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一文秒懂功率器件,从小白变大神的进阶之路

【导读】功率器件,也被称为电力电子器件,简单来说,就是具有处理高电压、大电流能力的功率型半导体器件。由于早期主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面,因此得名“电力电子器件”。


功率器件,也被称为电力电子器件,简单来说,就是具有处理高电压、大电流能力的功率型半导体器件。由于早期主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面,因此得名“电力电子器件”。

Q:功率处理怎么理解?

A:一般指的是变频、变压、变流、功率管理等电路处理动作。

Q:高电压有多高?大电流有多大?

A:电压处理范围通常为数百伏以上,电流为数十至数千安。

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:功率器件这么多,如何分类?

A:按照导通、关断的受控情况可分为不可控、半控和全控型功率器件;按照载流子导电情况可分为双极型、单极型和复合型功率器件;按照控制信号情况,可以分为电流驱动型和电压驱动型功率器件。

如果想学习功率器件相关知识,有推荐的资料或书籍吗?

细细想来,作为一名“攻城狮”,在初学阶段用的是 Prof. Ned Mohan 写的那本经典的《Power Electronics:Converters, Applications and Design》,其中功率半导体章节不算多,但是写的很细致,细细读完可以掌握几种常见的功率器件基本原理。在此基础上,看了 Prof. Jayant Baliga 的《Fundamentals of PowerSemiconductor Devices》和 Prof. Josef Lutz 的《Semiconductor Power Devices》的稳定性相关部分。小伙伴们,如果有好的书籍可以在留言区分享给我们哦。

功率器件发展史

电子管时代

1904 年英国佛莱明在「爱迪生效应」的基础上研制出了“热离子阀”, 从而催生了世界上第一只电子管,称为佛莱明管(真空二极检波管),世界进入电子管时代。当时的佛莱明管只有检波与整流的作用,性能并不稳定,主要用在通信和无线电领域。

真空管时代

1906 年,为了提高真空二极管检波灵敏度,德·福雷斯特在佛莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网,形成第三个极,从此二极管摇身一变,成为三极真空管,并兼具放大与振荡的功能。

水银整流器时代

1930 年代 -1950 年代是水银整流器迅速发展的 30 年,集聚整流、逆变、周波变流等功用,广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电、直流电动机的传动等领域。

第一代功率器件——半控型晶闸管时代

1947 年,贝尔实验室发明了由多晶锗构成的点触式晶体管,后又在硅材料上得到验证,一场电子技术的革命开始了。

1957 年,美国通用电气公司发明了晶闸管,标志着电力电子技术的诞生,正式进入了以晶闸管为代表的第一代电力电子技术发展阶段。当时的晶闸管主要用于相控电路,工作频率一般低于 400Hz,较水银整流器,具有体积小、可靠性高、节能等优点。但只能控制导通,不能控制关断的半控型特点在直流供电场合的使用显得很鸡肋,必须要加上电感、电容以及其他开关件才能强制换流,从而导致变流装置整机体积增大、效率降低等问题的出现。

第二代功率器件——以 GTO、BJT、MOSFET、IGBT 为代表的全控型功率器件时代

1970 年代,既能控制导通,又能控制关断的全控型功率器件在集成电路技术的发展过程中应运而生,如门极可关断晶闸管 GTO、电力双极型晶体管 BJT、电力场效应晶体管功率 MOSFET 等,其工作频率达到兆赫级,常被应用于直流高频斩波电路、软开关谐振电路、脉宽调制电路等。

到了 1980 年代后期,绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)出现,兼具 MOSFET 输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快和 BJT 通态压降小、载流能力大、耐压高的优点,因此在中低频率、大功率电源中运用广泛。

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各功率器件功率频谱(左)&耐压功率(右)对比图 (图片来源:知乎)

第三代功率器件——宽禁带功率器件

随着以硅材料为基础的功率器件逐渐接近其理论极限值,利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比 Si 和 GaAs 更优异的特性,给功率半导体产业的发展带来了新的生机。

2014 年,美国奥巴马政府连同企业一道投资 1.4 亿美元在 NCSU 成立 TheNext Generation Power Electronics Institute,发展新一代宽禁带电力半导体器件。

相对于 Si 材料,使用宽禁带半导体材料制造新一代的功率器件,可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少功率器件的质量、体积以及生命周期成本,允许设备在更高的温度、电压和频率下工作,使得功率器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。

下面用一图展示一下目前最典型的宽禁带功率器件的 4 个主要参数对比情况,其中:

01. 禁带宽度 Eg 增加

反向漏电减小,工作温度高,抗辐射能力强。

02. 更高的临界电场

导通电阻减小,阻断电压增大。

03. 热导率

高的热导率,代表热阻小,热扩散能力好,功率密度高。

04. 更快的饱和漂移速率

开关速度快,工作效率高。

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功率器件国内外行情

据日本富士经济(Fuji Keizai)2019 年 6 月发布的功率半导体全球市场报告显示,汽车、电气设备、信息和通信设备等领域对下一代功率半导体(SiC 和 GaN)的需求将增加。预计到 2030 年(与 2018 年相比) SiC 成长 10 倍,GaN 翻至 60 倍,Si 增长 45.1%。该机构还指出 SiC 功率半导体市场主要在中国和欧洲扩张,从 2017 年~2018 年,SiC 增长 41.8%至 3.7 亿美元。目前 SiC -SBD(肖特基势垒二极管)占 70%,并且需求增加点主要分布在信息和通信设备领域。6 英寸晶圆的推出使得成本降低,预计将进一步增长。此外 SiC -FET (场效应晶体管)主要在汽车和电气设备领域大大扩展。

另据 Strategy Analytics 预测,到 2026 年,对电力电子元件的需求将占 HEV/EV 动力系统半导体总成本的 50%以上。在 Strategy Analytics 日前发布的“HEV-EV 半导体技术展望:SiC 和 GaN 将发挥何种作用”的报告中显示,提高车载电子的系统效率需要碳化硅(SiC)和氮化镓( GaN)等基础元件,这就为汽车半导体行业未来创造更高的利润率和盈利机会。

功率器件市场整体向好,但纵观整个功率器件市场,却呈现了欧美日厂商三足鼎立的不平衡发展局面。

根据 IHS 的分析,2017 年全球前 10 大厂商清一色为欧美日企业,供应规模占比达到了全球的 60%以上,其中 Infineon(18.5%)、ONSemiconductor(9.2%)、ST(5.3%)分别依次位列前三位。从体量上看欧洲功率器件厂商似乎不占优势,但是以英飞凌为首的几家企业绝对是霸主地位的存在。

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

欧洲: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。

在国际巨头面前,国内本土厂家显得格格不入,以提供二极管、晶闸管、低压 MOSFET 等低端功率半导体器件为主,还处在产业链的末端。

与供给端形成鲜明对比的是国内的需求端。据赛迪顾问数据显示,2016 年,中国功率半导体市场规模达到了 1496 亿元,占据了全球 40%以上的市场。另据 Yole 和中国半导体协会数据显示,2017 年中国大陆功率半导体器件销售额达 2170 亿元人民币,同比增长 3.93%,约占据全球市场份额的 39%,其次才是欧洲地区的 18%;另外,美国和日本的销售额占比差不多,分别为 8%、6%。

再加上中美贸易战等大环境对功率器件价格的影响,功率器件成为了继 MLCC 等被动元件之后的涨价之最。同时,各大厂商交货周期一再延长,并致使主要功率器件原厂 2019 年上半年产能都被预订完。

一文秒懂功率器件,从小白变大神的进阶之路

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2018 年上半年低压(上)、高压(下)MOSFET 交货周期情况 (图片来源:中泰证券研究所)

国际环境不容乐观,中国电子产业难免受到不同程度的影响,这对于本土厂家来说是机会更是挑战,争取早日完成国产替代是他们的使命。

就目前来看,像耕耘于 MOSFET 的华微、扬杰、士兰微,精于 IGBT 的嘉兴斯达、中国中车、比亚迪、士兰微,在 SiC 领域有所建树的北京泰科天润、华天恒芯,国内最早布局 GaN 领域的苏州能讯、苏州晶湛、江苏能华、杭州士兰微、江苏华功半导体等本土企业,在用量最大的 0-40V 低压领域的替代机会最大,同时在 400-6500V 的高压领域开始有了本土企业的声音,但在 40-100V、100-400V 应用较多的中间领域还是一块硬骨头。

全球十大功率器件厂商及产品介绍

Infineon(英飞凌)

Infineon 脱胎于西门子半导体部门,于 1999 年 4 月 1 日在德国慕尼黑正式成立,是欧洲最大的半导体公司,其功率半导体在全球排名第一。其主要功率器件产品包括高度可靠的 IGBT、功率 MOSFET、氮化镓增强型 HEMT、功率分立式元件、保护开关、硅驱动器、氮化镓驱动器、IGBT 模块、智能功率模块(IPM)、线性调节器、电机控制解决方案、LED 驱动器以及各种交流 - 直流、直流 - 交流和数字功率转换等,涵盖了所有功率技术——硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),功率方面覆盖微安级到兆瓦级。

ONSemiconductor(安森美)

ON SemiconductorCorporation 创立于 1999 年,是全球高性能电源解决方案供应商。其主要功率器件产品包括汽车工业 MOSFET、整流器、IGBT,全面的高能效电源和信号管理、逻辑、分立及定制方案阵容,使其在汽车、通信、计算机、消费电子、工业、LED 照明、医疗、军事 / 航空及电源应用领域都有良好的表现。

ST(意法半导体)

ST 集团于 1987 年成立,是由意大利的 SGS 微电子公司和法国 Thomson 半导体公司合并而成,是世界最大的半导体公司之一,也是世界领先的分立功率器件供应商之一。其产品范围包含 MOSFET (包括运用创新的 MDmeshTM 第二代技术的器件)、双极晶体管、IGBT、肖特基与超快速恢复双极工艺二极管、三端双向可控硅开关及保护器件。此外,意法半导体的专利 IPAD(集成有源和无源器件)技术,允许在单个芯片中整合多个有源和无源元件。

Mitsubishi(三菱电机)

Mitsubishi 成立于 1921 年,主营功率器件包括 IGBT、IPM、MOSFET 和 SiC 器件,并在白色家电、工业控制、智能电网、轨道交通、绿色能源、卫星、防御系统、电梯及自动扶梯、汽车用电子用品、空调、通风设备等领域的电力变换和电机控制中得到广泛应用。

Toshiba(东芝)

Toshiba 创立于 1875 年,是日本最大的半导体制造商,隶属于三井集团。东芝的功率器件产品包括广泛的二极管产品组合、双极晶体管、VDSS 为 500~800V 的中高压 DTMOSIV 系列,VSS 为 12~250V 的低电压 UMOS 系列、SiC SBD,以及智能功率器件(IPD)IC,包括 60V 的低电压 IPD、和 250V/500V 的高压 IPD,可分别应用于娱乐、汽车设备,以及家用电器和工业设备等领域。

Vishay(威世)

Vishay 集团成立于 1962 年,是世界上最大的分离式半导体和无源电子器件制造商和供应商之一。其主要产品包括无源和分立有源电子元件,特别是电阻、电容器、感应器、二极管和晶体管。广泛应用于计算机、电话、电视、汽车、家用电器、医疗设备、卫星、军用及航空设备领域。

Fuji Electric(富士电机)

Fuji Electric 成立于 1923 年,是一家以大型电气机器为主产品的日本重电机制造商,主营功率器件包括整流二极管、功率 MOSFET、IGBT、电源控制 IC、SiC 器件等。值得一提的是,富士还是日立的 IGBT 芯片供应商。拥有全世界最多的 IGBT 器件方面的技术专利,总数达 500 件。现在,富士电机的 IGBT 几乎占领了全日本的电动汽车领域。

Renesas(瑞萨)

Renesas 于 2003 年,由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立,是世界十大半导体芯片供应商之一。其主营模拟功率器件包括双极型功率晶体管、功率二极管、功率 MOSFET、晶闸管和 IGBT,广泛应用于汽车、工业、家居、办公自动化、信息通信技术等领域。

Rohm(罗姆)

Rohm 创立于 1958 年,是全球著名半导体厂商之一。其主营功率器件包括晶体管、二极管、IGBT、SiC 功率器件和智能功率模块,其功率器件产品线是小型高可靠性产品阵容的典型代表。

Semikron(赛米控)

Semikron 成立于 1951 年,总部位于德国纽伦堡,是全球领先的功率模块和系统制造商之一。其产品主要涉及中等功率输出范围(约 2 kW 至 10 MW),是现代节能型电机驱动器和工业自动化系统中的核心器件,广泛应用于电源、可再生能源(风能和太阳能发电)和电动车(私家车、厢式货车、公交车、卡车、叉车等)领域。同时,Semikron 也是全球前十大 IGBT 模块供应商,在 1700V 及以下电压等级的消费 IGBT 领域处于优势地位。目前,赛米控在全球二极管和晶闸管半导体模块市场占有 25%的份额。

敢问路在何方?

站在政府和供给端企业角度来说,功率器件领域,欧美日三足鼎立的局面暂时不会改变,而国内市场需求大,本土厂商应援还存在问题,如何尽快地完成国产替代是未来地一场攻坚战,如何打赢?天时地利人和。

站在技术的角度来说,功率器件必将向高功率、高频率、高效率和易驱动方向发展,而后 IGBT 时代的新材料的出现可以加速这一系列目标的实现。

站在需求端企业和工程师个人的角度来说,需求永远都是一样的,那就是性能强大一点、功能完善一点、价格便宜一点、供货周期短一点、服务好一点,权衡这几个因素,那家好用哪家。小伙伴们,你们说呢?

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