作為(wei) 以電力電子技術為(wei) 依托,以功率處理為(wei) 核心的半導體(ti) 器件,功率半導體(ti) 既是電子裝置中進行電能(功率)處理的核心,又是弱電控製和強電運行之間的橋梁。上個(ge) 世紀,半導體(ti) 大規模集成電路、半導體(ti) 激光器、以及各種半導體(ti) 器件的相繼發明,引發了一場新的全球性產(chan) 業(ye) 革命,對現代信息技術革命產(chan) 生了深遠影響。近年來,隨著萬(wan) 物互聯的呼聲越來越高,移動通訊、交通、清潔能源等領域都在不斷提高電子化水平。
功率半導體(ti) 器件的最早可以追溯到愛迪生發明電燈泡。在做管壁的防塵防煙實驗時,愛迪生無意間發現在燈泡管內(nei) 插入獨立電極的地方與(yu) 燈絲(si) 之間,在某種條件下會(hui) 產(chan) 生電流,這個(ge) 現象被稱為(wei) “愛迪生效應”。1904年,英國佛萊明首次利用“愛迪生效應”研製出一種能夠充當交流電整流和無線電檢波的特殊燈泡——“熱離子閥”,從(cong) 而催生了世界上第一隻真空二極管,世界進入電子時代。隨後,三極真空管、晶體(ti) 管相繼被發明。直到1957年,美國通用電氣公司發明了第一個(ge) 晶閘管,標誌著電力電子技術階段的開始,也就是第一代功率半導體(ti) 器件穩步發展的開始。1970年代後期,以門極可關(guan) 斷晶閘管(GTO)、電力雙極型晶體(ti) 管(BJT)、電力場效應晶體(ti) 管(Power-MOSFET)為(wei) 代表的全控型器件迅速發展,第二代電力電子器件應運而生,推動功率半導體(ti) 器件朝著智能化、高頻化的方向發展。1980年代後期,絕緣柵雙極型晶體(ti) 管(IGBT)出現,它集合了MOSFET的驅動功率小、開關(guan) 速度快和BJT通態壓降小、載流能力大的優(you) 點,成為(wei) 現代功率半導體(ti) 的主要器件,在中低頻大功率電源中占重要地位。到20世紀90年代,智能功率模塊又推動功率器件的發展向大功率、高頻化、高效率邁進一大步。
功率半導體(ti) 器件主要有功率模組、功率集成電路和分立器件三大類。其中,功率模組是將多個(ge) 分立功率半導體(ti) 器件進行模塊化封裝;功率集成電路對應將分立功率半導體(ti) 器件與(yu) 驅動/控製/保護/接口/監測等外圍電路集成;而分立功率半導體(ti) 器件則是功率模塊與(yu) 功率集成電路的關(guan) 鍵。
隨著技術的不斷進步,功率半導體(ti) 器件也在不斷演進。自上世紀80年代起,功率半導體(ti) 器件MOSFET、IGBT和功率集成電路逐步成為(wei) 了主流應用類型。根據年產(chan) 值貢獻來看,IGBT、MOSFET、二極管及整流橋占據了功率半導體(ti) 八成左右市場。
MOSFET:金屬-氧化物半導體(ti) 場效應晶體(ti) 管,簡稱金氧半場效應晶體(ti) 管,是一種可以廣泛使用在模擬電路與(yu) 數字電路的場效應晶體(ti) 管。根據IHS統計數據,從(cong) 市場份額來看,MOSFET幾乎都集中在國際大廠手中,其中英飛淩自2015年收購美國國際整流器公司後超越富士電機一躍成為(wei) 行業(ye) 龍頭;安森美也在2016年9月完成對仙童半導體(ti) 的收購後,市占率躍升至第二位。在中國大陸市場部分,本土企業(ye) 士蘭(lan) 微和華微電子也占據了一席之地。
IGBT:絕緣柵雙極型晶體(ti) 管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體(ti) 器件,驅動功率小而飽和壓降低。適用於(yu) 直流電壓為(wei) 600V及以上的變流係統如交流電機、變頻器、開關(guan) 電源、照明電路、牽引傳(chuan) 動等領域。目前全球IGBT市場結構與(yu) MOSFET類似,主要被5大原廠所長期壟斷。根據賽迪智庫統計,2017年英飛淩全球市場份額占比最高,達29%,三菱電機、富士電機、安森美、ABB分別以19%、12%、9%、5%的市場份額緊隨其後。
整流管:二極管,一般通過的電流較大,利用二極管單向導電性,可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動直流電。功率二極管是中國大陸發展得最好的功率半導體(ti) 器件領域,根據中國電子信息產(chan) 業(ye) 統計年鑒數據,2017年全球除Vishay(威世)以11.71%的市場占有率排名第一外,第二至第八名之間的市場份額差距並不大。加上不少國際大廠因為(wei) 功率二極管門檻低、毛利潤小的原因正在逐漸放棄這類市場,產(chan) 能轉向中國大陸和台灣地區的趨勢明顯。
晶閘管:晶體(ti) 閘流管的簡稱,具有矽整流器件的特性,能在高電壓、大電流條件下工作,被廣泛應用於(yu) 可控整流、交流調壓、無觸點電子開關(guan) 、逆變及變頻等電子電路中。目前大部分晶閘管產(chan) 品需要進口,未來幾年國產(chan) 替代空間很大。全球晶閘管市場規模大約60億(yi) 元,國內(nei) 晶閘管的市場規模大約30億(yi) 元,占全球規模的50%左右。國內(nei) 大功率半導體(ti) 龍頭IDM企業(ye) 台基股份的主打產(chan) 品即為(wei) 晶閘管,官方資料顯示,目前公司已形成年產(chan) 200萬(wan) 隻大功率晶閘管及模塊的生產(chan) 能力,產(chan) 品具有技術成熟性,是中國大功率半導體(ti) 器件主要的提供者之一。
隨著工業(ye) 、電網等傳(chuan) 統行業(ye) 在電子化進程中不斷加速。在產(chan) 業(ye) 電子化升級的新時代,功率半導體(ti) 作為(wei) 其中的不可或缺的一環,也越來越得到重視與(yu) 應用,在新興(xing) 藍海中逐漸煥發出新活力。
轉載請注明出處。