功率半導(dǎo)體在電動(dòng)汽車市場(chǎng)嶄露頭角

近年來(lái)，隨著電動(dòng)車滲透率的逐步提升，在各類汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品中，功率半導(dǎo)體無(wú)疑是受益最大的領(lǐng)域；其高效能與低損耗特性，為電動(dòng)車的續(xù)航提升與性能優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的硬件支撐。

目前，在電動(dòng)車市場(chǎng)，全球汽車產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷一場(chǎng)深刻的轉(zhuǎn)型。預(yù)計(jì)到2030年，電動(dòng)車的滲透率將顯著提高，功率半導(dǎo)體作為電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)的核心部件，其需求正在以驚人的速度增長(zhǎng)。有數(shù)據(jù)顯示，一輛新能源汽車所需的半導(dǎo)體數(shù)量是傳統(tǒng)燃油車的三倍，而功率半導(dǎo)體的需求更是可達(dá)五至十倍。

其次，這種趨勢(shì)不僅在電動(dòng)汽車上，更對(duì)光伏、風(fēng)能及儲(chǔ)能等新興市場(chǎng)形成了強(qiáng)大推動(dòng)力。與傳統(tǒng)的工業(yè)控制和消費(fèi)電子相比，功率半導(dǎo)體的應(yīng)用場(chǎng)景正迅速向高效負(fù)載和可再生能源領(lǐng)域拓展。

功率半導(dǎo)體發(fā)展規(guī)律周期

與此同時(shí)，功率半導(dǎo)體器件的工作原理基于其內(nèi)部電子和空穴兩種載流子的運(yùn)動(dòng)特性。

常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體器件包括功率二極管、功率晶體管（如BJT、MOSFET、IGBT等）。這些器件通過(guò)控制電壓或電流的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力的高效轉(zhuǎn)換和控制。

功率二極管：基于p-n結(jié)的特性工作，當(dāng)正向偏置電壓施加在p-n結(jié)上時(shí)，電流可以流過(guò)二極管并導(dǎo)通；而當(dāng)反向偏置電壓施加在p-n結(jié)上時(shí)，二極管則處于截止?fàn)顟B(tài)。

功率晶體管：如NPN型和PNP型的BJT晶體管，以及MOSFET和IGBT等。它們通過(guò)控制基極電流或柵極電壓的變化，來(lái)控制集電極和發(fā)射極之間的電流流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制。

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由此可見(jiàn)，相較于MOSFET，IGBT能夠在更高的電壓條件下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，且在應(yīng)用過(guò)程中必須兼顧高功率密度、低損耗、高可靠性、出色的散熱性能以及成本控制等多方面因素。

另外，要制造一塊既高性能又高可靠性，同時(shí)成本較低的IGBT芯片，不僅需要在設(shè)計(jì)階段不斷精進(jìn)器件結(jié)構(gòu)，也對(duì)晶圓制造工藝和封裝技術(shù)提出了更為嚴(yán)格的要求。

然而，多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步正在重塑數(shù)據(jù)中心的電力輸送，電源單元正在從服務(wù)器級(jí)過(guò)渡到專用電源架，以優(yōu)化空間和冗余。在 Open Rack v3 標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下，電力輸送繼續(xù)從 12 Vdc轉(zhuǎn)向 48 Vdc 母線。

人工智能的增長(zhǎng)強(qiáng)化了這一趨勢(shì)，因?yàn)樗鼮楦吖β瘦斔吞峁┝烁鼘?shí)用的解決方案，同時(shí)降低了損耗。電源額定功率從 1-3 kW 增加到 5-12 kW，從而提高了功率密度，而由于數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，效率目標(biāo)已升至 97.5%。

因此，這些轉(zhuǎn)變正推動(dòng)電源轉(zhuǎn)換新拓?fù)涞陌l(fā)展以及新的功率半導(dǎo)體技術(shù)，例如交流/直流轉(zhuǎn)換級(jí)中額定電壓為 400 V 的 SiC 和電源單元中直流/直流轉(zhuǎn)換級(jí)的氮化鎵 (GaN) 的引入。

據(jù) Yole 數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，至 2025 年，全球功率半導(dǎo)體分立器件和模塊的市場(chǎng)規(guī)模將分別達(dá)到 76 億美元和 113 億美元；據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，2023 年中國(guó)大陸地區(qū) IGBT 市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到 290.8 億元，同比增長(zhǎng) 11.6%。

簡(jiǎn)言之，功率半導(dǎo)體應(yīng)用廣闊，幾乎涵蓋所有電子產(chǎn)業(yè)鏈。以 MOSFET、IGBT 以 及 SiC MOSFET 為代表的功率器件需求旺盛。據(jù)性能不同，廣泛應(yīng)用于汽車、充電樁、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、消費(fèi)電子、軌道交通、工業(yè)電機(jī)、儲(chǔ)能、航空航天和軍工等領(lǐng)域。