下五大类：线性稳压、开关稳压器、 电压基准、开关 IC 和其他功率 IC。
线性稳压器：传统线性稳压器、LDO 稳压器；
开关稳压器：AC-DC 开关稳压器、DC-DC 开关稳压器、隔离开关控制器、非隔离开关控制器；
开关 IC：电压监控器、定序器、开关、热插拔控制器、以太网电源控制器；
电压基准：缓冲放大器、交流放大器；
其他功率管理 IC：以太网供电控制器、功率因数校正控制器、多通道电源管理 IC、多芯片功率级、单芯片功率级、热插拔控制器和其他电源管理 IC。
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，工业、汽车、无线通讯和消费电子是功率半导体的前四大终端市场。根据中商产业研究院的数据，2017 年工业应用市场占全球功率半导体市场的 34%，汽车领域占比为 23%，消费电子占比为 20%，无线通讯占比为 23%。
随着对节能减排的需求日益迫切，功率半导体的应用领域从传统的工业领域和 4C 领域逐步进入新能源、智能电网、轨道交通、变频家电等市场。
受益于工业、电网、新能源汽车和消费电子领域新兴应用不断出现，功率半导 体器件市场规模不断增长。根据 Yole 数据，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 年功率半导体器件市场规模将达到 174.88 亿美元， 复合增长率为 3.96%。
工业领域是功率半导体最大的市场，数控机床、牵引机等电机对功率半导体需求很大，主要使用的功率半导体是 IGBT。随着《中国制造 2025》和“工业 4.0”不断推进，工业的生产制造、仓储、物流等流程改造对电机需求不断扩大，工业功率半导体需求增加。
根据中商产业研究院的数据，2016 年全球工业功率半导体的市场规模为 90 亿美元，受益于工业技术的进步，2020 年全球工业功率半导体的市场规模将达到 125亿美元，复合增长率为 8.56%。
汽车中使用最多的半导体分别是传感器、MCU 和功率半导体。其中 MCU 占比最高，其次是功率半导体，功率半导体主要运用在动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全系统中。
传统汽车中，功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域，新能源汽车普遍采用高压电路，当电池输出高压时，需要频繁进行电压变化，对电压转换电路需求提升，此外还需要大量的 DC-AC 逆变器、变压器、换流器等，这些对 IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量很大。
汽车电机控制系统中需要使用数十个 IGBT，特斯拉后三相交流异步电机每相要用到 28 个 IGBT 总共使用 84 个 IGBT，加上电机其他部位的 IGBT，特斯拉共使用 96 个 IGBT。按照每个 IGBT4-5 美元的价格计算，双电机 IGBT 价格大概在 650 美元左右，如果使用IGBT 模块则为 1200 美元左右。
单辆汽车的功率转换系统主要有：
（1）车载充电机（chargeronboard）
（2）DC/AC系统，给汽车空调系统、车灯系统供电
（3）DC/DC 转换器（300v 到 14v 的转换），给车载小功率电子设备供电
（4）DC/DC converter（300v 转换为 650v）
（5）DC/AC逆变器，给汽车马达电机供电
（6）汽车发电机。
电动汽车将搭载大量新的功率模块，拉动功率半导体快速发展。电动汽车将新增大量与电池能源转换相关的功率半导体器件，功率半导体应用大幅上升。根据麦肯锡统计数据，纯电动汽车的半导体成本为 704 美元，比传统汽车 350 美元高出近1 倍，其中功率半导体的成本为 387 美元，占总成本的 55%.
全球汽车功率半导体市场规模稳步增长。根据中商产业研究院、英飞凌数据，2017年全球汽车功率半导体市场规模为58亿美元，预计到 2020年达到 70 亿美元，复合增长率 6.47%。
通信行业也是功率半导体的一大终端市场，其中通信基站和数据中心等设备需要维持全天供电，供电系统中的逆变器、整流器使用大量的功率半导体。5G 将成为通信功率半导体市场的增长动力，5G 通信带动基站等设备的建设。
（三）氮化镓（GaN）：起步较晚，衬底成本高昂
与碳化硅相比，氮化镓适用于超高频功率器件领域，GaN 器件最高频率超过106 Hz，功率在 1000W 左右，开关速度是 SiC MOSFET 的四倍。SiC 的最高频率在105 Hz 左右，功率约是 GaN 器件的 1000 倍。GaN 定位在高功率、高电压领域，集中在 600V-3300V，中低压集中在 100V-600V，主要应用于雷达、笔记本电源适配器等。
目前全球氮化镓功率器件处于起步阶段，根据 Yole 的数据，2018 年全球氮化镓功率器件市场规模约 4000 万美元，市场规模较小。新能源汽车爆发增长，电网对输电性能要求提高将推动氮化镓功率器件市场快速发展。Yole 预计到 2022 年氮化镓功率器件市场规模将达到 4.5 亿美元。
受制于衬底成本，GaN 发展较慢：GaN 的功率密度、带宽、可靠性和耐高温方面远胜其他材料，缺点在于产品成本很高，不利于大批量生产。GaN 的衬底材料是硅、碳化硅和蓝宝石，碳化硅衬底 GaN 器件性能非常好，但是成本高昂。与硅衬底相比，氮化硅衬底的 GaN 器件成本高 100 倍，衬底处理时间相差 200-300 倍。另一方面，硅晶圆不断向大尺寸扩展，预计硅基 GaN 器件成本将降低 30%-50%。
各厂商加紧布局 GaN 市场：英飞凌在全球 GaN 市场上处于领先地位，公司的CoolGaN 已经可以实现量产。2015 年安森美与 Transphorm 建立合作关系，共同开发及推广基于 GaN 的产品和电源系统方案，两家公司联名推出 600V GaN 级联结构晶体管。美国 EPC 公司是首个推出增强型氮化镓 FET 的公司，可实现对传统MOSFET 的有效替代。2018 年 5 月，公司推出 350V GaN 晶体管 EPC2050，体积是对应硅 MOSFET 尺寸的 1/20，应用领域包括太阳能逆变器、电动车充电器、电机驱动等。意法半导体预计在 2020 年前建立 GaN-on-Si 异质外延生产线。
中国企业积极布局 GaN 领域，中航微电子（已被华润微电子收购）2015 年成功研制出 600V硅基 GaN 器件。GaN 材料厂商有三安光电、士兰微，其中三安光电的 6 寸氮化镓外延片产线已经建成，填补了国内的空白。2017 年 12 月，士兰微投资一条 4/6 英寸兼容先进化合物半导体器件生产线。珠海英诺赛科在这个市场也进展神速。
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