【核芯观察】功率半导体产业链分析（一）

前言：核芯产业梳理是电子发烧友编辑部出品的深度系列专栏，目的是用最直观的方式令读者尽快理解电子产业架构，理清上、中、下游的各个环节，同时迅速了解各大细分环节中的行业现状。功率半导体是大多数电力能源使用过程中必须要用到的器件，无论是由电池、发电机等提供的电能，大多都需要由功率半导体器件进行转换后才能够供给用电设备使用。随着绿色能源以及电动汽车的发展，功率半导体迎来新一轮增长。本期核芯观察将系统梳理功率半导体的具体类型，以及不同种类功率半导体的特点。

 
一、功率半导体分类梳理：分立器件、功率模块、功率IC
 
功率半导体分类
 
功率半导体是电能转换以及电路控制的核心器件，通过对电流和电压进行调控，实现系统中电能的转换和传输分配，在电子电力设备中起到重要作用。具体来说，功率半导体主要起到包括变频、整流（交流转直流）、逆变（直流转交流）、功率放大、功率转换、功率开关等作用。

 
功率半导体从半导体分类来看，可以分为分立器件中的功率器件以及集成电路中的功率IC两大部分。如果按照集成度分，那么可以进一步分为功率器件、功率模块、功率IC三个部分。
 
分立器件
功率分立器件包括二极管、晶闸管、晶体管，晶体管下还包括BJT（双极性结型晶体管，三极管）以及目前主流的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等几种细分领域。
 
另外，传统的功率半导体采用硅基材料制造，不过目前包括SiC、GaN在内的第三代半导体材料正在功率应用中加速渗透。SiC主要在一些高频高压大功率场景应用，比如新能源汽车、光伏逆变器、工业电源等；GaN在高频低压场景，包括快速充电器、服务器电源、激光雷达等应用。
 
SiC分立器件目前主流的有SiC MOSFET、SiC SBD等，GaN则主要是GaN HEMT和GaN FET，其中GaN FET也有两个主流的方向，包括增强型（E-Mode，单芯片常关器件）和耗尽型（D-Mode，双芯片常关器件）。
 
二极管：二极管是最早诞生的半导体器件之一，是由PN结或肖特基结（金属－半导体）加上引线和封装构成。二极管具有单向导电的特性，即电流流动或不流动取决于施加电压的方向，因此能够实现防反接、整流（交流电转为单向直流电）等作用。根据应用电压范围及结构可分为整流二极管、快恢复二极管、TVS二极管及肖特基二极管等。
 
晶闸管：晶闸管又叫可控硅，属于开关元件，由四层半导体材料组成，包括P1N1P2N2，有三个PN结，对外有三个电极。相比于二极管，晶闸管主要是多了一个控制极，而由于这个控制极的存在，使得晶闸管拥有导通和关断两种状态，而二极管只有导通一种状态，这也是晶闸管又被称为“可控硅”的原因。
 
当晶闸管控制极施加一个正脉冲信号时，晶闸管就会导通，电流可以从阳极流向阴极。一旦晶闸管导通，它将一直保持导通状态，直到电流降为零或者施加一个反向电压。即晶闸管可自主实现打开，但无法自动关断，所以在驱动电路设计上会较为复杂。
 
在应用上，晶闸管还有以小电流控制大电流、以低电压控制高电压的作用，具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、耐压高等优点，在无触点开关，可控整流、直流逆变、调压、调光和调速等方面得到广泛的应用。
 
晶体管：严格意义上说，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元器件，不过按照可控性来分，二极管是不可控器件、晶闸管是半控型器件，而晶体管就代指全控型的器件，也就是拥有控制打开和关闭电路能力的器件。主流的全控型晶体管有三极管（BJT）、IGBT、MOSFET等。
 
三极管由两个PN结构成，具有三个电极，最主要的功能是在电路中起到电流放大和开关作用，三极管可以将微弱的电信号放大成一定强度的信号。在导通时，三极管需要有连续的电流供应，可以实现电流线性放单，同时依靠小电流可以控制开关通断。三极管具有高耐压、导通电阻低等特性，不过工作中存在拖尾电流，限制了开关速度。
 
MOSFET全称金属－氧化物半导体场效应晶体管，通过控制MOSFET漏极和源极、栅极与源极之间的电压，可使得电子在器件中形成沟道，实现器件的导通。同时MOSFET可以通过调节电压的大小可以控制导通电流大小，最终实现开关的切换。按照不同的工艺，MOSFET可以分为平面型、沟槽型、屏蔽栅、超级结等几种类型；按照导电沟道可以分为N沟道和P沟道，也就是N-MOSFET 和 P-MOSFET；按照栅极电压幅值可分为耗尽型和增强型。
 

 
MOSFET具有开关频率高、输入阻抗高、噪声低、热稳定性好等优点，适用于高频中高压应用，但硅基MOSFET在高耐压下导通电阻会很高。
 
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管的缩写，是由三极管BJT和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，工作原理与MOSFET类似，但IGBT具备MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快的优势，还同时具备了BJT通态电流大、通电压低、损耗小等优点。
 
相比于MOSFET，IGBT由于串联的结构，耐压等级更高，导通电阻更低，不过由于存在拖尾电流，相比MOSFET的开关频率要较低。所以MOSFET主要适用于1200V以下、100-1000KHz的领域，比如消费电子设备、1200V以下的变频器、电焊机、发电设备等；而IGBT更加适用于600V至6500V范围内，频率小于100KHz的领域，比如电动汽车、地铁、大型发电设备、工业设备、电网等。
 
当然由于第三代半导体SiC和GaN的发展，SiC MOSFET也开始往千伏以上的高压领域渗透。比如早在2016年美国通用电气公司就基于15kV SiC MOSFET开发出全球首台固态变压器。
 
功率模块
功率模块顾名思义，是由多个分立的功率单管按照不同的需求来进行串、并联，通过特殊的封装组成一个整体的模块。功率模块一般用于高压、大电流场景，相比于功率单管的应用，功率模块能够简化外部的电路，同时整体的耐压规格更高。
 
功率模块的种类较多，包括IGBT模块、Si MOSFET模块、SiC模块、混合模块等。
 
主流的是由硅基IGBT和FRD（快恢复二极管）组成的IGBT模块，不过IGBT的拖尾电流和FRD的恢复电流导致开关损耗相对较大，这个问题可以采用SiC功率模块来进行改善。
 
另一方面由于SiC MOSFET的价格较高，目前有一些采用IGBT+SiC SBD的混合模块也在市场上应用。而在更高端的电动汽车上，比如800V平台的电动汽车主驱逆变器中，目前主要使用SiC MOSFET + SiC SBD的SiC模块。
 
除此之外，为了持续简化应用，提高集成度，催生出了智能功率模块IPM。IPM内部在功率模块的基础上集成了逻辑、控制、检测和保护电路，减小系统体积、降低开发时间的同时，还提高了系统的可靠性。
 
功率IC
功率IC分类同样较为多样，包括线性稳压器LDO、DC-DC、AC-DC、PMIC、驱动IC等等。功率IC通常由功率器件、电源管理芯片和相关的驱动电路、保护电路集成，结构与前面提到的IPM模块有点类似，不同之处在于IPM可以用于大电流大功率应用，而功率IC一般能承受的电流较小，且集成度更高，常用于消费电子领域。
 
LDO：LDO全称是low dropout regulator低压差稳压器，这是一种线性稳压器，主要的用途是降压稳压，也就是在LDO的安全输入电压范围之内，LDO的输出电压都能基本保持恒定，并且提供高效率、低噪声、低输出纹波。
 
DC-DC：DC-DC芯片是开关电源的一种，作用主要是将输入电压转换成所需电压，同时输入输出都是直流电，具有较高的电压稳定性和抗干扰能力。与LDO不同的是，DC-DC输出电压可升压、降压以及反向输出等。
 
AC-DC：AC-DC芯片的作用是将交流转换为直流，其功率流向可以是双向的，即也可以直流转换为交流。其中交流电转换为直流电的功率流向是由电源传向负载，这种过程被称为整流；直流电转换成某种频率或者可变频率的交流电直接供负载使用，被称为逆变。
 
PMIC：即电源管理IC，是一种应用领域极为广泛的芯片，主要作用是控制电量流向和流量，以配合系统电路的需求，比如在多个电源，包括电池、外部电源等分配、选择电力提供给电路中的各个部分使用。PMIC集成度较高，可以实现包括LDO、电池电量计、DC-DC、温度检测等多种功能。
 
驱动IC：驱动IC是将控制信号转换成能够被外部的设备和执行的指令和信号，有时候驱动IC还集成电源管理、温度控制、电压调节、电流保护等功能。根据应用的不同，有时候不同的用电设备运作需要不同的电流控制模式，所以比较常见的有LED驱动IC、电机驱动IC等产品。
 
下一期，我们将继续针对主要的功率器件细分领域，包括IGBT、MOSFET等进行深入分析，并介绍功率半导体市场的规模以及结构现状。记得关注我们～