證券研究報告電子/行業(yè)深度報告2025年5月28日功率半導體黃金賽道——技術迭代×能源革命×國產替代的三重奏摘要?基于Omdia數(shù)據(jù)，功率分立器件、功率模塊市場規(guī)模由2023年的357億美元，萎縮至2024年的323億美元，近十年年復合增長率為7.14%。廣義口徑下，2024年全球功率器件（含SiC）規(guī)模為530.6億美元，2020-2024年復合增長率為3.55%。隨著第三代半導體材料加速滲透，預計2024-2029年間，全球功率器件有望維持8.43%的年復合增長率至795.3億美元。相對于車規(guī)級功率半導體，功率半導體分立器件及模塊的集中度偏低且較為分散，CR5占比在50%以下。但仍以外企主導，龍頭英飛凌市占率穩(wěn)定在20%左右，國內替代空間相對較大。??中國作為全球最大的功率半導體消費國，貢獻了約40%的功率半導體市場。根據(jù)Omdia及中商產業(yè)研究院預測，2023年國內功率半導體市場規(guī)模約為1519.36億元，2024年預計規(guī)模增長至1752.55億元。新能源車打開IGBT、SiC增長空間，國內車規(guī)級半導體市占率有待提升：根據(jù)S&P

Automative

Semiconductor

Tracker預測，2024年純電BEV市場為1100萬量，預計2030年純電規(guī)模將增長至3200萬量，年復合增長率約為20%。受益于高壓-高功率化、材料迭代、SDV驅動，英飛凌預測，BEV的半導體單車BOM將從2024年的單車1300美元增長至2030年的1,650美元（高端車型或至2,500美元）。中國新能源車出貨量占比持續(xù)攀升，占比超過50%。國內車規(guī)級功率半導體市占率與新能源車銷量產生較大差異，全球車規(guī)級半導體市場規(guī)模由2019年的372億美元增長至2024年683.8億美元。但是，當前車規(guī)級用功率半導體集中度遠高于功率半導體分立器件及模塊。Top3分別為英飛凌、意法半導體、德州儀器，市占率分別為29.20%、20.10%、10.10%。???AI驅動兆瓦級供電需求，800V

HVDC依賴于高性能功率半導體材料：全球算力設備能耗隨人工智能需求爆發(fā)大幅增長。算力設備是能耗和碳排放的重要來源。2024年-2030年，AI芯片將為數(shù)據(jù)中心IT設備負載帶來每年4至9GW的新需求，在數(shù)據(jù)中心新增的全部IT設備負載約占70%。主流AI訓練機柜正從傳統(tǒng)的10–15kW抬升至30kW以上，高端液冷機柜甚至沖向100kW。一套高密度AI服務器機柜僅功率半導體用料就高達1.2–1.5萬美元，包括24只PSU、36塊GPU板、18塊48V母線轉換板、>300顆保護器件等。傳統(tǒng)功率二極管陷入“高耐壓vs低損耗”兩難：在功率MOS器件設計中，擊穿電壓(BV)與特征通態(tài)電阻(???)的關系非常密切，其基本關系式為???

=

5.93

×

10??（??）2.?。高耐壓下抑制漏電流，必須降低半導體摻雜濃度并增厚漂移區(qū)厚度，導致導通電阻和正向壓降顯著升高。碳化硅（SiC）是一種典型的第三代半導體材料，具有相對于硅（Si）顯著更大的帶隙、更高的擊穿場強和熱導率等優(yōu)勢國內市場碳化硅滲透率更快，增長更為可觀：受益于新能源汽車、儲能及其他電力領域應用高速增長，國內6英吋外延片由2019年的3.4萬片增長至2023年的18.8萬片，復合增長率為52.8%，增速高于同期全球6英吋銷量的46.1%。弗若斯特沙利文預測，中國8英吋銷量預計在2028年達到103萬片，2023年至2028年復合增速644.9%，同期全球8英吋碳化硅銷量預計為308.1萬片，8英吋國內市場需求或占據(jù)33.4%的份額，碳化硅外延片整體需求占全球市場份額約40%。??相關公司：我們認為，AI數(shù)據(jù)中心+高功率車載動力平臺有望加速碳化硅快速滲透，國內碳化硅市場份額較大且滲透率高于全球，市場空間及增長可觀，建議關注：揚杰科技（300373.SZ)、三安光電（600703.SH)、新潔能（605111.SH）、天岳先進（688234.SH)、士蘭微（600460.SH）、華潤微（688396.SH）、斯達半導（603290.SH)風險提示：寬禁帶材料主要應用于高壓、高功率場景，主要集中于新能源車、智能電網等領域，下游需求景氣度存在波動；功率半導體生產前期投入成本較高，需實現(xiàn)一定的規(guī)模化；生產設備、材料對外依賴度仍然較高，貿易摩擦或影響產能爬坡；半導體行業(yè)周期性下行；政治、政策不確定性因素及其他宏觀因素目錄一、全球功率半導體市場：第三代半導體材料維持高增長七、超結(SJ-MOS)、IGBT推動功率MOS步入高頻、耐壓、低損耗時代二、全球功率半導體（分立器件及模塊）較為分散，但頭部企業(yè)仍以外企為主八、IGBT≈

BJT+

功率MOS，溝槽型IGBT或成為主流趨勢三、功率半導體正從“單一器件”向“系統(tǒng)級解決方案”演進九、寬禁帶半導體材料成為高壓、大功率、高溫的理想材料四、新能源車打開IGBT、SiC增長空間，國內車規(guī)級半導體市占率有待提升十、SiC襯底的制備過程十一、SiC外延技術五、儲能及AI算力中心建設或成為新型功率半導體“增長曲線”六、傳統(tǒng)功率二極管陷入“高耐壓vs低損耗”兩難十二：相關公司風險提示：寬禁帶材料主要應用于高壓、高功率場景，主要集中于新能源車、智能電網等領域，下游需求景氣度存在波動；功率半導體生產前期投入成本較高，需實現(xiàn)一定的規(guī)模化；生產設備、材料對外依賴度仍然較高，貿易摩擦或影響產能爬坡；半導體行業(yè)周期性下行；政治、政策不確定性因素及其他宏觀因素功率半導體研究圖譜全球功率半導體市場：第三代半導體材料維持高增長??基于Omdia數(shù)據(jù)，2023年功率分立器件、功率模塊市場規(guī)模357億美元，2024年萎縮至323億美元，近十年年復合增長率為7.14%。廣義口徑下，2024年全球功率器件（含SiC）規(guī)模為530.6億美元：2020-2024年復合增長率為3.55%。隨著第三代半導體材料加速滲透，預計2024-2029年間，全球功率器件有望維持8.43%的年復合增長率至795.3億美元。?第三代半導體材料保持高增長：新型寬禁帶材料功率半導體增速較高增速，碳化硅功率器件2020-2024年期間復合增長率為45.4%；根據(jù)Omdia，Yole預測，2024-2029年全球碳化硅功率器件市場或將保持39.9%的復合增長率至136億美元。圖：碳化硅功率器件有望維持年復合增長39.9%至2029年的136億美元圖：2024年全球功率半導體分立器件及功率模塊市場份額萎縮至323億美元數(shù)據(jù)來源：Omdia，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：Yole，金元證券研究所全球功率半導體（分立器件及模塊）較為分散，但頭部企業(yè)仍以外企為主?

2024年全球功率半導體（分立器件及模塊）來看，英飛凌市占率為首位，為20.8%；第二名安森美市占率為9.2%；中國企業(yè)士蘭微市占率為3.3%，較2023年上升0.7pct。比亞迪市占率持續(xù)提升，躍居至全球第七位。?

相對于車規(guī)級功率半導體，功率半導體分立器件及模塊的集中度偏低且較為分散，CR5占比在50%以下。但仍以外企主導，龍頭英飛凌市占率穩(wěn)定在20%左右，國內替代空間相對較大。圖：全球功率半導體（分立器件、模塊）市場集中度偏低，CR5在50%以下圖：全球功率半導體（分立器件、模塊）頭部企業(yè)市占率數(shù)據(jù)來源：Omdia，英飛凌，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：Omdia，英飛凌，金元證券研究所國內是全球最大的功率半導體消費國?

中國作為全球最大的功率半導體消費國，貢獻了約40%的功率半導體市場。根據(jù)Omdia及中商產業(yè)研究院預測，2023年國內功率半導體市場規(guī)模約為1519.36億元，2024年預計規(guī)模增長至1752.55億元。?

從市場結構來看，功率集成電路，包括電源管理芯片、驅動芯片、AC/DC等占比最大；分立器件MOSFET、功率二極管及IGBT占比分別為16.4%、14.8%、12.4%。圖：按類型劃分市場占比圖：中國功率半導體市場規(guī)模數(shù)據(jù)來源：Omdia，中商產業(yè)研究，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：Omdia，中商產業(yè)研究，金元證券研究所功率半導體正從“單一器件”向“系統(tǒng)級解決方案”演進??功率處理包括：變頻、變壓、變流、功率放大、功率管理等。目前以汽車電子、計算機、通信、消費類產品為代表的4C市場占據(jù)了多數(shù)功率半導體的應用市場，高壓橫向功率器件結構的改進又產生了單片功率集成電路市場。計算機、通信和汽車工業(yè)方面應用的功率半導體器件，其耐壓等級在200V以下；電動控制、機器人和動力分配方面應用的功率半導體器件，其耐壓等級超過200V。功率器件的應用是工作頻率的函數(shù)。大功率系統(tǒng)（例如高壓直流輸電配電系統(tǒng)和機車驅動裝置）在相對低的頻率下進行兆瓦級功率控制。隨著工作頻率的增加，對于100W的典型微波器件，其額定功率有所降低圖：功率半導體應用范圍極廣圖：基于額定功率（Y）、工作頻率（X）的功率半導體應用數(shù)據(jù)來源：Yole，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：金元證券研究所功率半導體正從“單一器件”向“系統(tǒng)級解決方案”演進?

功率半導體正從“單一器件”向“系統(tǒng)級解決方案”演進，成為智能終端、能源網絡、工業(yè)系統(tǒng)的“心臟”。?

通過3D

Packaging、Embedded

Die、SoC等封裝、集成技術，將功率模塊封裝或集成至單一芯片，可減少互連損耗、提升功率密度。以英飛凌為例，通過Embedded

Power技術將Mosfet直接嵌入PCB基板，降低電感與熱阻，逐步優(yōu)化其收入結構。通過整合產品組合，為汽車客戶提供一體化解決方案，英飛凌ATV部門自FY2020-FY2024實現(xiàn)24%年復合增長率，其中功率器件仍占較大比重。?

同樣，Navitas提供GaNFast將多種功率分立器件組合到單個GaNIC，以提高速度、效率、可靠性和成本效益。圖：英飛凌通過產品組合提供汽車一體化解決方案，公司實現(xiàn)24%年復合增長率圖：Navitas基于GaN分立器件組合為GaNFast

IC數(shù)據(jù)來源：英飛凌，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：Navitas，金元證券研究所新能源車打開IGBT、SiC增長空間，國內車規(guī)級半導體市占率有待提升?

根據(jù)S&PAutomativeSemiconductorTracker預測，2024年純電BEV市場為1100萬量，預計2030年純電規(guī)模將增長至3200萬量，年復合增長率約為20%。?

受益于高壓-高功率化、材料迭代、SDV（soft

design

vehicle)驅動，英飛凌預測，BEV的半導體單車BOM將從2024年的單車1300美元增長至2030年的1,650美元（高端車型或至2,500美元）。除了驅動系統(tǒng)對高功率需求外，ADAS、舒適性及安全性等同樣推升單車半導體BOM。圖：預計2030年，BEV車規(guī)級半導體BOM將達到1650美元/輛圖：BEV驅動功率半導體演進驅動類別高壓-高功率化材料迭代典型變化對功率器件的具體影響1200VSiCMOSFET、IGBT功率段顯著提升400V→800V、雙/三電機Si→SiC(牽引逆變器)；Si→GaN(22kWOBC)SiC材料需求車身12-48V負載激增、域/區(qū)控SDV增量低壓MOSFET數(shù)量需求數(shù)據(jù)來源：英飛凌，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：金元證券研究所新能源車打開IGBT、SiC增長空間，國內車規(guī)級半導體市占率有待提升??IGBT功率模塊在電機控制器中發(fā)揮了核心作用，直接控制直、交流電的轉換，同時對交流電機進行變頻控制，通過決定驅動系統(tǒng)的扭矩和最大輸出功率來直接影響新能源汽車的加速能力和最高時速，堪稱核心之核“芯”。新能源汽車IGBT成本與車型定位、系統(tǒng)功率需求深度綁定，市場價值分布呈現(xiàn)顯著的結構性差異。從功能模塊來看，主驅電控系統(tǒng)IGBT價值量約1000元，承擔電能轉換核心功能，OBC、空調壓縮機、電子助力轉向等子系統(tǒng)IGBT價值量均低于300元，合計占比約25%-30%。從車型來看，級別越高所搭載的功率模塊越多，價值量越高，A00/A0級新能源汽車IGBT價值量為600-900元，高級車型IGBT價值量為3000-3900元。從銷量結構來看，中低端車型（20萬元下）占比逐步提升。從中國純電動車結構來看，20萬以下車型占比從2020年的66%提升至2024年的68%，其中增量主要來自10-15萬車型。相對而言，IGBT成本較低，中低端車型使用SiC的可能性較低圖：不同車型IGBT價值量圖：我國純電動車銷量結構電控中功率模塊價值量空調IGBT單管單車IGBT價值量不同車級車型電控/模塊方案OBC電子助力轉向A00/A0級EV代步車1個模塊600-900元1200-1500元1600-1900元15萬車型（兩驅車）單電控（1個模塊）1000-1300元一般是四驅（前后各20萬-30萬車型

有一個電機，共2個模

2000-2600元塊）2600-3200元3600-4500元A級及以上前驅+后驅（前驅1個模塊，后驅2個模塊）高級車型3000-3900元約300元，

約100元，SiCMOS管滲透

采用IGBT單約200元，MOS單管也可應用IGBT＞600元，電控采用SiC模塊率逐步提升管/IPM豪華電動（特

SiC模塊（內含48顆斯拉Model3）

SiCMOSFET）4000-5000元900-1000元物流車兩驅（3個模塊）1500-1600元3000-3600元約4200元四驅（6個模塊，前后兩個電控，1個電控3

2700-3000元個模塊）商用車8米大巴車10米大巴車四驅（6個模塊）約3600元數(shù)據(jù)來源：觀研天下，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：觀研天下，金元證券研究所新能源車打開IGBT、SiC增長空間，國內車規(guī)級半導體市占率有待提升??傳統(tǒng)12V車載低壓系統(tǒng)已難以支撐下一代汽車（特別是自動駕駛與區(qū)域E/E架構）對功率的激增需求，必須升級到48V低壓平臺。高功率功能持續(xù)加入自動駕駛等級提高，需要電動助力轉向、線控制動、線控轉向、主動懸架、主動側傾抑制等大量機電執(zhí)行器，這些都屬于kW級負載。功率P

=

??。在固定目標功率下，電壓僅12V時電流過大→線束截面積、重量、銅耗、發(fā)熱都成倍上升，既不經濟也難以滿足安全要求。48V兼顧效率與安全優(yōu)勢。相較12V可將電流減至1/4，顯著降低線束重量、熱損耗，同時仍屬安全低壓范疇（<60

V

DC）。區(qū)域

E/E架構+自動駕駛——要求在車身各區(qū)就近供電，48V母線與ZoneController天然匹配，可縮短布線并提升冗余。?48VMOSFET、SiC高壓DC/DC、智能驅動IC與的市場規(guī)模將隨電動車及L3+自動駕駛同步擴張。圖：電車智能化高功率區(qū)域圖：12V車載低壓系統(tǒng)將不滿足未來需求現(xiàn)有高功率功能

典型功率需求未來高功率功能線控轉向（Steer-by-wire,EPS)后輪轉向(Rear

Wheelsteering)電控制動/線控制動(Brake-by-wire)主動側傾控制(Activerollcontrol)典型功率需求1–2kW車身控制底盤控制約1kW約1kW1–1.5kW1–2kW動力總成控制座艙與高級駕輔合計功率需求約1kW約0.5kW≈3–4kW約3kW主動懸架(Activesuspension)2–3kW中央計算平臺(centralcomputer)1–3kW0.5kW信息娛樂系統(tǒng)合計功率需求≈9–12

kW數(shù)據(jù)來源：英飛凌，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：英飛凌、金元證券研究所新能源車打開IGBT、SiC增長空間，國內車規(guī)級半導體市占率有待提升?

中國新能源車出貨量占比持續(xù)攀升，占比超過50%：國內新能源車出貨量自2022年以來穩(wěn)定在50%以上，2024年單月出貨量接近60%，且持續(xù)上升。?

國內車規(guī)級功率半導體市占率與銷量產生較大差異：受益于全球新能源車滲透率提升且新能源車動力系統(tǒng)對功率半導體及功率IC使用量較傳統(tǒng)燃油車有較大增長，全球車規(guī)級半導體市場規(guī)模由2019年的372億美元增長至2024年683.8億美元。但是，當前車規(guī)級用功率半導體集中度遠高于功率半導體分立器件及模塊。Top3分別為英飛凌、意法半導體、德州儀器，市占率分別為29.20%、20.10%、10.10%。圖：中國新能源車出貨量占比超過50%圖：車規(guī)級功率半導體市占率較為集中數(shù)據(jù)來源：SNEResearch，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：TechInsight，金元證券研究所3C領域催化電源管理芯片需求??消費電子類，如手機、平板催化電源管理芯片需求。一部旗艦智能手機內部通常需要10–15顆PMIC/電源子芯片，每顆集成2-4對功率MOSFET，疊加外圍保護FET，一臺手機就包含20+對低壓MOSFET。隨著智能手機變得越來越先進，對復雜PMIC的需求激增，以支持5G連接、AI處理和高分辨率顯示等功能。這些組件對于管理電池壽命、散熱性能和整體設備效率至關重要，直接影響用戶體驗和設備使用壽命。2023年中國電源管理芯片市場規(guī)模達到約1243億元，近五年年均復合增長率達12.60%。2024年電源管理芯片市場規(guī)模約1452億元。圖：中國電源管理芯片市場規(guī)模圖：功率半導體在3C領域應用終端系統(tǒng)功率器件封裝作用歸屬大類集成式LDMOS、低RDS(on)

溝槽MOSFET(20-40V)構成8-15路Buck/Boost、Load-Switch手機/平板主55nm/40

nmBCD低壓Si

MOSFET板內部，WLCSP雙向功率路徑MOSFET(15-30V)支持2-4

A快充、OTG反向升壓電池充放/保護QFN/DFNQFN/LGAFC-QFN低壓Si

MOSFETGaNFET650VeGaNHEMT（初級）；100

VGaNFET（同步整流）快充適配器(USB-PD

45-240W)高頻LLC

+PFC，>95%效率平板/游戲掌機

6-12V中壓溝槽內部升降壓

SJMOSFET8-10A大電流SoC核心供電低壓Si

MOSFET數(shù)據(jù)來源：Frost&Sullivan，中商產業(yè)研究，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：金元證券研究所儲能及AI算力中心建設或成為新型功率半導體“增長曲線”?儲能變流器（PCS），又稱雙向儲能逆變器，是儲能系統(tǒng)與電網中間實現(xiàn)電能雙向流動的核心部件，用作控制電池的充電和放電過程，進行交直流的變換。在電池儲能系統(tǒng)中成本約占比15%-20%，是電池儲能系統(tǒng)的關鍵核心環(huán)節(jié)。PCS負責在交流電網（380V/480V三相）與直流電池串（650V-1

500V）之間做雙向能量交換。能否把充放電損耗壓到極低、把柜體做得更小更冷，幾乎全看功率器件選型。??儲能變流器中，材料成本占比約93%，其中占比最高的是結構件(約為25%)，其次是IGBT(約為15%)和變壓器、電感器等磁性器件(15%)。SiC在儲能領域或大有可為：PCS目標效率≥98%，SiC的導通電阻和反向恢復損耗遠低于傳統(tǒng)IGBT，可把損耗降低30–50%，減少空調或液冷負擔。KACO基于SiC打造的blueplanetgridsave92.0TL3-S是第一款采用碳化硅（SiC）功率模塊的電池逆變器。SiC的優(yōu)勢體現(xiàn)在高達

98.8%的卓越效率上。圖：電化學儲能系統(tǒng)框架圖：IGBT占PCS材料成本比重較高結構件,25%軟件,

5%PCB,8%集成電路,

10%其他,

22%IGBT,15%變壓器、電感器等,

15%數(shù)據(jù)來源：金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：中研世紀，金元證券研究所儲能及AI算力中心建設或成為新型功率半導體“增長曲線”???全球算力設備能耗隨人工智能需求爆發(fā)大幅增長。算力設備是能耗和碳排放的重要來源。2024年-2030年，AI芯片將為數(shù)據(jù)中心IT設備負載帶來每年4至9GW的新需求，在數(shù)據(jù)中心新增的全部IT設備負載約占70%。降低傳輸損耗是供配電系統(tǒng)的重點方向。數(shù)據(jù)中信傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)組成復雜，包括變壓器、UPS、配電柜等多套設備，同時傳統(tǒng)UPS供電方案電能損耗較大，能效比較低。高效UPS、UPS智能在線模式和電力模塊等節(jié)能技術已經開始規(guī)模化應用。高效率的實現(xiàn)離不開第三代半導體材料的應用。碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導體器件憑借其優(yōu)異的物理特性，正逐步滲透到PSU(電源供應單元)領域。Wolfspeed研究表明，在低負載條件下，1200

V

SiC

MOSFET和1200V

IGBT在相同驅動電流下，SiC

MOSFET的導通損耗僅為IGBT的一半，且通過消除關斷拖尾電流，其開關損耗相比IGBT可降低多達90%。圖：AIDC負載大幅增長，降低傳輸損耗是供配電系統(tǒng)的重點方向圖：相同額定電流下的典型

1200VSiCMOSFET

和

1200VIGBT

的導通損耗和開關損耗的比較數(shù)據(jù)來源：Wolfspeed，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：中國信通院，金元證券研究所儲能及AI算力中心建設或成為新型功率半導體“增長曲線”?

主流AI訓練機柜正從傳統(tǒng)的10–15kW抬升至

30kW以上，高端液冷機柜甚至沖向

100kW。一套高密度AI服務器機柜僅功率半導體用料就高達1.2–1.5萬美元，包括24只PSU、36塊GPU板、18塊48V母線轉換板、>300顆保護器件等。圖：AI訓練機柜及內部功率半導體使用情況數(shù)據(jù)來源：英飛凌，金元證券研究所儲能及AI算力中心建設或成為新型功率半導體“增長曲線”??典型AI服務器的電源鏈可拆解為三段：???AC/DC277V→48V（PSU）DC/DC48

V→12V（母線轉換）DC/DC12

V→0.8-1.8V（POL/VR）傳統(tǒng)方案鏈路總效率僅約85%，使用第三代半導體材料（SiC/GaN)將推升整體系統(tǒng)率。以英飛凌為例，通過GaN

PFC

+

SiC同步整流、80V

OptiMO

6

MOSFETIBC以及高功率密度多相VR，將三段效率分別推高至98%、98%、94%，系統(tǒng)效率提升至約90%。圖：第三代半導體材料能大幅壓降“Grid-to-Core”損失數(shù)據(jù)來源：英飛凌，金元證券研究所AI驅動兆瓦級供電需求，800V

HVDC依賴于高性能功率半導體材料2025.5.

Navitas

+

NVIDIA20Navitas

+兆易創(chuàng)新03Navita宣布其

GaNSaf+

Fast-SiC器件被NVIDIA選為下一代800

V架構關鍵元件，并透露已實現(xiàn)PFC峰值效率99.3%。2025.4.9雙方成立聯(lián)合實驗室，主攻高頻GaN

驅動+MCU“電源控制一體化”，面向AI機房、EV與儲能。在功率器件之外整合主控SoC，以軟硬協(xié)同提升

48V→12VIBC與800V→54V雙向DC-DC的數(shù)字化閉環(huán)效率。AI+高功率半導體02Navitas

8.5kWGaN

2024.1+SiC

PSU

首度亮相1.5以三相PFC+LLC拓撲驗證GaNSafHEMT與Gen-3FastSiCMOSFET的協(xié)同，高功率密度先導48V總線時代2024.11.5Infineon+NVIDIAIntel

Gaudi

3+DellAI

Factory正式官宣

800V供電方案2025.5.202025.5.19Infineon稱與NVIDIA共同開發(fā)業(yè)界首個800

V

AI服務器供電架構，利用Si+SiC+GaN全材料棧。Dell公布“AI

Factory”

方

案

，

引

入Gaudi3

加速卡，單卡TDP高達600W，機箱級功耗直指30

kW。官方白皮書建議1.5

kW以上高效PSU與液冷配套，并引用MPS/Delta的GaN48

V電源鏈作為參考配置，顯示Intel亦在導入寬禁帶方案。AI驅動兆瓦級供電需求，800V

HVDC依賴于高性能功率半導體材料??AI驅動的數(shù)據(jù)中心時代，千瓦級的供電標準早已無法匹配AI模型對能耗的極端需求。以GB200

NVL72機架為例，隨著機架功率逐步逼近兆瓦級別，基于54V直流的傳統(tǒng)配電方式已然陷入瓶頸。54V系統(tǒng)電流過大，需配備龐大的銅母線與電源架。在兆瓦級Kyber計算節(jié)點中，光是電源就可能吞噬整個機架的空間，根本無法留出計算資源的位置。英偉達估算，一座兆瓦級機架若仍采用54V直流架構，其電源設備甚至可能高達64U機架單位，已無法在現(xiàn)實中部署。54V配電鏈通常包含多級AC/DC及DC/DC轉換，層層損耗不僅影響整體效率，還增加了潛在故障點與維護成本。每一次能量轉換都是一個風險點，也讓數(shù)據(jù)中心的可用性與長期穩(wěn)定性大打折扣。從變電站進入數(shù)據(jù)中心的13.8kV交流電在邊界處通過工業(yè)級整流器一次性轉換為800V

HVDC，隨后通過兩根導線直達設備排與IT機架，實現(xiàn)“交流一次轉換，直流全程傳輸”的高度簡化電力流動路徑。全新的800V高壓直流（HVDC）集中供電方式，落地依賴于高性能功率半導體材料的支撐。圖：為什么需要800V

HVDC圖：800

V

HVDC催化SiC/GaN需求數(shù)據(jù)來源：Navitas,

金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：金元證券研究所基于材料分類的功率半導體?

功率半導體的性能很大程度上取決于其制造材料。不同材料具有不同的禁帶寬度、電子遷移率、熱導率等特性，從而決定了器件的電壓、電流、開關速度和工作溫度等關鍵參數(shù)。硅

(Si)基功率半導體?特點：技術最成熟，成本最低，是目前應用最廣泛的功率半導體材料。?優(yōu)勢：制造工藝完善，良品率高，供應鏈穩(wěn)定。?局限：在高頻、高溫、高壓應用中性能受限，開關損耗較大。?主要器件：大部分功率二極管、BJT、MOSFET、IGBT、晶閘管等。寬禁帶(WBG)

半導體材料?碳化硅(SiC)基功率半導體：禁帶寬度約為硅的3倍，臨界擊穿電場約為硅的10倍，熱導率約為硅的3倍。更高的工作電壓、更高的工作溫度、更低的導通損耗、更快的開關速度。主要器件包括：SiC肖特基二極管、SiCMOSFET、SiC結型場效應晶體管(JFET)。?氮化鎵(GaN)基功率半導體：禁帶寬度約為硅的3倍，具有極高的電子遷移率和電子飽和速率。極高的開關頻率（可達MHz級別）、更低的導通電阻、更高的功率密度、更小的器件尺寸。新型功率半導體材料?氧化鎵(Ga?O?)：

具有比SiC和GaN更寬的禁帶寬度，有望在超高壓應用中展現(xiàn)潛力，但目前技術尚不成熟。?金剛石(Diamond)：擁有極致的半導體特性（極寬禁帶、高熱導率、高載流子遷移率），被認為是下一代功率半導體的理想材料之一，但面臨制造工藝和成本等巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)功率二極管陷入“高耐壓vs低損耗”兩難???功率二極管是最基本的功率器件，僅允許電流單向流動，廣泛用于整流、續(xù)流和防倒灌等用途；傳統(tǒng)硅PN結功率二極管通過P型和N型半導體形成結勢壘，正向導通時少數(shù)載流子的注入導致導通壓降通常在0.7-1V以上，且反向恢復過程中因載流子復合產生反向恢復電流，帶來額外的開關損耗肖特基勢壘二極管（SBD）則采用金屬-半導體接觸取代PN結，實現(xiàn)了多數(shù)載流子導通的整流機制；硅肖特基二極管的主要優(yōu)點是正向導通壓降低（0.4-0.5V，遠低于相同電流下硅PN二極管的壓降）以及幾乎“零”反向恢復電流，從而具備極快的開關速度然而，硅肖特基二極管也存在局限。其反向耐壓受限于硅材料較低的禁帶寬度和臨界場強：為在高耐壓下抑制漏電流，必須降低半導體摻雜濃度并增厚漂移區(qū)厚度，導致導通電阻和正向壓降顯著升高。換句話說，若想提高其耐壓能力，則會導致其損耗增大。圖：肖特基二極管具有正向電壓

(?

)

低，開關速度快的特點,但漏電流

(?

)大圖：肖特基二極管高損耗問題??數(shù)據(jù)來源：羅姆,

金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：羅姆,金元證券研究所超結(SJ-MOS)、IGBT推動功率MOS步入高頻、耐壓、低損耗時代?金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）是典型的單極型功率器件，由少數(shù)載流子（多數(shù)載流子）導電，因而具有開關速度快、驅動功耗低的優(yōu)點。功率MOSFET自20世紀80年代進入實用，其工作頻率達到MHz量級，使得開關電源等高頻應用成為可能。硅功率MOSFET一般為N溝道增強型，圖：DMOSFET、UMOSFET、EXTFET結構利用柵極電壓在P型體區(qū)誘導形成N溝道導通電流。MOSFET為電壓驅動器件，柵極驅動簡單且輸入阻抗高；導通時無二極管的恢復問題，因此開關損耗較低，非常適合高頻環(huán)境下的小功率變換器。?在低壓（幾十伏至數(shù)百伏）應用領域，硅MOSFET的導通電阻可以做到很小且開關損耗低，因此在通信電源、計算機VRM、家電逆變等廣泛取代了雙極晶體管。然而對于耐壓較高（>500V）的應用，硅MOSFET的弱點開始顯現(xiàn)：為了承受高電壓，其N-漂移層必須足夠厚且摻雜濃度低，這導致導通電阻隨耐壓呈指數(shù)級上升。高耐壓MOSFET的導通損耗遠高于IGBT等雙極器件，使得MOSFET難以在600V以上電壓應用中競爭。此外，MOSFET的導通壓降隨電流增大接近線性上升（歐姆特性），不像BJT/IGBT那樣在高電流下仍能保持較低壓降。因此，在千伏級高壓大電流場合（例如電動車主逆變器、工業(yè)傳動），傳統(tǒng)硅MOSFET并非最佳選擇。數(shù)據(jù)來源：《功率半導體器件》,

金元證券研究所?在傳統(tǒng)MOS受限于耐壓和導通電阻的平衡，技術層面經歷了“雙擴散+縱向導電”的VDMOS、U型溝槽柵的UMOSFET、以及溝槽加深+底部擴展的EXTFET超結(SJ-MOS)、IGBT推動功率MOS步入高頻、耐壓、低損耗時代??在功率MOS器件設計中，擊穿電壓(BV)與特征通態(tài)電阻(R??)的關系非常密切，其基本關系式為???

=

?.

??

×

????（??）?.?為了解決這對矛盾，一種基于電子科技大學陳星弼院士在美發(fā)明專利的新結構功率MOSFET，打破了傳統(tǒng)功率MOS器件理論極限，被國際上盛譽為“功率MOS器件領域里程碑”的新型功率MOS器件——CoolMOS于1998年問世并很快走向市場。CoolMOS由于采用新耐壓層（陳院士稱為復合緩沖層，Composite

Buffer

Layer）結構（國際上又稱為SuperJunction結構或Multi-RESURF結構或3DRESURF結構等），在幾乎保持功率MOS器件所有優(yōu)點的同時，又有著極低的導通損耗。?超結結構（SJ-MOS）通過交替排列的P/N柱實現(xiàn)三維均勻電場分布，將傳統(tǒng)D-MOS的局部高壓電場（集中在P/N界面）轉化為全域平衡電場，從而突破硅材料耐壓極限，在相同芯片面積下實現(xiàn)更低的導通電阻和更高的電壓承載能力。圖：器件結構及電場密度分布：DMOS

vs

SJ-MOS數(shù)據(jù)來源：東芝,金元證券研究所IGBT

≈BJT+

功率MOS，溝槽型IGBT或成為主流趨勢?

IGBT融合MOSFET與BJT特性：柵極電壓觸發(fā)內部MOSFET導通，圖：BJTvsIGBTvs

單極型功率MOS特性雙極晶體管

(Bipolar)IGBT功率MOSFET（N型)驅動p+集電極向n-漂移區(qū)注入空穴，引發(fā)雙極導電調制，使n-區(qū)電阻降低至傳統(tǒng)MOSFET的1/5-1/10，實現(xiàn)高壓（1200V+）下的低導通壓降（1-3V）。關斷時，柵極電壓移除后，n-區(qū)存儲的載流子需通過復合或抽離消散，產生拖尾電流，導致關斷延遲（約100ns）。IGBT在20kHz以下的中低頻、高壓大電流場景（如電動汽車逆變器）中性能優(yōu)勢顯著，但高頻特性弱于MOSFET。結構載流子類型驅動方式電子&空穴電子&空穴僅電子?

驅動方式

：BJT需持續(xù)基極電流（驅動功耗高），而MOSFET/IGBT僅需容性充放電（驅動電路簡化90%以上）?；鶚O電流控制柵極電壓控制柵極電壓控制?

頻率與耐壓權衡：MOSFET以高頻低損見長，IGBT犧牲速度換取高壓大電流能力，BJT則逐步被替代，僅存于低成本線性領域。安全承載的最大電流值中等較高強低弱導通壓降工作頻率極低約20kHz約20kHz約300kHz?

損耗機制

：BJT/IGBT導通損耗主導（導電調制效應），MOSFET開關損耗占比更高（高頻下尤為明顯）。數(shù)據(jù)來源：金元證券研究所IGBT

≈BJT+

功率MOS，溝槽型IGBT或成為主流趨勢??溝槽柵（TrenchGate）技術是功率器件結構上的一項重大改進，最早應用于低壓功率MOSFET，后來拓展到高壓MOSFET和IGBT中。與傳統(tǒng)平面柵結構相比，溝槽型器件在單位芯片面積上可以實現(xiàn)更高的溝道密度，從而降低導通電阻并增大電流能力溝槽型MOSFET：

傳統(tǒng)平面MOSFET（又稱DMOS結構）的柵極位于芯片表面，通過在P型體區(qū)表面形成水平方向的反型溝道來導通電流。相鄰元胞的P體區(qū)之間存在一定距離，形成“JFET效應”區(qū)域：當MOSFET導通時，電流需通過兩個P區(qū)之間的窄頸區(qū)域，產生額外的電阻和電流擁擠效應。溝槽型MOSFET（溝槽柵MOSFET）則在硅片中垂直刻蝕出溝槽，并在溝槽側壁生長柵氧、填充多晶硅作為柵極。這樣，柵極與P體區(qū)的接觸從平面改為垂直側壁，溝道電流沿溝槽側壁垂直流動到襯底?溝槽型IGBT：

平面柵IGBT的柵極與MOSFET部分類似，也是位于芯片表面控制P型阱表面形成溝道。不過IGBT由于有雙極擴散電流，其平面結構下的JFET效應和載流子分布不均問題也較突出。溝槽型IGBT（Trench

IGBT）通過將柵極置于垂直溝槽中，形成垂直溝道來驅動IGBT的MOSFET單元。這樣一來，每個IGBT元胞的溝道是縱向的，可在芯片內部形成更緊湊的結構。一方面，垂直溝槽使溝道密度大幅提升：相同面積容納的溝道單元更多，意味著導通時允許通過的電流更多，單位面積電流能力提高，相當于降低了單位面積導通電阻圖：平面柵IGBT與

溝槽柵IGBT導通電阻對比（消除JFET）圖：靠近emitter的位置，溝槽型IGBT載流子濃度遠高于平面型IGBT，減小漂移區(qū)電阻???數(shù)據(jù)來源：英飛凌，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：英飛凌，金元證券研究所IGBT

≈BJT+

功率MOS，溝槽型IGBT或成為主流趨勢?

2023年，中國IGBT市場規(guī)模約28億美元，2019年至-2023年復合增長率約12.1%。根據(jù)普益索預測，2024年國內IGBT市場規(guī)模約31億美元，至2029年，IGBT市場增長至48億美元（年復合增長率為9.4%）圖：23年國內IGBT市場約28億美元，24-29年預計年復合增長率達9.4%數(shù)據(jù)來源：尚鼎芯，普益索咨詢，金元證券研究所寬禁帶半導體材料成為高壓、大功率、高溫的理想材料?碳化硅（SiC）是一種典型的第三代半導體材料，具有相對于硅（Si）顯著更大的帶隙、更高的擊穿場強和熱導率等優(yōu)勢。SiC的禁帶寬度約為3.26

eV（4H-SiC，多晶型之一），約為硅的三倍，這帶來本征載流子濃度極低，使器件在高溫下漏電小、耐受更高電場而不擊穿。同時，SiC的臨界擊穿場強可達約3-4

MV/cm，約為硅的10倍；熱導率約為4.9

W/(cm·K)，約為硅的3倍，有利于散熱。這些物理特性使SiC成為高壓、大功率、高溫電子器件的理想材料。圖：第一代、二代、三代半導體特點對比及其應用對比維度第一代半導體第二代半導體第三代（寬禁帶）半導體半導體元素：硅(Si)、鍺(Ge)化合物半導體：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)化合物半導體：氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)材料1.硅儲量豐富且成本低2.應用最廣泛的半導體3.實現(xiàn)真空管到緊湊型電子設備的轉換1.

電子遷移率快（高頻傳輸）2.

直接禁帶特性（光發(fā)射應用）3.

器件尺寸精巧1.強化熱與電子特性2.碳化硅耐熱/耐輻射性優(yōu)于鍺3.節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢1.間接禁帶且遷移率低2.性能提升已達物理極限1.稀有材料成本高（GaAs/InP）2.材料有毒且有害環(huán)境3.制造工藝復雜1.

制造成本高2.

無法全面取代前兩代3.制造工藝復雜（異質/同質外延）不足1.硅制造技術成熟2.接近最優(yōu)工藝水平1.精密外延生長技術2.需兩個制造階段（襯底+外延）1.GaN：異質外延生長（如藍寶石襯底）2.SiC：同質外延生長技術特點毫米波裝置、衛(wèi)星通信、GPS導航、紅外激光、高亮度紅光LED5G通信、物聯(lián)網、電動汽車、智能電網、高性能傳感器應用領域消費電子、電信、光伏、自動化數(shù)據(jù)來源：金元證券研究所碳化硅功率半導體產業(yè)鏈全貌上游中游下游碳化硅原材料碳化硅半導體器件終端應用電動汽車充電基礎設施可再生能源儲能設計制造封測襯底襯底供應商器件制造商人工智能算力中心其他器件制造商可選擇采購襯底并進行內部外延工藝或者直接采購預制外延晶片外延片供應商外延片碳化硅逐步滲透AI+智能電網+eV

TOL，市場規(guī)模持續(xù)擴充?

2024年全球碳化硅半導體器件市場規(guī)模約26億美元，2020-2024年間年復合增長率高達45.4%；其中，2024年電動汽車、充電基礎設施占比較高，分別為74.4%、7.8%。根據(jù)Yole預測，碳化硅器件市場規(guī)模隨著新興行業(yè)（包括AI算力中心、智能電網、eVTOL）的需求，2029年有望達到136億美元，新興行業(yè)年復合增速預計高達56.4%，器件滲透率由2024年的4.7%提升至17.1%。圖：全球碳化硅半導體器件滲透率有望在2029年提升至17.10%圖：全球碳化硅半導體器件年復合增速或達39.9%（2024-2029）數(shù)據(jù)來源：Yole，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：Yole，金元證券研究所碳化硅外延片尺寸從4英吋->6英吋->8英吋?

當前市場主流SiC外延片尺寸為6英吋，8英吋加速滲透：2020-2024年，6英吋外延片銷售額由3億美元增長至8億美元，年復合增長率為29.5%。8英吋市場規(guī)?？焖偬嵘?，2024年8英吋外延片市場規(guī)模提升至3.12億美元，2020-2024年復合增長率186.3%?？紤]8英吋的成本優(yōu)勢，預計2029年8英吋SiC外延片占比將由2024年的26%逐步提升至77.4%，外延片市場規(guī)模提升至58億美元。?

銷量方面，全球碳化硅外延片從2020年24.19萬片增長至2024年的98.99萬片，預計2029年將進一步增長至59.59萬片。其中，2024年6英吋銷量增長至82.28萬片，8英吋銷量13.71萬片。隨著大尺寸技術進一步成熟，預計2029年8英吋碳化硅外延片將增長至378.48萬片，年復合增長率為94.2%。圖：預計2029年8英吋外延片年銷量提升至378萬片圖：8英吋外延片市場銷售額持續(xù)提升，預計29年至77.4%數(shù)據(jù)來源：Yole，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：Yole，金元證券研究所中國或成為碳化硅市場Top1?

國內市場碳化硅增長更為可觀：受益于新能源汽車、儲能及其他電力領域應用高速增長，國內6英吋外延片由2019年的3.4萬片增長至2023年的18.8萬片，復合增長率為52.8%，增速高于同期全球6英吋銷量的46.1%。?

弗若斯特沙利文預測，中國8英吋銷量預計在2028年達到103萬片，2023年至2028年復合增速644.9%，同期全球8英吋碳化硅銷量預計為308.1萬片，8英吋國內市場需求或占據(jù)33.4%的份額，碳化硅外延片整體需求占全球市場份額約40%。圖：2028年國內8英吋碳化硅外延片需求量或達103.2萬片圖：

國內占全球碳化硅市場份額逐步提升，或成為全球最大碳化硅市場數(shù)據(jù)來源：弗若斯特沙利文，金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：弗若斯特沙利文，金元證券研究所碳化硅作為功率半導體材料的性能優(yōu)勢??碳化硅功率半導體器件憑借優(yōu)異的擊穿電壓、熱導率、電子飽和速率及抗輻射能力等特性脫穎而出。與氮化鎵相比，碳化硅在中高壓應用領域具有更廣泛的適用性，在600V以上應用市場中占據(jù)主導地位，市場規(guī)模也更為龐大。近年來，碳化硅功率半導體器件已在多個行業(yè)獲得廣泛應用，并有望在功率半導體行業(yè)的持續(xù)變革中發(fā)揮關鍵作用。相比于傳統(tǒng)晶圓工藝外，碳化硅功率器件較為重要的兩個工藝流程分別為碳化硅襯底的制備和外延圖：SiC材料在擊穿電壓、熱導率、電子飽和速率的相對優(yōu)勢圖：SiC器件生產工藝流程切割、研磨、拋光單晶生長外延熱導率（W/cm·℃）碳化硅晶錠碳化硅外延碳化硅粉末碳化硅襯底高熱阻耐高溫擊穿電場強度（MV/cm)熔點（

???℃

）前道工藝：光刻、刻蝕、沉積…耐高壓高頻率減薄…封測碳化硅功率器件晶圓劃片裸芯片禁帶寬度（eV)電子飽和速率（高抗輻射???cm/s）數(shù)據(jù)來源：金元證券研究所數(shù)據(jù)來源：瀚天天成，金元證券研究所SiC襯底的制備過程?碳化硅單晶在自然界中極為罕見，只能通過人工合成制備。目前，碳化硅襯底的工業(yè)生產主要以

PVT

法為主。該方法需要用高溫和真空使粉末升華，然后通過熱場控制讓組分在種子表面生長，從而得到碳化硅晶體。整個過程在封閉空間內完成，有效監(jiān)控少，變量多，對過程控制精度要求高。?Si+C=碳化硅粉末：

Si

和

C以

1：1的比例合成成

SiC多晶顆粒SiC

粉末是晶體生長的來源，其粒度和純度將直接影響晶體質量特別是在制備半絕緣襯底時，對粉末純度的要求非常高（雜質含量<0.5ppm）????種子層：為晶體生長的基礎，它為晶體生長提供了基本的晶格結構，也是晶體質量的核心原料晶體生長物理蒸汽傳輸（PVT）：原料經過加熱，升華的組分通過蒸汽升華和熱場控制在種子表面再結晶切片：金剛石線鋸或激光切割機用于切割；SiC是一種硬脆材料，硬度僅次于金剛石，因此切片時間長，容易開裂。研磨拋光：將襯底表面加工成納米光滑的鏡面，這是Epi-ready襯底的表面粗糙度和厚度均勻性等，將直接影響外延的質量，進而影響器件的質量。SiC外延技術?

碳化硅（SiC）的外延生長主要通過化學氣相沉積（CVD）技術實現(xiàn)。由于SiC無液相特性，需在氣相中利用單硅烷（SiH?）和丙烷（C?H?）或乙烯（C?H?）作為前驅體，以氫氣或氬氣為載氣，在高溫（1500-1650°C）下進行沉積。?

工藝分為兩步：原位蝕刻（采用純H?或混合氣體在約1650°C下清除襯底表面損傷并形成規(guī)則階梯結構）和主外延生長（精確控制n型或p型摻雜層的厚度與均勻性）。缺陷管理是關鍵挑戰(zhàn)，需結合低缺陷襯底與優(yōu)化工藝以減少晶格缺陷（如位錯、堆垛層錯）對器件性能的影響。圖：化學氣相沉積（CVD）反應器在碳化硅外延生長中的應用圖：外延生長缺陷控制傾斜式感應基座頂蓋難點對策反應腔感應線圈襯底缺陷生長前預刻蝕去除襯底劃傷和亞損傷晶格失配優(yōu)化緩沖層生長速度，降低緩沖層缺陷反應物入口：含硅（SiH?）、碳（C?H?）等前驅體氣體副