电力电子器件又称为功率半导体器件,它虽不像集成电路一样被大众熟知,但其重要性不可忽视。其中的IGBT是功率半导体的一种,作为电子电力装置和系统中的“CPU”,高效节能减排的主力军。站在政府和供给端企业角度来说,功率器件领域,欧美日三足鼎立的局面暂时不会改变,而国内市场需求大,本土厂商应援还存在问题,如何尽快地完成国产替代是未来地一场攻坚战,如何打赢?

站在技术的角度来说,功率器件必将向高功率、高频率、高效率和易驱动方向发展,而后IGBT时代的新材料的出现可以加速这一系列目标的实现。

什么叫功率器件?

电力电子器件又称为功率半导体器件,主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件。

分为很多种,大致上可以分为有源和无源两类。无源功率元件一般包括电阻(消耗电能),电感(存储磁场能量)和电容(存储电场能量)。有源功率元件主要是指功率开关,例如晶闸管(SCR),IGBT,MOSFET等,用来改变电路状态,功率。

功率器件几乎用于所有的电子制造业,包括计算机领域的笔记本、PC、服务器、显示器以及各种外设;网络通信领域的手机、电话以及其它各种终端和局端设备。

电力电子器件正沿着大功率化、高频化、集成化的方向发展。

功率半导体器件原理

功率半导体器件,在大多数情况下,是被作为开关使用(switch),开关,简单的说,就是用来控制电流的通过和截断。那么,一个理想的开关,应该具有两个基本的特性:

1、电流通过的时候,这个理想开关两端的电压降是零;

2、电流截断的时候,这个理想开关两端可以承受的电压可以是任意大小,也就是0~无穷大;

因此,功率半导体器件的研究和发展,就是围绕着这个目标不断前进的。现在的功率半导体器件,已经具有很好的性能了,在要求的电压电流处理范围内,可以接近一个比较理想的开关。

功率半导体器件发展

以前也被称为电力电子器件,简单来说,就是进行功率处理、具有处理高电压,大电流能力的半导体器件。例如电压处理范围从几十V-几千V,电流能力最高可达几千A。典型的功率处理,包括变频、变压、变流、功率管理等等。

1、早期的功率半导体器件:大功率二极管、晶闸管等等,主要用于工业和电力系统(正因如此,早期才被称为电力电子器件)。

2、随着以功率MOSFET器件为代表的新型功率半导体器件的迅速发展,现在功率半导体器件已经非常广泛,在计算机、通行、消费电子、汽车电子 为代表的4C行业(computer、communication、consumer electronics、cartronics),功率半导体器件可以说是越来越火。

国家倡导节能环保、低碳生活,就需要对能量的处理进行合理的管理,对于能量通俗的理解就是功率P=IV,所以需要对电压电流的运用进行有效的控制,这就与功率器件密不可分! 功率管理集成电路(Power Management IC,也被称为电源管理IC)已经成为功率半导体器件的热点,发展非常迅速!

以前也被称为电力电子器件,简单来说,就是进行功率处理、具有处理高电压,大电流能力的半导体器件。例如电压处理范围从几十V-几千V,电流能力最高可达几千A。典型的功率处理,包括变频、变压、变流、功率管理等等。

1、早期的功率半导体器件:大功率二极管、晶闸管等等,主要用于工业和电力系统(正因如此,早期才被称为电力电子器件)。

2、随着以功率MOSFET器件为代表的新型功率半导体器件的迅速发展,现在功率半导体器件已经非常广泛,在计算机、通行、消费电子、汽车电子 为代表的4C行业(computer、communication、consumer electronics、cartronics),功率半导体器件可以说是越来越火。

国家倡导节能环保、低碳生活,就需要对能量的处理进行合理的管理,对于能量通俗的理解就是功率P=IV,所以需要对电压电流的运用进行有效的控制,这就与功率器件密不可分! 功率管理集成电路(Power Management IC,也被称为电源管理IC)已经成为功率半导体器件的热点,发展非常迅速!

功率半导体器件种类

1、第一代产品:功率二极管,晶闸管,还有功率BJT(就是功率双极型晶体管);

2、第二代是以功率MOSFET为代表的新型功率半导体器件,如VDMOS、LDMOS,以及IGBT。

VDMOS 即(vertical double-diffusion MOSFET)是纵向器件,多用于分立器件;LDMOS 即(Lateral double-diffusion MOSFET),是横向器件,其三个电极均在硅片表面,易于集成,多用于功率集成电路领域;IGBT 即 (Insulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极型晶体管),可以看作是功率MOS和功率BJT的混合型新器件。目前发展最快的也是IGBT。

什么是IGBT?

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件,与 MOSFET(绝缘栅型场效应管)结构功能相似,可控制的电压范围更高。半导体产业分成四种类型∶ 集成电路,分立器件,传感器和光电子,其中IGBT属于分立器件的一种。

IGBT特点

IGBT可以被认为是一个MOSFET 和一个 BJT(双极型三极管)混合形成的器件,但相比于 MOSFET 制造难度更高、结构更复杂,可承受的电压也更大。一般 MOSFE工器件或模组的可承受电压范围为20-800V,而IGBT可承受 1000V以上的高电压,因而是电力电子领域较为理想的开关器件。

IGBT主要功能

IGBT通过脉宽调制,可以把输入的直流电变成人们所需要频率的交流申,或者反过来。主要用干变频逆变和其他逆变电路,被称为是电力电子装置的"CPU"。

IGBT主要产品形式

模组和分立器件两种形式,一般通俗的说IGBT指模组, IGBT模块是由 IGBT分立器件与快恢复二极管芯片通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。

IGBT技术及其发展

IGBT 生命周期较长,产品迭代速率不追求摩尔定律,使用周期较长,虽然老一代产品损耗较大,但其芯片面积大,稳定性较好,因此部分领域仍会选择使用旧代产品。

回顾IGBT的技术发展,IGBT主要经历了7代技术及工艺改进。各代 IGBT的主要发展趋势主要为降低损耗与生产成本,总结来看大致可分为三大主要技术阶段∶

第一阶段是第一、第二代 IGBT为代表的平面栅型 IGBT,其中第一代由于工艺复杂且成本高,已基本被淘汰。第二代部分类型产品目前仍有销售。

第二阶段是以第三代、第四代 IGBT为代表的沟槽栅型 IGBT。该类型产品通过创新的沟槽设计,大大减小了IGBT的体积和使用功耗,因此被广泛使用。第五代、第六代的 IGBT,属于对沟槽栅型的改进,结构并未有很大的变动。此外,该阶段还出现了第三阶段的过渡型产品 Trench Stop。

第三阶段是 2018 年以后出现的第七代微沟槽型 IGBT,该类型产品更大程度地减小了器件的体积和功耗,目前英飞凌等厂商技术已达量产水平。

IGBT市场应用

IGBT 能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,实现精准调控的目的,被广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域。

按电压分布来看,消费电子领域所用 IGBT产品主要集中在 600V 以下,新能源汽车常用IGBT产品电压为 600- 1200V,动车组常用的IGBT模块为 3300V和 6500V,轨道交通所使用的 IGBT电压在 1700V-6500V 之间;智能电网使用的IGBT通常为 3300V。

IGBT新参与者

一是老牌功率器件厂商逐渐向 IGBT 等高端业务扩展业务。

二是终端厂商向供应链上游拓展,如比亚迪于 2005 年进入IGBT产业,目前其推出的 IGBT 4.0 产品在电流输出、综合损耗及温度循环寿命等许多关键指标上超越了英飞凌等主流企业的产品,并实现了对外供应;

三是新创企业进入IGBT 赛道,如芯聚能半导体于 2019 年 9 月开启 25 亿元的投资项目,目标面向新能源汽车用功率模块。

2020年中国半导体功率器件十强企业
序号 企业名称 LOGO 2020年营收(亿元)
1 安世半导体(中国)有限公司 /
2 华润微电子控股有限公司 69.77
3 扬州扬杰电子科技股份有限公司 4.59
4 杭州士兰微电子股份有限公司 42.81
5 吉林华微电子股份有限公司 17.19
6 江苏长晶科技有限公司 /
7 乐山无线电股份有限公司 /
8 北京燕东微电子有限公司 /
9 江苏捷捷微电子股份有限公司 10.11
10 无锡新洁能股份有限公司 /

排名不分先后

全球十大功率器件厂商及经典产品介绍
Infineon(英飞凌)

Infineon脱胎于西门子半导体部门,于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立,是欧洲最大的半导体公司,其功率半导体在全球排名第一。其主要功率器件产品包括高度可靠的IGBT、功率MOSFET、氮化镓增强型HEMT、功率分立式元件、保护开关、硅驱动器、氮化镓驱动器、IGBT模块、智能功率模块(IPM)、线性调节器、电机控制解决方案、LED驱动器以及各种交流-直流、直流-交流和数字功率转换等,涵盖了所有功率技术,功率方面覆盖微安级到兆瓦级。

ONSemiconductor(安森美)

ON SemiconductorCorporation创立于1999年,是全球高性能电源解决方案供应商。其主要功率器件产品包括汽车工业MOSFET、整流器、IGBT,全面的高能效电源和信号管理、逻辑、分立及定制方案阵容,使其在汽车、通信、计算机、消费电子、工业、LED照明、医疗、军事/航空及电源应用领域都有良好的表现。

ST(意法半导体)

ST集团于1987年成立,是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成,是世界最大的半导体公司之一,也是世界领先的分立功率器件供应商之一。其产品范围包含MOSFET (包括运用创新的MDmeshTM第二代技术的器件)、双极晶体管、IGBT、肖特基与超快速恢复双极工艺二极管、三端双向可控硅开关及保护器件。此外,意法半导体的专利IPAD(集成有源和无源器件)技术,允许在单个芯片中整合多个有源和无源元件。

Mitsubishi(三菱电机)

Mitsubishi成立于1921年,主营功率器件包括IGBT、IPM、MOSFET和SiC器件,并在白色家电、工业控制、智能电网、轨道交通、绿色能源、卫星、防御系统、电梯及自动扶梯、汽车用电子用品、空调、通风设备等领域的电力变换和电机控制中得到广泛应用。

Toshiba(东芝)

Toshiba创立于1875年,是日本最大的半导体制造商,隶属于三井集团。东芝的功率器件产品包括广泛的二极管产品组合、双极晶体管、VDSS为500~800V的中高压DTMOSIV系列,VSS为12~250V的低电压UMOS系列、SiC SBD,以及智能功率器件(IPD)IC,包括60V的低电压IPD、和250V/500V的高压IPD,可分别应用于娱乐、汽车设备,以及家用电器和工业设备等领域。

Vishay(威世)

Vishay集团成立于1962年,是世界上最大的分离式半导体和无源电子器件制造商和供应商之一。其主要产品包括无源和分立有源电子元件,特别是电阻、电容器、感应器、二极管和晶体管。广泛应用于计算机、电话、电视、汽车、家用电器、医疗设备、卫星、军用及航空设备领域。

Fuji Electric(富士电机)

Fuji Electric成立于1923年,是一家以大型电气机器为主产品的日本重电机制造商,主营功率器件包括整流二极管、功率MOSFET、IGBT、电源控制IC、SiC器件等。值得一提的是,富士还是日立的 IGBT 芯片供应商。拥有全世界最多的 IGBT 器件方面的技术专利,总数达 500 件。现在,富士电机的 IGBT 几乎占领了全日本的电动汽车领域。

Renesas(瑞萨)

Renesas于2003年,由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立,是世界十大半导体芯片供应商之一。其主营模拟功率器件包括双极型功率晶体管、功率二极管、功率MOSFET、晶闸管和IGBT,广泛应用于汽车、工业、家居、办公自动化、信息通信技术等领域。

Rohm(罗姆)

Rohm创立于1958年,是全球著名半导体厂商之一。其主营功率器件包括晶体管、二极管、IGBT、SiC功率器件和智能功率模块,其功率器件产品线是小型高可靠性产品阵容的典型代表。

Semikron(赛米控)

Semikron成立于1951年,总部位于德国纽伦堡,是全球领先的功率模块和系统制造商之一。其产品主要涉及中等功率输出范围(约2 kW至10 MW),是现代节能型电机驱动器和工业自动化系统中的核心器件,广泛应用于电源、可再生能源(风能和太阳能发电)和电动车(私家车、厢式货车、公交车、卡车、叉车等)领域。同时,Semikron也是全球前十大 IGBT 模块供应商,在 1700V 及以下电压等级的消费 IGBT 领域处于优势地位,在全球二极管和晶闸管半导体模块市场占有25%的份额。

Infineon(英飞凌)

Infineon脱胎于西门子半导体部门,于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立,是欧洲最大的半导体公司,其功率半导体在全球排名第一。其主要功率器件产品包括高度可靠的IGBT、功率MOSFET、氮化镓增强型HEMT、功率分立式元件、保护开关、硅驱动器、氮化镓驱动器、IGBT模块、智能功率模块(IPM)、线性调节器、电机控制解决方案、LED驱动器以及各种交流-直流、直流-交流和数字功率转换等,涵盖了所有功率技术,功率方面覆盖微安级到兆瓦级。

ONSemiconductor(安森美)

ON SemiconductorCorporation创立于1999年,是全球高性能电源解决方案供应商。其主要功率器件产品包括汽车工业MOSFET、整流器、IGBT,全面的高能效电源和信号管理、逻辑、分立及定制方案阵容,使其在汽车、通信、计算机、消费电子、工业、LED照明、医疗、军事/航空及电源应用领域都有良好的表现。

ST(意法半导体)

ST集团于1987年成立,是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成,是世界最大的半导体公司之一,也是世界领先的分立功率器件供应商之一。其产品范围包含MOSFET (包括运用创新的MDmeshTM第二代技术的器件)、双极晶体管、IGBT、肖特基与超快速恢复双极工艺二极管、三端双向可控硅开关及保护器件。此外,意法半导体的专利IPAD(集成有源和无源器件)技术,允许在单个芯片中整合多个有源和无源元件。

Toshiba(东芝)

Toshiba创立于1875年,是日本最大的半导体制造商,隶属于三井集团。东芝的功率器件产品包括广泛的二极管产品组合、双极晶体管、VDSS为500~800V的中高压DTMOSIV系列,VSS为12~250V的低电压UMOS系列、SiC SBD,以及智能功率器件(IPD)IC,包括60V的低电压IPD、和250V/500V的高压IPD,可分别应用于娱乐、汽车设备,以及家用电器和工业设备等领域。

Fuji Electric(富士电机)

Fuji Electric成立于1923年,是一家以大型电气机器为主产品的日本重电机制造商,主营功率器件包括整流二极管、功率MOSFET、IGBT、电源控制IC、SiC器件等。值得一提的是,富士还是日立的 IGBT 芯片供应商。拥有全世界最多的 IGBT 器件方面的技术专利,总数达 500 件。现在,富士电机的 IGBT 几乎占领了全日本的电动汽车领域。

Rohm(罗姆)

Rohm创立于1958年,是全球著名半导体厂商之一。其主营功率器件包括晶体管、二极管、IGBT、SiC功率器件和智能功率模块,其功率器件产品线是小型高可靠性产品阵容的典型代表。

Mitsubishi(三菱电机)

Mitsubishi成立于1921年,主营功率器件包括IGBT、IPM、MOSFET和SiC器件,并在白色家电、工业控制、智能电网、轨道交通、绿色能源、卫星、防御系统、电梯及自动扶梯、汽车用电子用品、空调、通风设备等领域的电力变换和电机控制中得到广泛应用。

Vishay(威世)

Vishay集团成立于1962年,是世界上最大的分离式半导体和无源电子器件制造商和供应商之一。其主要产品包括无源和分立有源电子元件,特别是电阻、电容器、感应器、二极管和晶体管。广泛应用于计算机、电话、电视、汽车、家用电器、医疗设备、卫星、军用及航空设备领域。

Renesas(瑞萨)

Renesas于2003年,由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立,是世界十大半导体芯片供应商之一。其主营模拟功率器件包括双极型功率晶体管、功率二极管、功率MOSFET、晶闸管和IGBT,广泛应用于汽车、工业、家居、办公自动化、信息通信技术等领域。

Semikron(赛米控)

Semikron成立于1951年,总部位于德国纽伦堡,是全球领先的功率模块和系统制造商之一。其产品主要涉及中等功率输出范围(约2 kW至10 MW),是现代节能型电机驱动器和工业自动化系统中的核心器件,广泛应用于电源、可再生能源(风能和太阳能发电)和电动车(私家车、厢式货车、公交车、卡车、叉车等)领域。同时,Semikron也是全球前十大 IGBT 模块供应商,在 1700V 及以下电压等级的消费 IGBT 领域处于优势地位,在全球二极管和晶闸管半导体模块市场占有25%的份额。

IGBT市场研究及发展