AT 功率器件的进阶之路

功率器件，也被称为电力电子器件，简单来说，就是具有处理高电压、大电流能力的功率型半导体器件，由于早期主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面，因此得名“电力电子器件”。

Q：功率处理怎么理解？

A：一般指的是变频、变压、变流、功率管理等电路处理动作。

Q：高电压有多高？大电流有多大？

A：电压处理范围通常为数百伏以上，电流为数十至数千安。

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：功率器件这么多，如何分类？

A：按照导通、关断的受控情况可分为不可控、半控和全控型功率器件；按照载流子导电情况可分为双极型、单极型和复合型功率器件；按照控制信号情况，可以分为电流驱动型和电压驱动型功率器件。

功率器件的进阶历程：

1）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。

2）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，成为三极真空管，并兼具放大与振荡的功能。

3）水银整流器时代：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。

4）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。

5）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，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。

6）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。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。

Strategy Analytics预测，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。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，2019年全球前10大厂商清一色为欧美日企业，从体量上看欧洲功率器件厂商似乎不占优势，但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，2018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，2019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％。

    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2020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。

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。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。