電力電子器件又稱為功率半導(dǎo)體器件,它雖不像集成電路一樣被大眾熟知,但其重要性不可忽視。其中的IGBT是功率半導(dǎo)體的一種,作為電子電力裝置和系統(tǒng)中的“CPU”,高效節(jié)能減排的主力軍。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(huì)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?

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(dòng)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)。

什么叫功率器件?

電力電子器件又稱為功率半導(dǎo)體器件,主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件。

分為很多種,大致上可以分為有源和無源兩類。無源功率元件一般包括電阻(消耗電能),電感(存儲(chǔ)磁場能量)和電容(存儲(chǔ)電場能量)。有源功率元件主要是指功率開關(guān),例如晶閘管(SCR),IGBT,MOSFET等,用來改變電路狀態(tài),功率。

功率器件幾乎用于所有的電子制造業(yè),包括計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的筆記本、PC、服務(wù)器、顯示器以及各種外設(shè);網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的手機(jī)、電話以及其它各種終端和局端設(shè)備。

電力電子器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發(fā)展。

功率半導(dǎo)體器件原理

功率半導(dǎo)體器件,在大多數(shù)情況下,是被作為開關(guān)使用(switch),開關(guān),簡單的說,就是用來控制電流的通過和截?cái)唷D敲?,一個(gè)理想的開關(guān),應(yīng)該具有兩個(gè)基本的特性:

1、電流通過的時(shí)候,這個(gè)理想開關(guān)兩端的電壓降是零;

2、電流截?cái)嗟臅r(shí)候,這個(gè)理想開關(guān)兩端可以承受的電壓可以是任意大小,也就是0~無窮大;

因此,功率半導(dǎo)體器件的研究和發(fā)展,就是圍繞著這個(gè)目標(biāo)不斷前進(jìn)的。現(xiàn)在的功率半導(dǎo)體器件,已經(jīng)具有很好的性能了,在要求的電壓電流處理范圍內(nèi),可以接近一個(gè)比較理想的開關(guān)。

功率半導(dǎo)體器件發(fā)展

以前也被稱為電力電子器件,簡單來說,就是進(jìn)行功率處理、具有處理高電壓,大電流能力的半導(dǎo)體器件。例如電壓處理范圍從幾十V-幾千V,電流能力最高可達(dá)幾千A。典型的功率處理,包括變頻、變壓、變流、功率管理等等。

1、早期的功率半導(dǎo)體器件:大功率二極管、晶閘管等等,主要用于工業(yè)和電力系統(tǒng)(正因如此,早期才被稱為電力電子器件)。

2、隨著以功率MOSFET器件為代表的新型功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展,現(xiàn)在功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)非常廣泛,在計(jì)算機(jī)、通行、消費(fèi)電子、汽車電子 為代表的4C行業(yè)(computer、communication、consumer electronics、cartronics),功率半導(dǎo)體器件可以說是越來越火。

國家倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保、低碳生活,就需要對(duì)能量的處理進(jìn)行合理的管理,對(duì)于能量通俗的理解就是功率P=IV,所以需要對(duì)電壓電流的運(yùn)用進(jìn)行有效的控制,這就與功率器件密不可分! 功率管理集成電路(Power Management IC,也被稱為電源管理IC)已經(jīng)成為功率半導(dǎo)體器件的熱點(diǎn),發(fā)展非常迅速!

以前也被稱為電力電子器件,簡單來說,就是進(jìn)行功率處理、具有處理高電壓,大電流能力的半導(dǎo)體器件。例如電壓處理范圍從幾十V-幾千V,電流能力最高可達(dá)幾千A。典型的功率處理,包括變頻、變壓、變流、功率管理等等。

1、早期的功率半導(dǎo)體器件:大功率二極管、晶閘管等等,主要用于工業(yè)和電力系統(tǒng)(正因如此,早期才被稱為電力電子器件)。

2、隨著以功率MOSFET器件為代表的新型功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展,現(xiàn)在功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)非常廣泛,在計(jì)算機(jī)、通行、消費(fèi)電子、汽車電子 為代表的4C行業(yè)(computer、communication、consumer electronics、cartronics),功率半導(dǎo)體器件可以說是越來越火。

國家倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保、低碳生活,就需要對(duì)能量的處理進(jìn)行合理的管理,對(duì)于能量通俗的理解就是功率P=IV,所以需要對(duì)電壓電流的運(yùn)用進(jìn)行有效的控制,這就與功率器件密不可分! 功率管理集成電路(Power Management IC,也被稱為電源管理IC)已經(jīng)成為功率半導(dǎo)體器件的熱點(diǎn),發(fā)展非常迅速!

功率半導(dǎo)體器件種類

1、第一代產(chǎn)品:功率二極管,晶閘管,還有功率BJT(就是功率雙極型晶體管);

2、第二代是以功率MOSFET為代表的新型功率半導(dǎo)體器件,如VDMOS、LDMOS,以及IGBT。

VDMOS 即(vertical double-diffusion MOSFET)是縱向器件,多用于分立器件;LDMOS 即(Lateral double-diffusion MOSFET),是橫向器件,其三個(gè)電極均在硅片表面,易于集成,多用于功率集成電路領(lǐng)域;IGBT 即 (Insulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極型晶體管),可以看作是功率MOS和功率BJT的混合型新器件。目前發(fā)展最快的也是IGBT。

什么是IGBT?

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,與 MOSFET(絕緣柵型場效應(yīng)管)結(jié)構(gòu)功能相似,可控制的電壓范圍更高。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分成四種類型∶ 集成電路,分立器件,傳感器和光電子,其中IGBT屬于分立器件的一種。

IGBT特點(diǎn)

IGBT可以被認(rèn)為是一個(gè)MOSFET 和一個(gè) BJT(雙極型三極管)混合形成的器件,但相比于 MOSFET 制造難度更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,可承受的電壓也更大。一般 MOSFE工器件或模組的可承受電壓范圍為20-800V,而IGBT可承受 1000V以上的高電壓,因而是電力電子領(lǐng)域較為理想的開關(guān)器件。

IGBT主要功能

IGBT通過脈寬調(diào)制,可以把輸入的直流電變成人們所需要頻率的交流申,或者反過來。主要用干變頻逆變和其他逆變電路,被稱為是電力電子裝置的"CPU"。

IGBT主要產(chǎn)品形式

模組和分立器件兩種形式,一般通俗的說IGBT指模組, IGBT模塊是由 IGBT分立器件與快恢復(fù)二極管芯片通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品。

IGBT技術(shù)及其發(fā)展

IGBT 生命周期較長,產(chǎn)品迭代速率不追求摩爾定律,使用周期較長,雖然老一代產(chǎn)品損耗較大,但其芯片面積大,穩(wěn)定性較好,因此部分領(lǐng)域仍會(huì)選擇使用舊代產(chǎn)品。

回顧IGBT的技術(shù)發(fā)展,IGBT主要經(jīng)歷了7代技術(shù)及工藝改進(jìn)。各代 IGBT的主要發(fā)展趨勢(shì)主要為降低損耗與生產(chǎn)成本,總結(jié)來看大致可分為三大主要技術(shù)階段∶

第一階段是第一、第二代 IGBT為代表的平面柵型 IGBT,其中第一代由于工藝復(fù)雜且成本高,已基本被淘汰。第二代部分類型產(chǎn)品目前仍有銷售。

第二階段是以第三代、第四代 IGBT為代表的溝槽柵型 IGBT。該類型產(chǎn)品通過創(chuàng)新的溝槽設(shè)計(jì),大大減小了IGBT的體積和使用功耗,因此被廣泛使用。第五代、第六代的 IGBT,屬于對(duì)溝槽柵型的改進(jìn),結(jié)構(gòu)并未有很大的變動(dòng)。此外,該階段還出現(xiàn)了第三階段的過渡型產(chǎn)品 Trench Stop。

第三階段是 2018 年以后出現(xiàn)的第七代微溝槽型 IGBT,該類型產(chǎn)品更大程度地減小了器件的體積和功耗,目前英飛凌等廠商技術(shù)已達(dá)量產(chǎn)水平。

IGBT市場應(yīng)用

IGBT 能夠根據(jù)工業(yè)裝置中的信號(hào)指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的,被廣泛應(yīng)用于電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域。

按電壓分布來看,消費(fèi)電子領(lǐng)域所用 IGBT產(chǎn)品主要集中在 600V 以下,新能源汽車常用IGBT產(chǎn)品電壓為 600- 1200V,動(dòng)車組常用的IGBT模塊為 3300V和 6500V,軌道交通所使用的 IGBT電壓在 1700V-6500V 之間;智能電網(wǎng)使用的IGBT通常為 3300V。

IGBT新參與者

一是老牌功率器件廠商逐漸向 IGBT 等高端業(yè)務(wù)擴(kuò)展業(yè)務(wù)。

二是終端廠商向供應(yīng)鏈上游拓展,如比亞迪于 2005 年進(jìn)入IGBT產(chǎn)業(yè),目前其推出的 IGBT 4.0 產(chǎn)品在電流輸出、綜合損耗及溫度循環(huán)壽命等許多關(guān)鍵指標(biāo)上超越了英飛凌等主流企業(yè)的產(chǎn)品,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)外供應(yīng);

三是新創(chuàng)企業(yè)進(jìn)入IGBT 賽道,如芯聚能半導(dǎo)體于 2019 年 9 月開啟 25 億元的投資項(xiàng)目,目標(biāo)面向新能源汽車用功率模塊。

2020年中國半導(dǎo)體功率器件十強(qiáng)企業(yè)
序號(hào) 企業(yè)名稱 LOGO 2020年?duì)I收(億元)
1 安世半導(dǎo)體(中國)有限公司 /
2 華潤微電子控股有限公司 69.77
3 揚(yáng)州揚(yáng)杰電子科技股份有限公司 4.59
4 杭州士蘭微電子股份有限公司 42.81
5 吉林華微電子股份有限公司 17.19
6 江蘇長晶科技有限公司 /
7 樂山無線電股份有限公司 /
8 北京燕東微電子有限公司 /
9 江蘇捷捷微電子股份有限公司 10.11
10 無錫新潔能股份有限公司 /

排名不分先后

全球十大功率器件廠商及經(jīng)典產(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(dòng)器、氮化鎵驅(qū)動(dòng)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(dòng)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),功率方面覆蓋微安級(jí)到兆瓦級(jí)。

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(hào)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(dòng)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?,F(xiàn)在,富士電機(jī)的 IGBT 幾乎占領(lǐng)了全日本的電動(dòng)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(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(dòng)器和工業(yè)自動(dòng)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(dòng)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(jí)的消費(fèi) IGBT 領(lǐng)域處于優(yōu)勢(shì)地位,在全球二極管和晶閘管半導(dǎo)體模塊市場占有25%的份額。

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(dòng)器、氮化鎵驅(qū)動(dòng)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(dòng)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),功率方面覆蓋微安級(jí)到兆瓦級(jí)。

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(hào)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。

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。

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(dòng)汽車領(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。

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(dòng)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。

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。

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(dòng)化、信息通信技術(shù)等領(lǐng)域。

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(dòng)器和工業(yè)自動(dòng)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(dòng)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(jí)的消費(fèi) IGBT 領(lǐng)域處于優(yōu)勢(shì)地位,在全球二極管和晶閘管半導(dǎo)體模塊市場占有25%的份額。

IGBT市場研究及發(fā)展