功率半导体器件MOSFET、IGBT和功率集成电路逐步成

2019-09-12 17:20字体:
  

  作为以电力电子技术为依托,以功率处理为核心的半导体器件,功率半导体既是电子装置中进行电能(功率)处理的核心,又是弱电控制和强电运行之间的桥梁。上个世纪,半导体大规模集成电路、半导体激光器、以及各种半导体器件的相继发明,引发了一场新的全球性产业革命,对现代信息技术革命产生了深远影响。近年来,随着万物互联的呼声越来越高,移动通讯、交通、清洁能源等领域都在不断提高电子化水平。

  功率半导体器件的最早可以追溯到爱迪生发明电灯泡。在做管壁的防尘防烟实验时,爱迪生无意间发现在灯泡管内插入独立电极的地方与灯丝之间,在某种条件下会产生电流,这个现象被称为“爱迪生效应”。1904年,英国佛莱明首次利用“爱迪生效应”研制出一种能够充当交流电整流和无线电检波的特殊灯泡——“热离子阀”,从而催生了世界上第一只真空二极管,世界进入电子时代。随后,三极真空管、晶体管相继被发明。直到1957年,美国通用电气公司发明了第一个晶闸管,标志着电力电子技术阶段的开始,也就是第一代功率半导体器件稳步发展的开始。1970年代后期,以门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管(BJT)、电力场效应晶体管(Power-MOSFET)为代表的全控型器件迅速发展,第二代电力电子器件应运而生,推动功率半导体器件朝着智能化、高频化的方向发展。1980年代后期,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)出现,它集合了MOSFET的驱动功率小、开关速度快和BJT通态压降小、载流能力大的优点,成为现代功率半导体的主要器件,在中低频大功率电源中占重要地位。到20世纪90年代,智能功率模块又推动功率器件的发展向大功率、高频化、高效率迈进一大步。

  功率半导体器件主要有功率模组、功率集成电路和分立器件三大类。其中,功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装;功率集成电路对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成;而分立功率半导体器件则是功率模块与功率集成电路的关键。

  随着技术的不断进步,功率半导体器件也在不断演进。自上世纪80年代起,功率半导体器件MOSFET、IGBT和功率集成电路逐步成为了主流应用类型。根据年产值贡献来看,IGBT、MOSFET、二极管及整流桥占据了功率半导体八成左右市场。

  MOSFET:金属-氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效应晶体管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应晶体管。根据IHS统计数据,从市场份额来看,MOSFET几乎都集中在国际大厂手中,其中英飞凌自2015年收购美国国际整流器公司后超越富士电机一跃成为行业龙头;安森美也在2016年9月完成对仙童半导体的收购后,市占率跃升至第二位。在中国大陆市场部分,本土企业士兰微和华微电子也占据了一席之地。

  IGBT:绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,驱动功率小而饱和压降低。适用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。目前全球IGBT市场结构与MOSFET类似,主要被5大原厂所长期垄断。根据赛迪智库统计,2017年英飞凌全球市场份额占比最高,达29%,三菱电机、富士电机、安森美、ABB分别以19%、12%、9%、5%的市场份额紧随其后。

  整流管:二极管,一般通过的电流较大,利用二极管单向导电性,可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。功率二极管是中国大陆发展得最好的功率半导体器件领域,根据中国电子信息产业统计年鉴数据,2017年全球除Vishay(威世)以11.71%的市场占有率排名第一外,第二至第八名之间的市场份额差距并不大。加上不少国际大厂因为功率二极管门槛低、毛利润小的原因正在逐渐放弃这类市场,产能转向中国大陆和台湾地区的趋势明显。

  晶闸管:晶体闸流管的简称,具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。目前大部分晶闸管产品需要进口,未来几年国产替代空间很大。全球晶闸管市场规模大约60亿元,国内晶闸管的市场规模大约30亿元,占全球规模的50%左右。国内大功率半导体龙头IDM企业台基股份的主打产品即为晶闸管,官方资料显示,目前公司已形成年产200万只大功率晶闸管及模块的生产能力,产品具有技术成熟性,是中国大功率半导体器件主要的提供者之一。

  随着工业、电网等传统行业在电子化进程中不断加速。在产业电子化升级的新时代,功率半导体作为其中的不可或缺的一环,也越来越得到重视与应用,在新兴蓝海中逐渐焕发出新活力。

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