功率半导体的未来

shuszhao

据市场研究公司IC Insights的数据，功率器件市场在经过五年的库存调整，经济不确定性和价格下滑之后，将保持稳定增长。

                               
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功率器件是230亿美元分立半导体市场中最大的一块，因为它们在控制和调节所有类型的电子设备（包括越来越多的电池供电系统）中发挥着至关重要的作用。


功率半导体的未来

SiC带来的革命
使用SiC架构的功率半导体解决方案，在过去几年中展现出巨大的增长，这将会是改革的原动力。这个市场发展背后的驱动力则是依赖以下的趋势：节能，减小尺寸，系统集成和提高可靠性。
快速硅基开关与SiC二极管的组合通常被称为“混合”解决方案。例如近年来，英飞凌已经生产了数百万个混合模块，并将其安装在各种客户产品中。
使用SiC MOSFET转换器的开关频率增加，可能会导致磁性部件的体积和重量大大减少。根据英飞凌进行的分析，建立在SiC器件上的转换器与现有的基于Si的参考解决方案相比，尺寸仅有三分之一，重量也只有25%。由于体积和重量的显着降低，系统成本也可以降低20%以上。
在接下来的几年中，SiC解决方案将扩展到其他应用领域，如工业或牵引驱动。其原因是市场趋势要求要降低损耗，这不仅是为了提高效率，而且也是为了减小封装，因而也减少了对散热器的要求。如下图所示，SiC已被用于高端和利基解决方案。今日的设计将可使用这些优势来降低特定应用领域的系统成本。

                               
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双功率MOSFET有效减小产品体积
过去数十年来，MOSFET的尺寸不断地变小缩小。早期的集成电路MOSFET工艺中，沟道长度约在几个微米的等级。但是到了今日的集成电路工艺，这个参数已经缩小了几十倍甚至超过一百倍。至90年代末，MOSFET尺寸仍在不断缩小，让集成电路的效能大大提升，这些技术上的突破与半导体工艺的进步有着密不可分的联系。
MOSFET的尺寸越小越好，越小的MOSFET代表着其沟道长度减少，让沟道的等效电阻也减少，可以过更大的电流。虽然沟道宽度也可能跟着变小而让沟道等效电阻变大，但是如果能降低单位电阻，那么这个问题就可以解决。
此外，MOSFET的尺寸变小意味着栅极面积减少，如此可以降低等效的栅极电容。此外，越小的栅极通常会有更薄的栅极氧化层，这可以让前面提到的沟道单位电阻值降低。不过这样的改变同时会让栅极电容反而变得较大，但是和减少的沟道电阻相比，优点仍多于缺点，而MOSFET在尺寸缩小后的切换速度也会因为上面两个因素而变快。
IGBT前景依然广阔
IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）是电源应用中相当常见的器件，可用于交流电的电机控制输出。尽管，各大厂商都开始在SiC上布局，但IGBT的应用前景依然十分广阔。特别是在中大功率领域，IGBT是市场上的主流产品。而这部分主要市场仍然被国外企业所主导。
IGBT是主要用作电子开关的三端子功率半导体器件，正如其开发的目的，结合了高效率和快速的开关功能，它在许多应用中切换电力，像是变频驱动（VFD）、电动汽车、火车、变速冰箱、灯镇流器和空调。传统的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）的导通电阻小，但是驱动电流大，而MOSFET的导通电阻大，却有着驱动电流小的优点。IGBT正是结合了这两者的优点：不仅驱动电流小，导通电阻也很低。
具有四个交替层（P-N-P-N）的IGBT由不具有再生作用的金属氧化物半导体（MOS）栅极结构控制。由于其设计为可以快速地打开和关闭，因此放大器通常会使用它通过脉宽调制和低通滤波器来合成复杂的波形。除了将n +漏极替换为p +集电极层之外，IGBT单元的构造类似于n沟道垂直构造的功率MOSFET，从而形成垂直的PNP双极结型晶体管。该附加的p +区域产生PNP双极结型晶体管与表面n沟道MOSFET的级联连接。
IGBT将MOSFET的简单栅极驱动特性与双极晶体管的高电流和低饱和电压能力相结合。IGBT将用于控制输入的隔离栅极FET和作为单个器件中开关的双极型功率晶体管组合在一起。
IGBT产业链主要厂商
据SITRI产业研究，纵观全球市场，IGBT主要供应厂商基本是欧美及日本几家公司，它们代表着目前IGBT技术的最高水平，包括德国英飞凌、瑞士ABB、美国IR、飞兆以及日本三菱、东芝、富士等公司。其IGBT技术基本发展到第六代技术产品，IGBT产品覆盖了600-6500V/2-3600A全线产品。在高电压等级领域（3300V以上）更是完全由英飞凌、ABB、三菱三大公司所控制，在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平。
我国的IGBT厂商主要包含IDM厂商株洲中车时代电气、深圳比亚迪、杭州士兰微、吉林华微、中航微电子、中环股份等；模组厂商西安永电、西安爱帕克、威海新佳、江苏宏微、嘉兴斯达、南京银茂、深圳比亚迪等；芯片设计厂商中科君芯、西安芯派、宁波达新、无锡同方微、无锡新洁能、山东科达等；芯片制造厂商华虹宏力、上海先进、深圳方正微、中芯国际、华润上华等。

                               
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