功率半导体是什么意思-常见功率半导体器件汇总-功率器件优缺点及市场分析

常见功率半导体器件汇总-功率器件优缺点及市场分析功率半导体器件介绍

电力电子器件又称功率半导体器件，用于功率转换和功率控制电路中的大功率（通常电流为数万至数千安培，电压为数百伏）电子器件。 可分为半受控设备、全受控设备和非受控设备。 其中，晶闸管是所有器件中耐压和电流容量最高的半控器件； 功率二极管是一种结构和原理简单的不可控器件。 可靠的; 又可分为电压驱动器件和电流驱动器件，其中GTO、GTR为电流驱动器件，IGBT、功率MOSFET为电压驱动器件。

功率半导体器件是集成电路中非常重要的组成部分。 市场空间超过400亿美元。 从大的角度看，超过200亿美元是功率IC，超过100亿是功率器件。 手机充电器和手机都会有用电器件。 功率器件的主要部分是体积较大的IGBT。 如果IGBT和VDMOS做得好，就是一个非常好的硬件厂商。 IGBT模块是双器件，其特点是频率较低，但能量密度稍高。 所以和新能源汽车一样，轨道交通的应用也更加广泛​​。

功率半导体器件的优缺点

功率二极管：结构及原理简单，工作可靠；

晶闸管：所有器件中电压和电流容量最高

IGBT：开关速度高、开关损耗小、承受脉冲电流冲击能力强、通态压降低、输入阻抗高、电压驱动、驱动功率低； 缺点：开关速度低于功率MOSFET，电压和电流容量低于GTO

GTR：耐压高、电流大、开关特性好、通流能力强、饱和电压低； 缺点：开关速度低，电流驱动，需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题

GTO：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制作用，通流能力很强； 缺点：电流关断增益小，关断时栅极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低

功率MOSFET：开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、所需驱动功率低、驱动电路简单、工作频率高、无二次击穿问题； 缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

制约因素：耐压、电流容量、开关速度

常见功率半导体器件汇总

1.MCT(MOSControlledThyristor)：MOS控制晶闸管

MCT的等效电路图

MCT是一种新型MOS和双极复合器件。 如图所示。 MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动MCT功率和快速开关速度的特性与晶闸管的高电压、大电流的特性相结合，形成大功率、高电压、快速的全控器件。 MCT 本质上是一个 MOS 门控晶闸管。 它可以在门上添加一个窄脉冲来打开或关闭它，它是由无数单元并联而成。 与GTR、MOSFET、IGBT、GTO等器件相比，具有以下优点：

（1）高电压、大电流容量，阻断电压已达到3000V，峰值电流已达到1000A，可关断的最大电流密度为6000kA/m2；

（2）通态压降小，损耗小，通态压降在11V左右；

（3）极高的dv/dt和di/dt耐受性，dv/dt已达到20kV/s，di/dt为2kA/s；

（4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1000V器件可在2s内关断；

2.IGCT（集成门极换流晶闸管）

IGCT是在晶闸管技术基础上结合IGBT和GTO技术开发的新型器件。 适用于高电压、大容量的变频系统。 它是一种用于巨型电力电子成套设备的新型功率半导体器件。

IGCT将GTO芯片与反并联二极管和栅极驱动电路集成在一起，然后在外围连接低电感的栅极驱动，结合了晶体管的稳定关断能力和低通态的优点晶闸管损耗。 晶闸管的性能在导通阶段展现，而晶体管的特性在关断阶段展现。 如果不并联IGCT芯片，两电平逆变器的功率为0.5~3MW，三电平逆变器的功率为1~6MW； 如果反向二极管分离，不与IGCT集成，则两电平逆变器的功率可扩展至4/5MW，三电平逆变器的功率可扩展至9MW。

3.IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)电子注入增强型栅极晶体管

IEGT是耐压4kV以上的IGBT系列电力电子器件。 它通过采用增强型注入结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件的发展取得了飞跃。 IEGT作为MOS系列电力电子器件，具有潜在的发展前景。 具有低损耗、高速运行、高耐压、智能有源栅极驱动等特点，同时还具有采用沟槽结构、多芯片并联、自平衡等特点。 进一步扩大现有产能具有巨大潜力。

此外，还可以通过模块封装提供许多衍生产品，有望应用于大中容量转换器应用。 日本东芝公司开发的IECT利用电子注入增强效应，使其兼有IGBT和GTO的优点：低饱和压降、安全工作区（吸收电路容量仅为GTO的十分之一左右）、低栅极驱动功率（比GTO低两个数量级）和更高的工作频率。 该装置采用扁平压接电机引出结构，可靠性高，性能达到4.5kV/1500A水平。

4.IPEM(IntergeratedPowerElectronicsModules)：集成电力电子模块

IPEM是一个集成了电力电子装置众多器件的模块。 它首先将半导体器件MOSFET、IGBT或MCT与二极管芯片封装在一起形成积木单元，然后将这些积木单元堆叠在穿孔的高导绝缘陶瓷基板上。 铜基板、氧化铍陶瓷芯片和散热器。 在构建块单元的上部，控制电路、栅极驱动器、电流和温度传感器以及保护电路通过表面安装集成在薄绝缘层上。 IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路布线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率和可靠性。

5.PEBB（电力电气积木）

电力电子积木PEBB（PowerElectricBuildingBlock）是在IPEM基础上开发的可处理电能集成的装置或模块。 PEBB不是特定的半导体器件，而是根据最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。 典型的 PEBB 如上所示。 虽然它看起来很像功率半导体模块，但 PEBB 除了功率半导体器件之外，还包括栅极驱动电路、电平转换器、传感器、保护电路、电源和无源器件。

PEBB具有能量接口和通信接口。 通过这两个接口，多个PEBB可以组成一个电力电子系统。 这些系统可以像小型 DC-DC 转换器一样简单，也可以像大型分布式电源系统一样复杂。 在一个系统中，PEBB的数量可以是1到任意数量。 多个PEBB模块可以协同工作，完成电压转换、能量存储和转换、阴极电阻匹配等系统级功能。 PEBB最重要的特点是它的多功能性。

6.超高功率晶闸管

自从晶闸管（SCR）问世以来，其功率容量增加了近3000倍。 现在许多国家已经能够稳定生产8kV/4kA晶闸管。 日本现已投入生产8kV/4kA和6kV/6kA光触发晶闸管（LTT）。 电触发晶闸管主要产于美国和欧洲。 近十年来，由于自关断器件的快速发展，晶闸管的应用领域有所缩小。 但由于其高电压、大电流的特性，广泛应用于HVDC、静态无功补偿（SVC）、大功率直流电源等领域。 而超高功率和高压变频调速应用仍然占据着非常重要的地位。 预计未来几年，晶闸管将继续向高电压、大电流应用领域发展。

现在吉祥物，许多制造商可以提供额定开关功率为36MVA（6kV/6kA）的高压大电流GTO。 传统 GTO 的典型关断增量仅为 3-5。 GTO关断期间的不均匀性造成的“挤压效应”使得必须将关断期间的dv/dt限制在500-1kV/μs。 为此吉祥物，必须使用笨重且昂贵的缓冲电路。 另外，其栅极驱动电路较为复杂，需要较大的驱动功率。 迄今为止，栅控功率半导体器件最常用于高压（VBR>3.3kV）、大功率（0.5-20MVA）牵引、工业和功率逆变器。 目前GTO最高研究水平为6in、6kV/6kA和9kV/10kA。 为了满足电力系统对1GVA以上三相逆变电源和电压源的需要，近期极有可能开发出10kA/12kV GTO，并有可能解决连接多于1GVA的技术。 30台高压GTO串联，有望让电力电子技术走向世界。 在电力系统中的应用达到了一个新的水平。

7、脉冲功率闭合投切晶闸管

该器件特别适合提供极高峰值功率（几兆瓦）和极短持续时间（几纳秒）放电闭合开关的应用，例如：激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。 该装置可以在几kV的高压下快速开启，不需要放电电极，使用寿命长，体积小，价格相对较低。 有望取代高压离子闸流管、点火管、火花隙开关或真空开关等。

该器件独特的结构和工艺特点是：栅极-阴极周长很长，形成高度交织的结构，栅极面积占芯片总面积的90%，而阴极面积仅占10%； 基极空穴电子寿命很长，水平栅阴极距离小于一个扩散长度。 以上两个结构特点保证了器件的阴极面积在开机瞬间能得到100%的利用。 此外，该器件的阴极电极采用了较厚的金属层，以承受瞬时峰值电流。

8、新型GTO器件——集成门极换流晶闸管

目前传统 GTO 有两种替代方案：高功率 IGBT 模块和新型 GTO 衍生产品 – 集成门极换流 IGCT 晶闸管。 IGCT晶闸管是一种新型大功率器件。 与传统GTO晶闸管相比，它具有无需缓冲电路即可实现可靠关断、存储时间短、开通能力强、关断栅极电荷等优良特性。 应用系统（包括阳极电抗器、缓冲电容等所有器件及外围元件）总功耗较低。

9.大功率沟槽栅结构IGBT（TrenchIGBT）模块

当今大功率IGBT模块中的IGBT单元通常采用沟槽栅结构IGBT。 与平面栅结构相比，沟槽栅结构通常采用1μm的加工精度，大大提高了单元密度。 由于栅极沟槽的存在，消除了平面栅极结构器件中相邻单元之间形成的结型场效应管效应，同时引入了一定的电子注入效应，从而降低了导通电阻。 为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了条件。 因此，近年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种结构。

10、电子注入增强型栅极晶体管IEGT（InjectionEnhancedGateTrangistor）

近年来，日本东芝公司开发了IEGT。 与IGBT一样，它也有平面栅和沟槽栅两种结构。 前者产品即将问世，后者仍在开发中。 IEGT兼有IGBT和GTO的一些优点：饱和压降低、安全工作区宽（吸收电路容量仅为GTO的1/10左右）、栅极驱动功率低（比GTO数量级低2倍）和更高的栅极驱动功率。工作频率。 此外，该器件采用板压接电极引出结构，有望具有更高的可靠性。

与IGBT相比，IEGT结构的主要特点是栅极长度Lg较长，靠近栅极的N长基区横向电阻值较高，因此空穴注入N长基区来自集电极的电流并不像在IGBT中一样，横向地通过P区顺利流入发射极，而是在该区域形成一层空穴积累层。 为了保持该区域的电中性，发射极必须通过N沟道向N长基极区域注入大量电子。 这样，在N长基极区的发射极侧也形成高浓度的载流子积累，在N长基极区中形成类似GTO的载流子分布，从而更好地解决高浓度的问题。电流和高耐受电压。 矛盾。 目前该装置已达到4.5kV/1kA的水平。

11.MOS门控晶闸管

MOS栅控晶闸管充分利用晶闸管良好的通态特性、优良的开通和关断特性，期望具有优良的自关断动态特性、极低的通态压降和高耐压，成为功率器件的未来。 并有望成为电力系统中的高压大功率器件。 目前，全球有十几家公司积极开展MCT研究。 MOS门控晶闸管主要有三种结构：MOS场控晶闸管（MCT）、基极电阻控制晶闸管（BRT）和发射极开关晶闸管（EST）。 其中，EST可能是MOS门控晶闸管中最有前途的结构。 但该装置要成为商业化的实用装置并达到替代GTO的水平还需要很长时间。

12. 砷化镓二极管

随着转换器的开关频率不断提高，对快恢复二极管的要求也随之提高。 众所周知，它具有比硅二极管更优越的高频开关特性，但由于工艺技术等原因，砷化镓二极管耐压较低，实际应用受到限制。 为了满足高电压、高速、高效率和低EMI应用的需要，摩托罗拉公司已成功开发出高压砷化镓高频整流二极管。 与硅快恢复二极管相比，这种新型二极管的显着特点是：反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。

在新型半导体材料制成的功率器件中，最有前途的是碳化硅（SiC）功率器件。 其性能指标比砷化镓器件高一个数量级。 与其他半导体材料相比，碳化硅具有以下优异的物理特性：高带隙、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、低介电常数和高导热率。 上述优异的物理性能决定了碳化硅是高温、高频、大功率应用的理想半导体材料。 在相同耐压和电流条件下功率半导体是什么意思，SiC器件的漂移区电阻比硅低200倍。 低得多。 而且SiC器件的开关时间可以达到10nS量级，并且具有非常优越的FBSOA。

SiC可用于制造射频和微波功率器件、各种高频整流器、MESFET、MOSFETS和JFETS等。

功率器件市场

在2017年Yole统计报告中，VDMOS拥有60亿美元的市场空间，其中大部分是40v以下的器件。 从市场份额来看，我们关心的是增速和市场份额最大的汽车电子。 其次是计算机和存储，其市场份额特别大。 但由于PC的发展比较缓慢功率半导体是什么意思，其增长幅度也比较小。 另一个是网络通讯。 虽然目前市场份额不大，但增长速度很快，与汽车电子基本持平。 大家都知道，我们国家的通信业并不差。 比如通信行业的华为、中兴分别是第一和第四。 所以，随着成套装备的发展，国家应该会有一个好的发展。

在2016年的统计报告中，就功率器件和一些重要参与者的市场份额而言，0至40V的体量实际上是最大的。 因为只要是手持设备，像数码相机、手机这样的东西，使用量就非常大，而且它的市场占有率也非常高。 下面是40V到100V，为什么这么高？ 就是因为汽车的原因，汽车电源都是12V的，很多都是60到100V之间的。 大于400V的部分统称为高压器件。 谁是重要的球员？ 从排名第一到第十，基本没有中国厂商。 客观地讲，中国厂商跻身十五名难度较大。 第一名是一家很老的厂家，之前份额没有那么多，三年前就收购了一家重要的厂家。 第二名是On Semi，所以总体来说，在该细分市场，欧美和日本控制着大部分厂商。

从VDMOS进一步细分就是汽车电子。 2018年这个市场规模为14亿美元，并且每年增速都在逐步提高。 前十名中仍然没有中国制造商。 另一个市场份额比较大的领域是计算和存储市场，2018年市场份额为14亿美元。但由于PC发展缓慢，处于稳定状态。 即便如此，在这个非常大的市场中，仍然没有中国制造商跻身前十。 严格来说，15 位也没有。 我们一直说中国是制造大国，而不是制造强国，因为高端制造找不到中国制造商。

再看另一个非常重要的功率器件IGBT。 2018年整体IGBT市场开始逼近50亿美元，我们也列出了重要的参与者。 IGBT的电压很宽，从400V到6500V都有应用，所以一个厂家很难垄断一个市场，所以厂家选择自己擅长的领域。 这是第一梯队、第二梯队、第三梯队。 第一梯队依然是英飞凌和三菱，轨道交通则被ABB垄断，很难看到中国厂商的身影。 中车只包含4500V领域，但严格来说，中车并没有大批量量产IGBT。 因此，在整体如此庞大的IGBT市场中，中国的参与度相对较低。