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功率半导体器件（PowerSemiconductorDevice）又称为电力电子器件，是电力电子装置实现电能转换、电路控制的核心器件。主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等，同时具有节能功效。功率半导体器件广泛应用于移动通讯、消费电子、新能源交通、轨道交通、工业控制、发电与配电等电力、电子领域，涵盖低、中、高各个功率层级。

功率半导体器件种类众多。功率半导体根据载流子类型可分为双极型与单极型功率半导体。双极型功率半导体包括功率二极管、双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor，BJT）、电力晶体管（GiantTransistor，GTR）、晶闸管、绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）等，单极型功率半导体包括功率MOSFET、肖特基势垒功率二极管等。按照材料类型可以分为传统的硅基功率半导体器件以及宽禁带材料功率半导体器件。传统功率半导体器件基于硅基制造，而采用第三代半导体材料（如SiC、GaN）具有宽禁带特性，是新兴的半导体材料。

功率半导体的器件分类

功率半导体器件：二极管→晶闸管→硅基MOSFET→硅基IGBT。功率二极管发明于20世纪50年代，起初用于工业和电力系统。60-70年代，以半控型晶闸管为代表的功率器件快速发展，晶闸管体积小、明显的节能功效引起广泛重视。80年代，晶闸管的电流容量已达安，阻断电压高达伏；80年代发展起来的硅基MOSFET工作频率达到兆赫级，同时功率器件正式进入电子应用时代。

功率器件的演进史

硅基IGBT的出现实现了功率器件同时具备大功率化（V）与高频化（10-kHz）。二十一世纪前后，将功率器件与集成电路集中在同一个芯片中，功率器件集成化使器件功能趋于完整。

不同功率半导体器件的特性

经历了那么多年的发展，衍生出了不同的半导体器件，而他们也都各自有各自的特性：

功率半导体器件的比较

（1）功率二极管：最传统功率器件，应用于工业、电子等领域

功率二极管是基础性功率器件，广泛应用于工业、电子等各个领域。功率二极管（Diode）是一种具有两个电极装置的电子元件，只允许电流由单一方向流过，同时无法对导通电流进行控制，属于不可控型器件。二极管主要用于整流、开关、稳压、限幅、续流、检波等。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。

整流二极管示意图

（2）硅基MOSFET：高频化器件，应用领域拓展至4C

硅基MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor)简称金氧半场效晶体管，高频化运行，耐压能力有限。年由贝尔实验室BellLab.的D.Kahng和MartinAtalla首次实作成功，制造成本低廉、整合度高、频率可以达到上MHz，广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管，具体有开关电源、镇流器、通信电源等高频领域，应用领域由二极管的工业、电子等拓展到了四个新的领域，即4C：Compute,Communication,Consumer,Car。

功率MOSFET结构图

（3）硅基IGBT：融合BJT和MOSFET，广泛应用于新能源汽车、光伏、轨道交通

IGBT集BJT与MOSFET优点于一身，年以来已进展至第六代产品。IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，即绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT在开通过程中，大部分时间作为MOSFET运行，在断开期间，BJT则增强IGBT的耐压性。自从年第一代IGBT产品问世以来，目前已经进展至第六代产品，性能方面有显著的提升，工艺线宽由5微米缩小至0.3微米，功率损耗则将为1/3左右，断态电压大幅提高近10倍。

IGBT=MOSFET+BJY结构图

-V的IGBT需求量最大，V以上未来需求强劲。从应用领域看，IGBT广泛应用于新能源汽车、电机、新能源发电、轨道交通等领域；从电压结构看，电压在-V的IGBT需求量最大，占市场份额68.2%，V以上的IGBT应用在高铁、动车、汽车电

子及电力设备中，伴随着轨道交通、再生能源、工业控制等行业市场在近几年内的高速成长，对更高电压应用的IGBT产品（V~V）提出了强烈的需求

年全球IGBT市场应用结构（单位：百万美元）

IGBT模块是新能源发电逆变器的关键器件。太阳能电池阵列的直流输出电压经过电平转换和逆变器转变为交流电压，再经过低频滤波器得到50Hz的交流输出电压并入电网。逆变器是实现交流电转直流电的关键器件，而IGBT单元是逆变器和驱动电路的核心。选择IGBT器件的基本准则是提高转换效率、降低系统散热片的尺寸、提高相同电路板上的电流密度。目前，市场上多家公司提供用于太阳能逆变器的功率器件，其中，包括IR、英飞凌、ST、飞兆半导体、Vishay、Microsemi、东芝等公司。

IGBT广泛地应用于新能源汽车的控制系统，包括主逆变器（maininverter）、辅助HV/LVDC-DC（auxiliaryHV/LVDC-DCconverter）、辅逆变器（Auxiliaryloads）和电池充电器（On-boardcharger），占整车成本近10%，占到充电桩成本的20%。在电动传动系统中，主逆变器负责控制电动机，还用于捕获再生制动释放的能量并将此能量回馈给电池。辅助HV-LVDC-DC用于不同供电网络之间的能量转换，在电动汽车中系统辅助HV-LVDC-DC的作用是在低压子供电网和高压子供电网之间实现能量的双向流动。

辅助逆变器主要负责控制除了主电动机以外的其余电动机。电池充电器的作用是实现汽车电池快速高效充电，而PFC电路通过纠正电流和电压的相位差提高功率因素，实现高效充电。跟据Hitachi，车用逆变器中IGBT需要工作在-V，开关频率为5-12kHz，IGBT的转化效率在90%以上，最大可以达到95%。

英飞凌提供的混合动力汽车/电动汽车功率器件应用方案

IGBT是动车、高铁等动力转换的核心器件，占动车总成本的1.25%左右。和谐号CRH3列车的牵引变流器将超高电流转化为强大的动力，运营时速达公里/小时，每辆列车共装有4台变流器，每台变流器搭载了32个IGBT模块，每个IGBT模块含6块DCB，每块DCB含有4个IGBT新芯片和2个二极管芯片，每个模块标称电流安，可承受伏高的电压。

总的来说，一辆8节编组动车上的个IGBT模块为整个列车提供了10兆瓦的功率。据中车株洲所报道，一个IGBT模块就高达一万多元，一辆CRH3C出厂价大约1.6亿，IGBT模块占动车总成本的1.25%左右。高铁电力机车需要个IGBT模块,动车组需要超过个IGBT模块,一节地铁需要50~80个IGBT模块，每年中国高铁国外采购的IGBT模块数量达十万个以上，金额超过12亿元人民币。

高铁动力结构图

步入第三代，SiC、GaN等有望占领高端应用

目前Si材料仍占主流，占据95%以上半导体器件和99%集成电路。根据功率分立器件所使用的材料可分为三代。将硅、锗元素半导体材料称为第一代半导体材料；第二代半导体材料包括砷化镓(GaAs)等化合物半导体材料、GaAsAl等三元化合物半导体、Ge-Si等固溶体半导体、非晶硅等玻璃半导体以及酞菁等有机半导体；第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料。由于产业工艺成熟及生产成本低，95%以上的的半导体器件和99%以上的集成电路是用硅材料制作的，硅仍然是半导体材料的主体。

功率半导体硅基元器件、砷化镓元器件、碳化硅元器件

相对于Si器件，SiC功率器件具有三大优势：

第一，高压特性。SiC器件是同等Si器件耐压的10倍，碳化硅肖特基管耐压可达V，碳化硅场效应管耐压可达数万伏，且通态电阻并不很大。

第二，高频、高效特性。SiC器件的工作频率一般是Si器件的10倍。在PFC电路中，使用碳化硅可使电路工作在kHz以上，效率基本保持不变，而使用硅FRD的电路在kHz以上的效率急剧下降。随着工作频率的提高，电感等无源原件的体积相应减小，整个电路板的体积可下降30%以上。

第三，耐高温、低损耗特性。碳化硅芯片可在℃下工作，而一般的Si器件最多到℃。SiC功率器件的能量损耗只有Si器件的功率50%左右，发热量也约为Si器件的50%。

Si/SiC/GaN适用频率和功率

SiC材料已在多个电力电子系统开始应用。首先推出的是SiC肖特基二极管，具有零反向回复电流，非常适合功率因数校正领域，将取代Si的PiN整流二极管。其次推出的碳化硅MOSFET，有望取代太阳能逆变器中的高压硅绝缘栅双极晶体管(IGBT)。除了比IGBT降低50%的能耗外，碳化硅MOSFET无需特殊的驱动电路，且工作频率更高，这让设计人员能够尽可能减少电源元器件数量，降低电源成本和尺寸，并提高能效。

SiC功率器件的应用时间表

碳化硅为代表的宽禁带半导体功率器件具有更高的电压等级、更高的开关速度、更高的结温、更低的开关损耗等优势，将会在不间断电源、交流电机驱动器、新能源汽车等领域得到广泛应用。根据第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）发布的产业发展报告，截至年1月，有30多家半导体厂商推出共个品类SiC或GaN电力电子器件及模块，供应数量和品类均实现较大增长。

采用不同半导体材料的ROHM逆变器产品比较

高昂成本是SiC推广最大障碍，单价可达硅器件的5~6倍。据ROHM半导体资料，目前同一规格的产品，碳化硅器件的价格是原有硅器件的5~6倍。极大阻碍了碳化硅功率器件的应用推广，年全球硅功率器件市场规模大约为亿美元左右，但是碳化硅功率器件市场则仅有1.2亿美元。碳化硅功率器件市场渗透率不到硅功率器件的1/。对于耐压V的应用，由于成本相当而性能更出众，碳化硅晶体管已经具备竞争优势。

SiC功率器件价格高于Si器件（同一技术要求的产品）

（1）碳化硅二极管：损耗低耐温高，有望抢占硅快恢复二极管（FRD）部分市场

SiC肖特基二极管能动态性能优越。肖特基二极管(SBD)是通过金属与N型半导体之间形成的接触势垒具有整流特性而制成的一种属-半导体器件。肖特基二极管的基本结构是重掺杂的N型4H-SiC片、4H-SiC外延层、肖基触层和欧姆接触层。

SiC肖特基二极管做为单子器件，它的工作过程中没有电荷储存，其反向恢复电荷以及其反向恢复损耗比Si超快恢复二极管要低一到两个数量级。和它匹配的开关管的开通损耗也可以得到大幅度减少，因此提高电路的开关频率。在常温下，其正态导通压降和Si超快恢复器件基本相同，但是由于SiC肖特基二极管的导通电阻具有正温度系数，这将有利于将多个SiC肖特基二极管并联。

碳化硅肖特基二极管与硅FRD比较

肖特基二极管主要用在-V的应用领域,目前主要用以替代硅快恢复二极管(FRD)。碳化硅肖特基二极管可广泛应用于中高功率领域，可显著的减少电路的损耗，提高电路的工作频率。在PFC电路中用碳化硅SBD取代原来的硅FRD，可使电路工作在khz以上，效率基本保持不变，而相比下使用硅FRD的电路在khz以上的效率急剧下降。一些国家和地区（比如欧盟、加州、澳大利亚等）对光伏微型逆变器入网有效率限制，大致为95%左右，这就使得SiC-SBD成为必须的选择。

新能源汽车对小型轻量化的要求迫切，所以普遍地采用SiC-SBD。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二极管用于变频或逆变装置中替换硅基快恢复二极管，显著提高了工作频率和整机效率。中低压SiC肖特基二极管目前已经在高端通讯开关电源、光伏并网逆变器领域上产生较大的影响。

SiC二极管电压分布及其供应商

（2）碳化硅MOSFET：高频高效，将在高端领域有效替代硅基IGBT

碳化硅MOSFET优势明显，频率高+损耗低+高温稳定性好。20世纪90年代以来，碳化硅(siliconcarbide，SiC)MOSFET技术的迅速发展，引起人们对这种新一代功率器件的广泛

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