【核芯觀(guān)察】功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈分析（一）

前言：核芯產(chǎn)業(yè)梳理是電子發(fā)燒友編輯部出品的深度系列專(zhuān)欄，目的是用最直觀(guān)的方式令讀者盡快理解電子產(chǎn)業(yè)架構(gòu)，理清上、中、下游的各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)迅速了解各大細(xì)分環(huán)節(jié)中的行業(yè)現(xiàn)狀。功率半導(dǎo)體是大多數(shù)電力能源使用過(guò)程中必須要用到的器件，無(wú)論是由電池、發(fā)電機(jī)等提供的電能，大多都需要由功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換后才能夠供給用電設(shè)備使用。隨著綠色能源以及電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體迎來(lái)新一輪增長(zhǎng)。本期核芯觀(guān)察將系統(tǒng)梳理功率半導(dǎo)體的具體類(lèi)型，以及不同種類(lèi)功率半導(dǎo)體的特點(diǎn)。

一、功率半導(dǎo)體分類(lèi)梳理：分立器件、功率模塊、功率IC

功率半導(dǎo)體分類(lèi)

功率半導(dǎo)體是電能轉(zhuǎn)換以及電路控制的核心器件，通過(guò)對(duì)電流和電壓進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中電能的轉(zhuǎn)換和傳輸分配，在電子電力設(shè)備中起到重要作用。具體來(lái)說(shuō)，功率半導(dǎo)體主要起到包括變頻、整流（交流轉(zhuǎn)直流）、逆變（直流轉(zhuǎn)交流）、功率放大、功率轉(zhuǎn)換、功率開(kāi)關(guān)等作用。
功率半導(dǎo)體從半導(dǎo)體分類(lèi)來(lái)看，可以分為分立器件中的功率器件以及集成電路中的功率IC兩大部分。如果按照集成度分，那么可以進(jìn)一步分為功率器件、功率模塊、功率IC三個(gè)部分。

分立器件
功率分立器件包括二極管、晶閘管、晶體管，晶體管下還包括BJT（雙極性結(jié)型晶體管，三極管）以及目前主流的MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）等幾種細(xì)分領(lǐng)域。

另外，傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體采用硅基材料制造，不過(guò)目前包括SiC、GaN在內(nèi)的第三代半導(dǎo)體材料正在功率應(yīng)用中加速滲透。SiC主要在一些高頻高壓大功率場(chǎng)景應(yīng)用，比如新能源汽車(chē)、光伏逆變器、工業(yè)電源等；GaN在高頻低壓場(chǎng)景，包括快速充電器、服務(wù)器電源、激光雷達(dá)等應(yīng)用。

SiC分立器件目前主流的有SiC MOSFET、SiC SBD等，GaN則主要是GaN HEMT和GaN FET，其中GaN FET也有兩個(gè)主流的方向，包括增強(qiáng)型（E-Mode，單芯片常關(guān)器件）和耗盡型（D-Mode，雙芯片常關(guān)器件）。

二極管：二極管是最早誕生的半導(dǎo)體器件之一，是由PN結(jié)或肖特基結(jié)（金屬－半導(dǎo)體）加上引線(xiàn)和封裝構(gòu)成。二極管具有單向?qū)щ姷奶匦?，即電流流?dòng)或不流動(dòng)取決于施加電壓的方向，因此能夠?qū)崿F(xiàn)防反接、整流（交流電轉(zhuǎn)為單向直流電）等作用。根據(jù)應(yīng)用電壓范圍及結(jié)構(gòu)可分為整流二極管、快恢復(fù)二極管、TVS二極管及肖特基二極管等。

晶閘管：晶閘管又叫可控硅，屬于開(kāi)關(guān)元件，由四層半導(dǎo)體材料組成，包括P1N1P2N2，有三個(gè)PN結(jié)，對(duì)外有三個(gè)電極。相比于二極管，晶閘管主要是多了一個(gè)控制極，而由于這個(gè)控制極的存在，使得晶閘管擁有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)，而二極管只有導(dǎo)通一種狀態(tài)，這也是晶閘管又被稱(chēng)為“可控硅”的原因。

當(dāng)晶閘管控制極施加一個(gè)正脈沖信號(hào)時(shí)，晶閘管就會(huì)導(dǎo)通，電流可以從陽(yáng)極流向陰極。一旦晶閘管導(dǎo)通，它將一直保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到電流降為零或者施加一個(gè)反向電壓。即晶閘管可自主實(shí)現(xiàn)打開(kāi)，但無(wú)法自動(dòng)關(guān)斷，所以在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上會(huì)較為復(fù)雜。

在應(yīng)用上，晶閘管還有以小電流控制大電流、以低電壓控制高電壓的作用，具有體積小、重量輕、功耗低、效率高、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，可控整流、直流逆變、調(diào)壓、調(diào)光和調(diào)速等方面得到廣泛的應(yīng)用。

晶體管：嚴(yán)格意義上說(shuō)，晶體管泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元器件，不過(guò)按照可控性來(lái)分，二極管是不可控器件、晶閘管是半控型器件，而晶體管就代指全控型的器件，也就是擁有控制打開(kāi)和關(guān)閉電路能力的器件。主流的全控型晶體管有三極管（BJT）、IGBT、MOSFET等。

三極管由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，具有三個(gè)電極，最主要的功能是在電路中起到電流放大和開(kāi)關(guān)作用，三極管可以將微弱的電信號(hào)放大成一定強(qiáng)度的信號(hào)。在導(dǎo)通時(shí)，三極管需要有連續(xù)的電流供應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)電流線(xiàn)性放單，同時(shí)依靠小電流可以控制開(kāi)關(guān)通斷。三極管具有高耐壓、導(dǎo)通電阻低等特性，不過(guò)工作中存在拖尾電流，限制了開(kāi)關(guān)速度。

MOSFET全稱(chēng)金屬－氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通過(guò)控制MOSFET漏極和源極、柵極與源極之間的電壓，可使得電子在器件中形成溝道，實(shí)現(xiàn)器件的導(dǎo)通。同時(shí)MOSFET可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓的大小可以控制導(dǎo)通電流大小，最終實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的切換。按照不同的工藝，MOSFET可以分為平面型、溝槽型、屏蔽柵、超級(jí)結(jié)等幾種類(lèi)型；按照導(dǎo)電溝道可以分為N溝道和P溝道，也就是N-MOSFET 和 P-MOSFET；按照柵極電壓幅值可分為耗盡型和增強(qiáng)型。

MOSFET具有開(kāi)關(guān)頻率高、輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于高頻中高壓應(yīng)用，但硅基MOSFET在高耐壓下導(dǎo)通電阻會(huì)很高。

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管的縮寫(xiě)，是由三極管BJT和MOSFET組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，工作原理與MOSFET類(lèi)似，但I(xiàn)GBT具備MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)勢(shì)，還同時(shí)具備了BJT通態(tài)電流大、通電壓低、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。

相比于MOSFET，IGBT由于串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，耐壓等級(jí)更高，導(dǎo)通電阻更低，不過(guò)由于存在拖尾電流，相比MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率要較低。所以MOSFET主要適用于1200V以下、100-1000KHz的領(lǐng)域，比如消費(fèi)電子設(shè)備、1200V以下的變頻器、電焊機(jī)、發(fā)電設(shè)備等；而IGBT更加適用于600V至6500V范圍內(nèi)，頻率小于100KHz的領(lǐng)域，比如電動(dòng)汽車(chē)、地鐵、大型發(fā)電設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、電網(wǎng)等。

當(dāng)然由于第三代半導(dǎo)體SiC和GaN的發(fā)展，SiC MOSFET也開(kāi)始往千伏以上的高壓領(lǐng)域滲透。比如早在2016年美國(guó)通用電氣公司就基于15kV SiC MOSFET開(kāi)發(fā)出全球首臺(tái)固態(tài)變壓器。

功率模塊
功率模塊顧名思義，是由多個(gè)分立的功率單管按照不同的需求來(lái)進(jìn)行串、并聯(lián)，通過(guò)特殊的封裝組成一個(gè)整體的模塊。功率模塊一般用于高壓、大電流場(chǎng)景，相比于功率單管的應(yīng)用，功率模塊能夠簡(jiǎn)化外部的電路，同時(shí)整體的耐壓規(guī)格更高。

功率模塊的種類(lèi)較多，包括IGBT模塊、Si MOSFET模塊、SiC模塊、混合模塊等。

主流的是由硅基IGBT和FRD（快恢復(fù)二極管）組成的IGBT模塊，不過(guò)IGBT的拖尾電流和FRD的恢復(fù)電流導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)較大，這個(gè)問(wèn)題可以采用SiC功率模塊來(lái)進(jìn)行改善。

另一方面由于SiC MOSFET的價(jià)格較高，目前有一些采用IGBT+SiC SBD的混合模塊也在市場(chǎng)上應(yīng)用。而在更高端的電動(dòng)汽車(chē)上，比如800V平臺(tái)的電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū)逆變器中，目前主要使用SiC MOSFET + SiC SBD的SiC模塊。

除此之外，為了持續(xù)簡(jiǎn)化應(yīng)用，提高集成度，催生出了智能功率模塊IPM。IPM內(nèi)部在功率模塊的基礎(chǔ)上集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路，減小系統(tǒng)體積、降低開(kāi)發(fā)時(shí)間的同時(shí)，還提高了系統(tǒng)的可靠性。

功率IC
功率IC分類(lèi)同樣較為多樣，包括線(xiàn)性穩(wěn)壓器LDO、DC-DC、AC-DC、PMIC、驅(qū)動(dòng)IC等等。功率IC通常由功率器件、電源管理芯片和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路集成，結(jié)構(gòu)與前面提到的IPM模塊有點(diǎn)類(lèi)似，不同之處在于IPM可以用于大電流大功率應(yīng)用，而功率IC一般能承受的電流較小，且集成度更高，常用于消費(fèi)電子領(lǐng)域。

LDO：LDO全稱(chēng)是low dropout regulator低壓差穩(wěn)壓器，這是一種線(xiàn)性穩(wěn)壓器，主要的用途是降壓穩(wěn)壓，也就是在LDO的安全輸入電壓范圍之內(nèi)，LDO的輸出電壓都能基本保持恒定，并且提供高效率、低噪聲、低輸出紋波。

DC-DC：DC-DC芯片是開(kāi)關(guān)電源的一種，作用主要是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成所需電壓，同時(shí)輸入輸出都是直流電，具有較高的電壓穩(wěn)定性和抗干擾能力。與LDO不同的是，DC-DC輸出電壓可升壓、降壓以及反向輸出等。

AC-DC：AC-DC芯片的作用是將交流轉(zhuǎn)換為直流，其功率流向可以是雙向的，即也可以直流轉(zhuǎn)換為交流。其中交流電轉(zhuǎn)換為直流電的功率流向是由電源傳向負(fù)載，這種過(guò)程被稱(chēng)為整流；直流電轉(zhuǎn)換成某種頻率或者可變頻率的交流電直接供負(fù)載使用，被稱(chēng)為逆變。

PMIC：即電源管理IC，是一種應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛的芯片，主要作用是控制電量流向和流量，以配合系統(tǒng)電路的需求，比如在多個(gè)電源，包括電池、外部電源等分配、選擇電力提供給電路中的各個(gè)部分使用。PMIC集成度較高，可以實(shí)現(xiàn)包括LDO、電池電量計(jì)、DC-DC、溫度檢測(cè)等多種功能。

驅(qū)動(dòng)IC：驅(qū)動(dòng)IC是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠被外部的設(shè)備和執(zhí)行的指令和信號(hào)，有時(shí)候驅(qū)動(dòng)IC還集成電源管理、溫度控制、電壓調(diào)節(jié)、電流保護(hù)等功能。根據(jù)應(yīng)用的不同，有時(shí)候不同的用電設(shè)備運(yùn)作需要不同的電流控制模式，所以比較常見(jiàn)的有LED驅(qū)動(dòng)IC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC等產(chǎn)品。

下一期，我們將繼續(xù)針對(duì)主要的功率器件細(xì)分領(lǐng)域，包括IGBT、MOSFET等進(jìn)行深入分析，并介紹功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的規(guī)模以及結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。記得關(guān)注我們～