最強(qiáng)科普：功率器件進(jìn)階之路

功率器件，也被稱為電力電子器件，簡單來說，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。

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；按照控制信號情況，可以分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型功率器件。

如果想學(xué)習(xí)功率器件相關(guān)知識，有推薦的資料或書籍嗎？

細(xì)細(xì)想來，作為一名“攻城獅”，在初學(xué)階段用的是Prof. Ned Mohan寫的那本經(jīng)典的《Power Electronics:Converters, Applications and Design》，其中功率半導(dǎo)體章節(jié)不算多，但是寫的很細(xì)致，細(xì)細(xì)讀完可以掌握幾種常見的功率器件基本原理。在此基礎(chǔ)上，看了Prof. Jayant Baliga的《Fundamentals of PowerSemiconductor Devices》和Prof. Josef Lutz的《Semiconductor Power Devices》的穩(wěn)定性相關(guān)部分。小伙伴們，如果有好的書籍可以在留言區(qū)分享給我們哦。

// 功率器件發(fā)展史 //

電子管時代

1904年英國佛萊明在「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)入電子管時代。當(dāng)時的佛萊明管只有檢波與整流的作用，性能并不穩(wěn)定，主要用在通信和無線電領(lǐng)域。

真空管時代

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、直流電動機(jī)的傳動等領(lǐng)域。

第一代功率器件——半控型晶閘管時代

1947年，貝爾實驗室發(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證，一場電子技術(shù)的革命開始了。

1957年，美國通用電氣公司發(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、電力場效應(yīng)晶體管功率MOSFET等，其工作頻率達(dá)到兆赫級，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）對比圖 （圖片來源：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)展帶來了新的生機(jī)。

2014年，美國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個主要參數(shù)對比情況，其中：

01 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)。

02 更高的臨界電場

導(dǎo)通電阻減小，阻斷電壓增大。

03 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。

04 更快的飽和漂移速率

開關(guān)速度快，工作效率高。

圖片來源：360圖書館

// 功率器件國內(nèi)外行情 //

據(jù)日本富士經(jīng)濟(jì)（Fuji Keizai）2019年6月發(fā)布的功率半導(dǎo)體全球市場報告顯示，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)計到2030年(與2018年相比) SiC成長10倍，GaN翻至60倍，Si增長45.1%。該機(jī)構(gòu)還指出SiC功率半導(dǎo)體市場主要在中國和歐洲擴(kuò)張，從2017年~2018年，SiC增長41.8%至3.7億美元。目前SiC -SBD(肖特基勢壘二極管)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)計將進(jìn)一步增長。此外SiC -FET (場效應(yīng)晶體管)主要在汽車和電氣設(shè)備領(lǐng)域大大擴(kuò)展。

另據(jù)Strategy Analytics預(yù)測，到2026年，對電力電子元件的需求將占HEV/EV動力系統(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)未來創(chuàng)造更高的利潤率和盈利機(jī)會。

功率器件市場整體向好，但縱觀整個功率器件市場，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，但是以英飛凌為首的幾家企業(yè)絕對是霸主地位的存在。

美國：TI、Fairchild、Maxim、ADI、ONSemiconductor、Vishay、NS、Linear、IR、AOS、Cree、littlefuse、Diodes Incorporated、IXYS、Microsemi等。

歐洲：Infineon、ST、NXP、Semikron、ABB、Vincotech、Danfoss等。

日本：Toshiba、 Renesas、 Rohm、Matsushita、Fuji Electric、NEC、Ricoh、Sanken、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Mitsubishi等。

在國際巨頭面前，國內(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比的是國內(nèi)的需求端。據(jù)賽迪顧問數(shù)據(jù)顯示，2016年，中國功率半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá)到了1496億元，占據(jù)了全球40%以上的市場。另據(jù)Yole和中國半導(dǎo)體協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2017年中國大陸功率半導(dǎo)體器件銷售額達(dá)2170億元人民幣，同比增長3.93％，約占據(jù)全球市場份額的39％，其次才是歐洲地區(qū)的18％；另外，美國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)境對功率器件價格的影響，功率器件成為了繼MLCC等被動元件之后的漲價之最。同時，各大廠商交貨周期一再延長，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（上）、高壓（下）MOSFET交貨周期情況 （圖片來源：中泰證券研究所）

國際環(huán)境不容樂觀，中國電子產(chǎn)業(yè)難免受到不同程度的影響，這對于本土廠家來說是機(jī)會更是挑戰(zhàn)，爭取早日完成國產(chǎn)替代是他們的使命。

就目前來看，像耕耘于MOSFET的華微、揚(yáng)杰、士蘭微，精于IGBT的嘉興斯達(dá)、中國中車、比亞迪、士蘭微，在SiC領(lǐng)域有所建樹的北京泰科天潤、華天恒芯，國內(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)會最大，同時在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)動器、氮化鎵驅(qū)動器、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到兆瓦級。

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管理、邏輯、分立及定制方案陣容，使其在汽車、通信、計算機(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（集成有源和無源器件）技術(shù)，允許在單個芯片中整合多個有源和無源元件。

Mitsubishi（三菱電機(jī)）

Mitsubishi成立于1921年，主營功率器件包括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)體和無源電子器件制造商和供應(yīng)商之一。其主要產(chǎn)品包括無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)動器和工業(yè)自動化系統(tǒng)中的核心器件，廣泛應(yīng)用于電源、可再生能源（風(fēng)能和太陽能發(fā)電）和電動車（私家車、廂式貨車、公交車、卡車、叉車等）領(lǐng)域。同時，Semikron也是全球前十大 IGBT 模塊供應(yīng)商，在 1700V 及以下電壓等級的消費(fèi) IGBT 領(lǐng)域處于優(yōu)勢地位。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)角度來說，功率器件領(lǐng)域，歐美日三足鼎立的局面暫時不會改變，而國內(nèi)市場需求大，本土廠商應(yīng)援還存在問題，如何盡快地完成國產(chǎn)替代是未來地一場攻堅戰(zhàn)，如何打贏？天時地利人和。

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

站在需求端企業(yè)和工程師個人的角度來說，需求永遠(yuǎn)都是一樣的，那就是性能強(qiáng)大一點(diǎn)、功能完善一點(diǎn)、價格便宜一點(diǎn)、供貨周期短一點(diǎn)、服務(wù)好一點(diǎn)，權(quán)衡這幾個因素，那家好用哪家。小伙伴們，你們說呢？

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