AT 功率器件的進階之路

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：按照導通、關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(qū)動型和電壓驅(qū)動型功率器件。

功率器件的進階歷程：

1）電子管時代：1904年英國佛萊明在「愛迪生效應」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。

2）真空管時代：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)，形成第三個極，成為三極真空管，并兼具放大與振蕩的功能。

3）水銀整流器時代：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，廣泛應用于電化學工業(yè)、電氣鐵道直流變電、直流電動機的傳動等領域。

4）第一代功率器件：半控型晶閘管時代1947年，貝爾實驗室發(fā)明了由多晶鍺構(gòu)成的點觸式晶體管，后又在硅材料上得到驗證。

5）第二代功率器件：以GTO、BJT、MOSFET、IGBT為代表的全控型功率器件時代，既能控制導通，又能控制關斷的全控型功率器件在集成電路技術(shù)的發(fā)展過程中應運而生。

6）第三代功率器件：寬禁帶功率器件，隨著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)展帶來了新的生機。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現(xiàn)更高的性能。

Strategy Analytics預測，2026年對電力電子元件的需求將占HEV/EV動力系統(tǒng)半導體總成本的50%以上。提高車載電子的系統(tǒng)效率需要碳化硅(SiC)和氮化鎵( GaN)等基礎元件，這就為汽車半導體行業(yè)未來創(chuàng)造更高的利潤率和盈利機會，功率器件市場整體向好，但縱觀整個功率器件市場，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，2019年全球前10大廠商清一色為歐美日企業(yè)，從體量上看歐洲功率器件廠商似乎不占優(yōu)勢，但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、Maxim、ADI、ONSemiconductor、Vishay、AOS、Cree、littelfuse、Diodes Incorporated、IXYS等。歐洲：Infineon、ST、NXP、Semikron、ABB、Vincotech、Danfoss等。日本：Toshiba、 Renesas、 Rohm、Matsushita、Fuji Electric、Ricoh、Sanken、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu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，2018年中國功率半導體市場規(guī)模達到了1496億元，占據(jù)了全球40%以上的市場。另據(jù)Yole和中國半導體協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2019年中國大陸功率半導體器件銷售額達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％。

    中美貿(mào)易戰(zhàn)等大環(huán)境對功率器件價格的影響，功率器件成為了繼MLCC等被動元件之后的漲價之最。同時各大廠商交貨周期一再延長，并致使主要功率器件原廠2020年上半年產(chǎn)能都被預訂完。

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、揚杰、士蘭微，精于IGBT的嘉興斯達、中國中車、比亞迪、士蘭微，在SiC領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低壓領域的替代機會最大，同時在400-6500V的高壓領域開始有了本土企業(yè)的聲音，但在40-100V、100-400V應用較多的中間領域還是一塊硬骨頭。

站在政府和供給端企業(yè)角度來說，功率器件領域，歐美日三足鼎立的局面暫時不會改變，而國內(nèi)市場需求大，本土廠商應援還存在問題，如何盡快地完成國產(chǎn)替代是未來地一場攻堅戰(zhàn)。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時代的新材料的出現(xiàn)可以加速這一系列目標的實現(xiàn)。