功率器件的進(jìn)階之路

功率器件，也被稱為電力電子器件，簡(jiǎn)單來(lái)說，就是具有處理高電壓、大電流能力的功率型半導(dǎo)體器件。由于早期主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面，因此得名“電力電子器件”。

Q：功率處理怎么理解？

A：一般指的是變頻、變壓、變流、功率管理等電路處理動(dòng)作。

Q：高電壓有多高？大電流有多大？

A：電壓處理范圍通常為數(shù)百伏以上，電流為數(shù)十至數(shù)千安。

Q：典型的功率器件有哪些？

A：Diode、GTR、Thyristor、SCR、GTO、MOSFET 、IGBT、MCT、IGCT、IECT、IPEM、PEBB等，具體信息請(qǐng)繼續(xù)閱讀下一章節(jié)——“功率器件發(fā)展史”。

Q：功率器件這么多，如何分類？

A：按照導(dǎo)通、關(guān)斷的受控情況可分為不可控、半控和全控型功率器件；按照載流子導(dǎo)電情況可分為雙極型、單極型和復(fù)合型功率器件；按照控制信號(hào)情況，可以分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型功率器件。

電子管時(shí)代

1904年英國(guó)佛萊明在「愛迪生效應(yīng)」的基礎(chǔ)上研制出了“熱離子閥”， 從而催生了世界上第一只電子管，稱為佛萊明管（真空二極檢波管），世界進(jìn)入電子管時(shí)代。當(dāng)時(shí)的佛萊明管只有檢波與整流的作用，性能并不穩(wěn)定，主要用在通信和無(wú)線電領(lǐng)域。

真空管時(shí)代1906年，為了提高真空二極管檢波靈敏度，德·福雷斯特在佛萊明的玻璃管內(nèi)添加了柵欄式的金屬網(wǎng)，形成第三個(gè)極，從此二極管搖身一變，成為三極真空管，并兼具放大與振蕩的功能。

水銀整流器時(shí)代1930年代-1950年代是水銀整流器迅速發(fā)展的30年，集聚整流、逆變、周波變流等功用，廣泛應(yīng)用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電、直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)等領(lǐng)域。

第一代功率器件——半控型晶閘管時(shí)代1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了由多晶鍺構(gòu)成的點(diǎn)觸式晶體管，后又在硅材料上得到驗(yàn)證，一場(chǎng)電子技術(shù)的革命開始了。

1957年，美國(guó)通用電氣公司發(fā)明了晶閘管，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，正式進(jìn)入了以晶閘管為代表的第一代電力電子技術(shù)發(fā)展階段。當(dāng)時(shí)的晶閘管主要用于相控電路，工作頻率一般低于400Hz，較水銀整流器，具有體積小、可靠性高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但只能控制導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷的半控型特點(diǎn)在直流供電場(chǎng)合的使用顯得很雞肋，必須要加上電感、電容以及其他開關(guān)件才能強(qiáng)制換流，從而導(dǎo)致變流裝置整機(jī)體積增大、效率降低等問題的出現(xiàn)。

第二代功率器件——以GTO、BJT、MOSFET、IGBT為代表的全控型功率器件時(shí)代1970年代，既能控制導(dǎo)通，又能控制關(guān)斷的全控型功率器件在集成電路技術(shù)的發(fā)展過程中應(yīng)運(yùn)而生，如門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力雙極型晶體管BJT、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率MOSFET等，其工作頻率達(dá)到兆赫級(jí)，常被應(yīng)用于直流高頻斬波電路、軟開關(guān)諧振電路、脈寬調(diào)制電路等。

到了1980年代后期，絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）出現(xiàn)，兼具M(jìn)OSFET輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)，因此在中低頻率、大功率電源中運(yùn)用廣泛。

各功率器件功率頻譜（左）&耐壓功率（右）對(duì)比圖 | 圖源：知乎

第三代功率器件——寬禁帶功率器件

隨著以硅材料為基礎(chǔ)的功率器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造的電力電子器件顯示出比Si和GaAs更優(yōu)異的特性，給功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的生機(jī)。

2014年，美國(guó)奧巴馬政府連同企業(yè)一道投資1.4億美元在NCSU成立TheNext Generation Power Electronics Institute，發(fā)展新一代寬禁帶電力半導(dǎo)體器件。

相對(duì)于Si材料，使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造新一代的功率器件，可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少功率器件的質(zhì)量、體積以及生命周期成本，允許設(shè)備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，使得功率器件使用更少的能量卻可以實(shí)現(xiàn)更高的性能。

下面用一圖展示一下目前最典型的寬禁帶功率器件的4個(gè)主要參數(shù)對(duì)比情況，其中：禁帶寬度Eg增加：反向漏電減小，工作溫度高，抗輻射能力強(qiáng)；更高的臨界電場(chǎng)：導(dǎo)通電阻減小，阻斷電壓增大；熱導(dǎo)率：高的熱導(dǎo)率，代表熱阻小，熱擴(kuò)散能力好，功率密度高；更快的飽和漂移速率：開關(guān)速度快，工作效率高。

功率器件國(guó)內(nèi)外行情據(jù)日本富士經(jīng)濟(jì)（Fuji Keizai）6月發(fā)布的功率半導(dǎo)體全球市場(chǎng)報(bào)告顯示，汽車、電氣設(shè)備、信息和通信設(shè)備等領(lǐng)域?qū)ο乱淮β拾雽?dǎo)體（SiC和GaN）的需求將增加。預(yù)計(jì)到2030年（與2018年相比） SiC成長(zhǎng)10倍，GaN翻至60倍，Si增長(zhǎng)45.1%。該機(jī)構(gòu)還指出SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)主要在中國(guó)和歐洲擴(kuò)張，從2017年~2018年，SiC增長(zhǎng)41.8%至3.7億美元。目前SiC -SBD（肖特基勢(shì)壘二極管）占70%，并且需求增加點(diǎn)主要分布在信息和通信設(shè)備領(lǐng)域。6英寸晶圓的推出使得成本降低，預(yù)計(jì)將進(jìn)一步增長(zhǎng)。此外SiC -FET （場(chǎng)效應(yīng)晶體管）主要在汽車和電氣設(shè)備領(lǐng)域大大擴(kuò)展。

另?yè)?jù)Strategy Analytics預(yù)測(cè)，到2026年，對(duì)電力電子元件的需求將占HEV/EV動(dòng)力系統(tǒng)半導(dǎo)體總成本的50%以上。在Strategy Analytics日前發(fā)布的“HEV-EV半導(dǎo)體技術(shù)展望：SiC和GaN將發(fā)揮何種作用”的報(bào)告中顯示，提高車載電子的系統(tǒng)效率需要碳化硅（SiC）和氮化鎵（ GaN）等基礎(chǔ)元件，這就為汽車半導(dǎo)體行業(yè)未來(lái)創(chuàng)造更高的利潤(rùn)率和盈利機(jī)會(huì)。

功率器件市場(chǎng)整體向好，但縱觀整個(gè)功率器件市場(chǎng)，卻呈現(xiàn)了歐美日廠商三足鼎立的不平衡發(fā)展局面。根據(jù)IHS的分析，2017年全球前10大廠商清一色為歐美日企業(yè)，供應(yīng)規(guī)模占比達(dá)到了全球的60％以上，其中Infineon（18.5％）、ONSemiconductor（9.2％）、ST（5.3％）分別依次位列前三位。從體量上看歐洲功率器件廠商似乎不占優(yōu)勢(shì)，但是以英飛凌為首的幾家企業(yè)絕對(duì)是霸主地位的存在。

美國(guó)：TI、Maxim、ADI、ONSemiconductor、Vishay、AOS、Cree、littelfuse、Diodes Incorporated、IXYS等。歐洲：Infineon、ST、NXP、Semikron、ABB、Vincotech、Danfoss等。日本：Toshiba、 Renesas、 Rohm、Matsushita、Fuji Electric、Ricoh、Sanken、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Mitsubishi等。

在國(guó)際巨頭面前，國(guó)內(nèi)本土廠家顯得格格不入，以提供二極管、晶閘管、低壓MOSFET等低端功率半導(dǎo)體器件為主，還處在產(chǎn)業(yè)鏈的末端。

與供給端形成鮮明對(duì)比的是國(guó)內(nèi)的需求端。據(jù)賽迪顧問數(shù)據(jù)顯示，2016年，中國(guó)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了1496億元，占據(jù)了全球40%以上的市場(chǎng)。另?yè)?jù)Yole和中國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2017年中國(guó)大陸功率半導(dǎo)體器件銷售額達(dá)2170億元人民幣，同比增長(zhǎng)3.93％，約占據(jù)全球市場(chǎng)份額的39％，其次才是歐洲地區(qū)的18％；另外，美國(guó)和日本的銷售額占比差不多，分別為8％、6％。

再加上中美貿(mào)易戰(zhàn)等大環(huán)境對(duì)功率器件價(jià)格的影響，功率器件成為了繼MLCC等被動(dòng)元件之后的漲價(jià)之最。同時(shí)，各大廠商交貨周期一再延長(zhǎng)，并致使主要功率器件原廠2019年上半年產(chǎn)能都被預(yù)訂完。

2018年上半年低壓（左）、高壓（右）MOSFET交貨周期情況 | 圖源：中泰證券研究所 國(guó)際環(huán)境不容樂觀，中國(guó)電子產(chǎn)業(yè)難免受到不同程度的影響，這對(duì)于本土廠家來(lái)說是機(jī)會(huì)更是挑戰(zhàn)，爭(zhēng)取早日完成國(guó)產(chǎn)替代是他們的使命。

就目前來(lái)看，像耕耘于MOSFET的華微、揚(yáng)杰、士蘭微，精于IGBT的嘉興斯達(dá)、中國(guó)中車、比亞迪、士蘭微，在SiC領(lǐng)域有所建樹的北京泰科天潤(rùn)、華天恒芯，國(guó)內(nèi)最早布局GaN領(lǐng)域的蘇州能訊、蘇州晶湛、江蘇能華、杭州士蘭微、江蘇華功半導(dǎo)體等本土企業(yè)，在用量最大的0-40V低壓領(lǐng)域的替代機(jī)會(huì)最大，同時(shí)在400-6500V的高壓領(lǐng)域開始有了本土企業(yè)的聲音，但在40-100V、100-400V應(yīng)用較多的中間領(lǐng)域還是一塊硬骨頭。

全球十大功率器件廠商及經(jīng)典產(chǎn)品介紹

Infineon（英飛凌）Infineon脫胎于西門子半導(dǎo)體部門，于1999年4月1日在德國(guó)慕尼黑正式成立，是歐洲最大的半導(dǎo)體公司，其功率半導(dǎo)體在全球排名第一。其主要功率器件產(chǎn)品包括高度可靠的IGBT、功率 MOSFET、氮化鎵增強(qiáng)型 HEMT、功率分立式元件、保護(hù)開關(guān)、硅驅(qū)動(dòng)器、氮化鎵驅(qū)動(dòng)器、IGBT 模塊、智能功率模塊（IPM）、線性調(diào)節(jié)器、電機(jī)控制解決方案、LED 驅(qū)動(dòng)器以及各種交流-直流、直流-交流和數(shù)字功率轉(zhuǎn)換等，涵蓋了所有功率技術(shù)——硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），功率方面覆蓋微安級(jí)到兆瓦級(jí)。

ONSemiconductor（安森美）ON SemiconductorCorporation創(chuàng)立于1999年，是全球高性能電源解決方案供應(yīng)商。其主要功率器件產(chǎn)品包括汽車工業(yè)MOSFET、整流器、IGBT，全面的高能效電源和信號(hào)管理、邏輯、分立及定制方案陣容，使其在汽車、通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、工業(yè)、LED照明、醫(yī)療、軍事/航空及電源應(yīng)用領(lǐng)域都有良好的表現(xiàn)。

ST（意法半導(dǎo)體）ST集團(tuán)于1987年成立，是由意大利的SGS微電子公司和法國(guó)Thomson半導(dǎo)體公司合并而成，是世界最大的半導(dǎo)體公司之一，也是世界領(lǐng)先的分立功率器件供應(yīng)商之一。其產(chǎn)品范圍包含MOSFET （包括運(yùn)用創(chuàng)新的MDmeshTM第二代技術(shù)的器件）、雙極晶體管、IGBT、肖特基與超快速恢復(fù)雙極工藝二極管、三端雙向可控硅開關(guān)及保護(hù)器件。此外，意法半導(dǎo)體的專利IPAD（集成有源和無(wú)源器件）技術(shù)，允許在單個(gè)芯片中整合多個(gè)有源和無(wú)源元件。

Mitsubishi（三菱電機(jī)）Mitsubishi成立于1921年，主營(yíng)功率器件包括IGBT、IPM、MOSFET和SiC器件，并在白色家電、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)、軌道交通、綠色能源、衛(wèi)星、防御系統(tǒng)、電梯及自動(dòng)扶梯、汽車用電子用品、空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備等領(lǐng)域的電力變換和電機(jī)控制中得到廣泛應(yīng)用。

Toshiba（東芝）Toshiba創(chuàng)立于1875年，是日本最大的半導(dǎo)體制造商，隸屬于三井集團(tuán)。東芝的功率器件產(chǎn)品包括廣泛的二極管產(chǎn)品組合、雙極晶體管、VDSS為500~800V的中高壓DTMOSIV系列，VSS為12~250V的低電壓UMOS系列、SiC SBD，以及智能功率器件（IPD）IC，包括60V的低電壓IPD、和250V/500V的高壓IPD，可分別應(yīng)用于娛樂、汽車設(shè)備，以及家用電器和工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。

Vishay（威世）Vishay集團(tuán)成立于1962年，是世界上最大的分離式半導(dǎo)體和無(wú)源電子器件制造商和供應(yīng)商之一。其主要產(chǎn)品包括無(wú)源和分立有源電子元件，特別是電阻、電容器、感應(yīng)器、二極管和晶體管。廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電話、電視、汽車、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、衛(wèi)星、軍用及航空設(shè)備領(lǐng)域。

Fuji Electric（富士電機(jī)）Fuji Electric成立于1923年，是一家以大型電氣機(jī)器為主產(chǎn)品的日本重電機(jī)制造商，主營(yíng)功率器件包括整流二極管、功率MOSFET、IGBT、電源控制IC、SiC器件等。值得一提的是，富士還是日立的 IGBT 芯片供應(yīng)商。擁有全世界最多的 IGBT 器件方面的技術(shù)專利，總數(shù)達(dá) 500 件?，F(xiàn)在，富士電機(jī)的 IGBT 幾乎占領(lǐng)了全日本的電動(dòng)汽車領(lǐng)域。

Renesas（瑞薩）Renesas于2003年，由日立制作所半導(dǎo)體部門和三菱電機(jī)半導(dǎo)體部門合并成立，是世界十大半導(dǎo)體芯片供應(yīng)商之一。其主營(yíng)模擬功率器件包括雙極型功率晶體管、功率二極管、功率MOSFET、晶閘管和IGBT，廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、家居、辦公自動(dòng)化、信息通信技術(shù)等領(lǐng)域。

Rohm（羅姆）Rohm創(chuàng)立于1958年，是全球著名半導(dǎo)體廠商之一。其主營(yíng)功率器件包括晶體管、二極管、IGBT、SiC功率器件和智能功率模塊，其功率器件產(chǎn)品線是小型高可靠性產(chǎn)品陣容的典型代表。

Semikron（賽米控）Semikron成立于1951年，總部位于德國(guó)紐倫堡，是全球領(lǐng)先的功率模塊和系統(tǒng)制造商之一。其產(chǎn)品主要涉及中等功率輸出范圍（約2 kW至10 MW），是現(xiàn)代節(jié)能型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的核心器件，廣泛應(yīng)用于電源、可再生能源（風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電）和電動(dòng)車（私家車、廂式貨車、公交車、卡車、叉車等）領(lǐng)域。同時(shí)，Semikron也是全球前十大 IGBT 模塊供應(yīng)商，在 1700V 及以下電壓等級(jí)的消費(fèi) IGBT 領(lǐng)域處于優(yōu)勢(shì)地位。目前，賽米控在全球二極管和晶閘管半導(dǎo)體模塊市場(chǎng)占有 25%的份額。

敢問路在何方？站在政府和供給端企業(yè)角度來(lái)說，功率器件領(lǐng)域，歐美日三足鼎立的局面暫時(shí)不會(huì)改變，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求大，本土廠商應(yīng)援還存在問題，如何盡快地完成國(guó)產(chǎn)替代是未來(lái)地一場(chǎng)攻堅(jiān)戰(zhàn)，如何打贏？天時(shí)地利人和。

站在技術(shù)的角度來(lái)說，功率器件必將向高功率、高頻率、高效率和易驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展，而后IGBT時(shí)代的新材料的出現(xiàn)可以加速這一系列目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

審核編輯 ：李倩