【核芯觀察】功率半導體產業鏈分析（一）

前言：核芯產業梳理是電子發燒友編輯部出品的深度系列專欄，目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產業架構，理清上、中、下游的各個環節，同時迅速了解各大細分環節中的行業現狀。功率半導體是大多數電力能源使用過程中必須要用到的器件，無論是由電池、發電機等提供的電能，大多都需要由功率半導體器件進行轉換后才能夠供給用電設備使用。隨著綠色能源以及電動汽車的發展，功率半導體迎來新一輪增長。本期核芯觀察將系統梳理功率半導體的具體類型，以及不同種類功率半導體的特點。

一、功率半導體分類梳理：分立器件、功率模塊、功率IC

功率半導體分類

功率半導體是電能轉換以及電路控制的核心器件，通過對電流和電壓進行調控，實現系統中電能的轉換和傳輸分配，在電子電力設備中起到重要作用。具體來說，功率半導體主要起到包括變頻、整流（交流轉直流）、逆變（直流轉交流）、功率放大、功率轉換、功率開關等作用。
功率半導體從半導體分類來看，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，那么可以進一步分為功率器件、功率模塊、功率IC三個部分。

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（雙極性結型晶體管，三極管）以及目前主流的MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）等幾種細分領域。

另外，傳統的功率半導體采用硅基材料制造，不過目前包括SiC、GaN在內的第三代半導體材料正在功率應用中加速滲透。SiC主要在一些高頻高壓大功率場景應用，比如新能源汽車、光伏逆變器、工業電源等；GaN在高頻低壓場景，包括快速充電器、服務器電源、激光雷達等應用。

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也有兩個主流的方向，包括增強型（E-Mode，單芯片常關器件）和耗盡型（D-Mode，雙芯片常關器件）。

二極管：二極管是最早誕生的半導體器件之一，是由PN結或肖特基結（金屬－半導體）加上引線和封裝構成。二極管具有單向導電的特性，即電流流動或不流動取決于施加電壓的方向，因此能夠實現防反接、整流（交流電轉為單向直流電）等作用。根據應用電壓范圍及結構可分為整流二極管、快恢復二極管、TVS二極管及肖特基二極管等。

晶閘管：晶閘管又叫可控硅，屬于開關元件，由四層半導體材料組成，包括P1N1P2N2，有三個PN結，對外有三個電極。相比于二極管，晶閘管主要是多了一個控制極，而由于這個控制極的存在，使得晶閘管擁有導通和關斷兩種狀態，而二極管只有導通一種狀態，這也是晶閘管又被稱為“可控硅”的原因。

當晶閘管控制極施加一個正脈沖信號時，晶閘管就會導通，電流可以從陽極流向陰極。一旦晶閘管導通，它將一直保持導通狀態，直到電流降為零或者施加一個反向電壓。即晶閘管可自主實現打開，但無法自動關斷，所以在驅動電路設計上會較為復雜。

在應用上，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、耐壓高等優點，在無觸點開關，可控整流、直流逆變、調壓、調光和調速等方面得到廣泛的應用。

晶體管：嚴格意義上說，晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一元器件，不過按照可控性來分，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和關閉電路能力的器件。主流的全控型晶體管有三極管（BJT）、IGBT、MOSFET等。

三極管由兩個PN結構成，具有三個電極，最主要的功能是在電路中起到電流放大和開關作用，三極管可以將微弱的電信號放大成一定強度的信號。在導通時，三極管需要有連續的電流供應，可以實現電流線性放單，同時依靠小電流可以控制開關通斷。三極管具有高耐壓、導通電阻低等特性，不過工作中存在拖尾電流，限制了開關速度。

MOSFET全稱金屬－氧化物半導體場效應晶體管，通過控制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，實現器件的導通。同時MOSFET可以通過調節電壓的大小可以控制導通電流大小，最終實現開關的切換。按照不同的工藝，MOSFET可以分為平面型、溝槽型、屏蔽柵、超級結等幾種類型；按照導電溝道可以分為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型。

MOSFET具有開關頻率高、輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好等優點，適用于高頻中高壓應用，但硅基MOSFET在高耐壓下導通電阻會很高。

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管的縮寫，是由三極管BJT和MOSFET組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，工作原理與MOSFET類似，但IGBT具備MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度快的優勢，還同時具備了BJT通態電流大、通電壓低、損耗小等優點。

相比于MOSFET，IGBT由于串聯的結構，耐壓等級更高，導通電阻更低，不過由于存在拖尾電流，相比MOSFET的開關頻率要較低。所以MOSFET主要適用于1200V以下、100-1000KHz的領域，比如消費電子設備、1200V以下的變頻器、電焊機、發電設備等；而IGBT更加適用于600V至6500V范圍內，頻率小于100KHz的領域，比如電動汽車、地鐵、大型發電設備、工業設備、電網等。

當然由于第三代半導體SiC和GaN的發展，SiC MOSFET也開始往千伏以上的高壓領域滲透。比如早在2016年美國通用電氣公司就基于15kV SiC MOSFET開發出全球首臺固態變壓器。

功率模塊
功率模塊顧名思義，是由多個分立的功率單管按照不同的需求來進行串、并聯，通過特殊的封裝組成一個整體的模塊。功率模塊一般用于高壓、大電流場景，相比于功率單管的應用，功率模塊能夠簡化外部的電路，同時整體的耐壓規格更高。

功率模塊的種類較多，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（快恢復二極管）組成的IGBT模塊，不過IGBT的拖尾電流和FRD的恢復電流導致開關損耗相對較大，這個問題可以采用SiC功率模塊來進行改善。

另一方面由于SiC MOSFET的價格較高，目前有一些采用IGBT+SiC SBD的混合模塊也在市場上應用。而在更高端的電動汽車上，比如800V平臺的電動汽車主驅逆變器中，目前主要使用SiC MOSFET + SiC SBD的SiC模塊。

除此之外，為了持續簡化應用，提高集成度，催生出了智能功率模塊IPM。IPM內部在功率模塊的基礎上集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，減小系統體積、降低開發時間的同時，還提高了系統的可靠性。

功率IC
功率IC分類同樣較為多樣，包括線性穩壓器LDO、DC-DC、AC-DC、PMIC、驅動IC等等。功率IC通常由功率器件、電源管理芯片和相關的驅動電路、保護電路集成，結構與前面提到的IPM模塊有點類似，不同之處在于IPM可以用于大電流大功率應用，而功率IC一般能承受的電流較小，且集成度更高，常用于消費電子領域。

LDO：LDO全稱是low dropout regulator低壓差穩壓器，這是一種線性穩壓器，主要的用途是降壓穩壓，也就是在LDO的安全輸入電壓范圍之內，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芯片是開關電源的一種，作用主要是將輸入電壓轉換成所需電壓，同時輸入輸出都是直流電，具有較高的電壓穩定性和抗干擾能力。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換為直流，其功率流向可以是雙向的，即也可以直流轉換為交流。其中交流電轉換為直流電的功率流向是由電源傳向負載，這種過程被稱為整流；直流電轉換成某種頻率或者可變頻率的交流電直接供負載使用，被稱為逆變。

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

驅動IC：驅動IC是將控制信號轉換成能夠被外部的設備和執行的指令和信號，有時候驅動IC還集成電源管理、溫度控制、電壓調節、電流保護等功能。根據應用的不同，有時候不同的用電設備運作需要不同的電流控制模式，所以比較常見的有LED驅動IC、電機驅動IC等產品。

下一期，我們將繼續針對主要的功率器件細分領域，包括IGBT、MOSFET等進行深入分析，并介紹功率半導體市場的規模以及結構現狀。記得關注我們～