【導讀】功率器件，也被稱(chēng)為電力電子器件，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是具有處理高電壓、大電流能力的功率型半導體器件。由于早期主要用于電力設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(chēng)為電力電子器件，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是具有處理高電壓、大電流能力的功率型半導體器件。由于早期主要用于電力設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百伏以上，電流為數十至數千安。
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(lèi)？
A:按照導通、關(guān)斷的受控情況可分為不可控、半控和全控型功率器件；按照載流子導電情況可分為雙極型、單極型和復合型功率器件；按照控制信號情況，可以分為電流驅動(dòng)型和電壓驅動(dòng)型功率器件。
如果想學(xué)習功率器件相關(guān)知識，有推薦的資料或書(shū)籍嗎？
細細想來(lái)，作為一名“攻城獅”，在初學(xué)階段用的是 Prof. Ned Mohan 寫(xiě)的那本經(jīng)典的《Power Electronics:Converters, Applications and Design》，其中功率半導體章節不算多，但是寫(xiě)的很細致，細細讀完可以掌握幾種常見(jiàn)的功率器件基本原理。在此基礎上，看了 Prof. Jayant Baliga 的《Fundamentals of PowerSemiconductor Devices》和 Prof. Josef Lutz 的《Semiconductor Power Devices》的穩定性相關(guān)部分。小伙伴們，如果有好的書(shū)籍可以在留言區分享給我們哦。
功率器件發(fā)展史
電子管時(shí)代
1904 年英國佛萊明在「愛(ài)迪生效應」的基礎上研制出了“熱離子閥”， 從而催生了世界上第一只電子管，稱(chēng)為佛萊明管（真空二極檢波管），世界進(jìn)入電子管時(shí)代。當時(shí)的佛萊明管只有檢波與整流的作用，性能并不穩定，主要用在通信和無(wú)線(xiàn)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，廣泛應用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電、直流電動(dòng)機的傳動(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)驗室發(fā)明了由多晶鍺構成的點(diǎn)觸式晶體管，后又在硅材料上得到驗證，一場(chǎng)電子技術(shù)的革命開(kāi)始了。
1957 年，美國通用電氣公司發(fā)明了晶閘管，標志著(zhù)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、節能等優(yōu)點(diǎn)。但只能控制導通，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(kāi)關(guān)件才能強制換流，從而導致變流裝置整機體積增大、效率降低等問(wèn)題的出現。
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(guò)程中應運而生，如門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 GTO、電力雙極型晶體管 BJT、電力場(chǎng)效應晶體管功率 MOSFET 等，其工作頻率達到兆赫級，常被應用于直流高頻斬波電路、軟開(kāi)關(guān)諧振電路、脈寬調制電路等。
到了 1980 年代后期，絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）出現，兼具 MOSFET 輸入阻抗高、驅動(dòng)功率小、開(kāi)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、大功率電源中運用廣泛。
各功率器件功率頻譜（左）&耐壓功率（右）對比圖 （圖片來(lái)源：知乎）
第三代功率器件——寬禁帶功率器件
隨著(zhù)以硅材料為基礎的功率器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導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，給功率半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的生機。
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體器件。
相對于 Si 材料，使用寬禁帶半導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。
02. 更高的臨界電場(chǎng)
導通電阻減小，阻斷電壓增大。
03. 熱導率
高的熱導率，代表熱阻小，熱擴散能力好，功率密度高。
04. 更快的飽和漂移速率
開(kāi)關(guān)速度快，工作效率高。
功率器件國內外行情
據日本富士經(jīng)濟（Fuji Keizai）2019 年 6 月發(fā)布的功率半導體全球市場(chǎng)報告顯示，汽車(chē)、電氣設備、信息和通信設備等領(lǐng)域對下一代功率半導體(SiC 和 GaN)的需求將增加。預計到 2030 年(與 2018 年相比) SiC 成長(cháng) 10 倍，GaN 翻至 60 倍，Si 增長(cháng) 45.1%。該機構還指出 SiC 功率半導體市場(chǎng)主要在中國和歐洲擴張，從 2017 年~2018 年，SiC 增長(cháng) 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備領(lǐng)域。6 英寸晶圓的推出使得成本降低，預計將進(jìn)一步增長(cháng)。此外 SiC -FET (場(chǎng)效應晶體管)主要在汽車(chē)和電氣設備領(lǐng)域大大擴展。
另?yè)?Strategy Analytics 預測，到 2026 年，對電力電子元件的需求將占 HEV/EV 動(dòng)力系統半導體總成本的 50%以上。在 Strategy Analytics 日前發(fā)布的“HEV-EV 半導體技術(shù)展望：SiC 和 GaN 將發(fā)揮何種作用”的報告中顯示，提高車(chē)載電子的系統效率需要碳化硅(SiC)和氮化鎵( GaN)等基礎元件，這就為汽車(chē)半導體行業(yè)未來(lái)創(chuàng )造更高的利潤率和盈利機會(huì )。
功率器件市場(chǎng)整體向好，但縱觀(guān)整個(gè)功率器件市場(chǎng)，卻呈現了歐美日廠(chǎng)商三足鼎立的不平衡發(fā)展局面。
根據 IHS 的分析，2017 年全球前 10 大廠(chǎng)商清一色為歐美日企業(yè)，供應規模占比達到了全球的 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(chǎng)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，國內本土廠(chǎng)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的需求端。據賽迪顧問(wèn)數據顯示，2016 年，中國功率半導體市場(chǎng)規模達到了 1496 億元，占據了全球 40%以上的市場(chǎng)。另?yè)?Yole 和中國半導體協(xié)會(huì )數據顯示，2017 年中國大陸功率半導體器件銷(xiāo)售額達 2170 億元人民幣，同比增長(cháng) 3.93％，約占據全球市場(chǎng)份額的 39％，其次才是歐洲地區的 18％；另外，美國和日本的銷(xiāo)售額占比差不多，分別為 8％、6％。
再加上中美貿易戰等大環(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(dòng)元件之后的漲價(jià)之最。同時(shí)，各大廠(chǎng)商交貨周期一再延長(cháng)，并致使主要功率器件原廠(chǎng) 2019 年上半年產(chǎn)能都被預訂完。
2018 年上半年低壓（上）、高壓（下）MOSFET 交貨周期情況 （圖片來(lái)源：中泰證券研究所）
國際環(huán)境不容樂(lè )觀(guān)，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(chǎng)家來(lái)說(shuō)是機會(huì )更是挑戰，爭取早日完成國產(chǎn)替代是他們的使命。
就目前來(lái)看，像耕耘于 MOSFET 的華微、揚杰、士蘭微，精于 IGBT 的嘉興斯達、中國中車(chē)、比亞迪、士蘭微，在 SiC 領(lǐng)域有所建樹(shù)的北京泰科天潤、華天恒芯，國內最早布局 GaN 領(lǐng)域的蘇州能訊、蘇州晶湛、江蘇能華、杭州士蘭微、江蘇華功半導體等本土企業(yè)，在用量最大的 0-40V 低壓領(lǐng)域的替代機會(huì )最大，同時(shí)在 400-6500V 的高壓領(lǐng)域開(kāi)始有了本土企業(yè)的聲音，但在 40-100V、100-400V 應用較多的中間領(lǐng)域還是一塊硬骨頭。
全球十大功率器件廠(chǎng)商及產(chǎn)品介紹
Infineon（英飛凌）
Infineon 脫胎于西門(mén)子半導體部門(mén)，于 1999 年 4 月 1 日在德國慕尼黑正式成立，是歐洲最大的半導體公司，其功率半導體在全球排名第一。其主要功率器件產(chǎn)品包括高度可靠的 IGBT、功率 MOSFET、氮化鎵增強型 HEMT、功率分立式元件、保護開(kāi)關(guān)、硅驅動(dòng)器、氮化鎵驅動(dòng)器、IGBT 模塊、智能功率模塊（IPM）、線(xiàn)性調節器、電機控制解決方案、LED 驅動(dòng)器以及各種交流 - 直流、直流 - 交流和數字功率轉換等，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商。其主要功率器件產(chǎn)品包括汽車(chē)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(chē)、通信、計算機、消費電子、工業(yè)、LED 照明、醫療、軍事 / 航空及電源應用領(lǐng)域都有良好的表現。
ST（意法半導體）
ST 集團于 1987 年成立，是由意大利的 SGS 微電子公司和法國 Thomson 半導體公司合并而成，是世界最大的半導體公司之一，也是世界領(lǐng)先的分立功率器件供應商之一。其產(chǎn)品范圍包含 MOSFET (包括運用創(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雙極工藝二極管、三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)及保護器件。此外，意法半導體的專(zhuān)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）
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、衛星、防御系統、電梯及自動(dòng)扶梯、汽車(chē)用電子用品、空調、通風(fēng)設備等領(lǐng)域的電力變換和電機控制中得到廣泛應用。
Toshiba（東芝）
Toshiba 創(chuàng )立于 1875 年，是日本最大的半導體制造商，隸屬于三井集團。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，可分別應用于娛樂(lè )、汽車(chē)設備,以及家用電器和工業(yè)設備等領(lǐng)域。
Vishay（威世）
Vishay 集團成立于 1962 年，是世界上最大的分離式半導體和無(wú)源電子器件制造商和供應商之一。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、感應器、二極管和晶體管。廣泛應用于計算機、電話(huà)、電視、汽車(chē)、家用電器、醫療設備、衛星、軍用及航空設備領(lǐng)域。
Fuji Electric（富士電機）
Fuji Electric 成立于 1923 年，是一家以大型電氣機器為主產(chǎn)品的日本重電機制造商，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 芯片供應商。擁有全世界最多的 IGBT 器件方面的技術(shù)專(zhuān)利，總數達 500 件?，F在，富士電機的 IGBT 幾乎占領(lǐng)了全日本的電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。
Renesas（瑞薩）
Renesas 于 2003 年，由日立制作所半導體部門(mén)和三菱電機半導體部門(mén)合并成立，是世界十大半導體芯片供應商之一。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，廣泛應用于汽車(chē)、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(zhù)名半導體廠(chǎng)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(xiàn)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），是現代節能型電機驅動(dòng)器和工業(yè)自動(dòng)化系統中的核心器件，廣泛應用于電源、可再生能源（風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電）和電動(dòng)車(chē)（私家車(chē)、廂式貨車(chē)、公交車(chē)、卡車(chē)、叉車(chē)等）領(lǐng)域。同時(shí)，Semikron 也是全球前十大 IGBT 模塊供應商，在 1700V 及以下電壓等級的消費 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體模塊市場(chǎng)占有 25%的份額。
敢問(wèn)路在何方？
站在政府和供給端企業(yè)角度來(lái)說(shuō)，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，而國內市場(chǎng)需求大，本土廠(chǎng)商應援還存在問(wèn)題，如何盡快地完成國產(chǎn)替代是未來(lái)地一場(chǎng)攻堅戰，如何打贏(yíng)？天時(shí)地利人和。
站在技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，功率器件必將向高功率、高頻率、高效率和易驅動(dòng)方向發(fā)展，而后 IGBT 時(shí)代的新材料的出現可以加速這一系列目標的實(shí)現。
站在需求端企業(yè)和工程師個(gè)人的角度來(lái)說(shuō)，需求永遠都是一樣的，那就是性能強大一點(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)，權衡這幾個(gè)因素，那家好用哪家。小伙伴們，你們說(shuō)呢？
