【導(dǎo)讀】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”。
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(shí)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(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、直流電動機(jī)的傳動等領(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(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 MOSFET 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(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。
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(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 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(jì)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(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(gè)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(jià)格的影響，功率器件成為了繼 MLCC 等被動元件之后的漲價(jià)之最。同時(shí)，各大廠商交貨周期一再延長，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(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(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 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(gè)芯片中整合多個(gè)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(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。現(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(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(shí)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(jiān)戰(zhàn)，如何打贏？天時(shí)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(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)。
站在需求端企業(yè)和工程師個(gè)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(jià)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(gè)因素，那家好用哪家。小伙伴們，你們說呢？
