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[经验分享] 科普:功率器件的进阶之路

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
功率器件发展史
电子管时代
1904年英国佛莱明在「爱迪生效应」的基础上研制出了“热离子阀”, 从而催生了世界上第一只电子管,称为佛莱明管(真空二极检波管),世界进入电子管时代。当时的佛莱明管只有检波与整流的作用,性能并不稳定,主要用在通信和无线电领域。
真空管时代1906年,为了提高真空二极管检波灵敏度,德·福雷斯特在佛莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网,形成第三个极,从此二极管摇身一变,成为三极真空管,并兼具放大与振荡的功能。
银整流器时1930年代-1950年代是水银整流器迅速发展的30年,集聚整流、逆变、周波变流等功用,广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电、直流电动机的传动等领域。
第一代功率器件——半控型晶闸管时代1947年,贝尔实验室发明了由多晶锗构成的点触式晶体管,后又在硅材料上得到验证,一场电子技术的革命开始了。
1957年,美国通用电气公司发明了晶闸管,标志着电力电子技术的诞生,正式进入了以晶闸管为代表的第一代电力电子技术发展阶段。当时的晶闸管主要用于相控电路,工作频率一般低于400Hz,较水银整流器,具有体积小、可靠性高、节能等优点。但只能控制导通,不能控制关断的半控型特点在直流供电场合的使用显得很鸡肋,必须要加上电感、电容以及其他开关件才能强制换流,从而导致变流装置整机体积增大、效率降低等问题的出现。
第二代功率器件——以GTO、BJT、MOSFET、IGBT为代表的全控型功率器件时代1970年代,既能控制导通,又能控制关断的全控型功率器件在集成电路技术的发展过程中应运而生,如门极可关断晶闸管GTO、电力双极型晶体管BJT、电力场效应晶体管功率MOSFET等,其工作频率达到兆赫级,常被应用于直流高频斩波电路、软开关谐振电路、脉宽调制电路等。
到了1980年代后期,绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)出现,兼具MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快和BJT通态压降小、载流能力大、耐压高的优点,因此在中低频率、大功率电源中运用广泛。

第三代功率器件——宽禁带功率器件
随着以硅材料为基础的功率器件逐渐接近其理论极限值,利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性,给功率半导体产业的发展带来了新的生机。
2014年,美国奥巴马政府连同企业一道投资1.4亿美元在NCSU成立TheNext Generation Power Electronics Institute,发展新一代宽禁带电力半导体器件。
相对于Si材料,使用宽禁带半导体材料制造新一代的功率器件,可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少功率器件的质量、体积以及生命周期成本,允许设备在更高的温度、电压和频率下工作,使得功率器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。
下面用一图展示一下目前最典型的宽禁带功率器件的4个主要参数对比情况,其中:禁带宽度Eg增加:反向漏电减小,工作温度高,抗辐射能力强;更高的临界电场导通电阻减小,阻断电压增大;热导率高的热导率,代表热阻小,热扩散能力好,功率密度高;更快的饱和漂移速率:开关速度快,工作效率高。功率器件国内外行情据日本富士经济(Fuji Keizai)6月发布的功率半导体全球市场报告显示,汽车、电气设备、信息和通信设备等领域对下一代功率半导体(SiC和GaN)的需求将增加。预计到2030年(与2018年相比) SiC成长10倍,GaN翻至60倍,Si增长45.1%。该机构还指出SiC功率半导体市场主要在中国和欧洲扩张,从2017年~2018年,SiC增长41.8%至3.7亿美元。目前SiC -SBD(肖特基势垒二极管)占70%,并且需求增加点主要分布在信息和通信设备领域。6英寸晶圆的推出使得成本降低,预计将进一步增长。此外SiC -FET (场效应晶体管)主要在汽车和电气设备领域大大扩展。
另据Strategy Analytics预测,到2026年,对电力电子元件的需求将占HEV/EV动力系统半导体总成本的50%以上。在Strategy Analytics日前发布的“HEV-EV半导体技术展望:SiC和GaN将发挥何种作用”的报告中显示,提高车载电子的系统效率需要碳化硅(SiC)和氮化镓( GaN)等基础元件,这就为汽车半导体行业未来创造更高的利润率和盈利机会。
功率器件市场整体向好,但纵观整个功率器件市场,却呈现了欧美日厂商三足鼎立的不平衡发展局面。根据IHS的分析,2017年全球前10大厂商清一色为欧美日企业,供应规模占比达到了全球的60%以上,其中Infineon(18.5%)、ONSemiconductor(9.2%)、ST(5.3%)分别依次位列前三位。从体量上看欧洲功率器件厂商似乎不占优势,但是以英飞凌为首的几家企业绝对是霸主地位的存在。
美国TI、Maxim、ADI、ONSemiconductor、Vishay、AOS、Cree、littelfuse、Diodes Incorporated、IXYS等。欧洲Infineon、ST、NXP、Semikron、ABB、Vincotech、Danfoss等。日本Toshiba、 Renesas、 Rohm、Matsushita、Fuji Electric、Ricoh、Sanken、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Mitsubishi等。
在国际巨头面前,国内本土厂家显得格格不入,以提供二极管、晶闸管、低压MOSFET等低端功率半导体器件为主,还处在产业链的末端。
与供给端形成鲜明对比的是国内的需求端。据赛迪顾问数据显示,2016年,中国功率半导体市场规模达到了1496亿元,占据了全球40%以上的市场。另据Yole和中国半导体协会数据显示,2017年中国大陆功率半导体器件销售额达2170亿元人民币,同比增长3.93%,约占据全球市场份额的39%,其次才是欧洲地区的18%;另外,美国和日本的销售额占比差不多,分别为8%、6%。
再加上中美贸易战等大环境对功率器件价格的影响,功率器件成为了继MLCC等被动元件之后的涨价之最。同时,各大厂商交货周期一再延长,并致使主要功率器件原厂2019年上半年产能都被预订完。

国际环境不容乐观,中国电子产业难免受到不同程度的影响,这对于本土厂家来说是机会更是挑战,争取早日完成国产替代是他们的使命。
就目前来看,像耕耘于MOSFET的华微、扬杰、士兰微,精于IGBT的嘉兴斯达、中国中车、比亚迪、士兰微,在SiC领域有所建树的北京泰科天润、华天恒芯,国内最早布局GaN领域的苏州能讯、苏州晶湛、江苏能华、杭州士兰微、江苏华功半导体等本土企业,在用量最大的0-40V低压领域的替代机会最大,同时在400-6500V的高压领域开始有了本土企业的声音,但在40-100V、100-400V应用较多的中间领域还是一块硬骨头。






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