（转载自：半导体行业联盟）
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（Bipolar Junction Transistor，BJT）、电力晶体管（Giant Transistor， GTR）、晶闸管、 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor， 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 6000 安，阻断电压高达 6500 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（6500V）与高频化（10-100kHz）。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。
（2）硅基 MOSFET： 高频化器件，应用领域拓展至 4C
硅基 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)简称金氧半场效晶体管，高频化运行，耐压能力有限。1960 年由贝尔实验室 Bell Lab.的 D. Kahng 和 Martin Atalla 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。
（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， 1988 年以来已进展至第六代产品。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)， 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 1988 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。
600-1200V 的 IGBT 需求量最大， 1200V 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 600-1200V的 IGBT 需求量最大，占市场份额 68.2%， 1200V 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（1200V~6500V）提出了强烈的需求
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（main inverter）、辅助HV/LV DC-DC（auxiliary HV/LV DC-DC converter）、辅逆变器（Auxiliary loads）和电池充电器（On-board charger）， 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-LV DC-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 650-700V，开关频率为 5-12kHz， IGBT 的转化效率在 90%以上，最大可以达到 95%。
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 350 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 600 安，可承受 6500伏高的电压。
总的来说，一辆 8 节编组动车上的 128 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 500 个 IGBT 模块,动车组需要超过 100 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。
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。
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 2400V，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 300kHz 以上，效率基本保持不变，而使用硅 FRD的电路在 100kHz 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600℃下工作，而一般的 Si 器件最多到 150℃。 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%。
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。
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 2018 年 1 月，有 30多家半导体厂商推出共 677 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。
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， 2014 年全球硅功率器件市场规模大约为 100 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 1/500。对于耐压1200V 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。
（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。
肖特基二极管主要用在 600-1200V 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 300khz以上，效率基本保持不变，而相比下使用硅 FRD 的电路在 100khz 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。
（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(silicon carbide， 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关注。 与相同功率等级的 Si MOSFET 相比， SiC MOSFET 导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。但由于SiC MOSFET 的价格相当昂贵，限制了它的广泛应用。
相比硅功率器件，碳化硅 MOSFET 在工作频率和效率上具有巨大优势。 硅 IGBT 在一般情况下只能工作在 20khz 以下的频率。由于受到材料的限制，高压高频的硅器件无法实现。碳化硅 MOSFET 不仅适合于从 600V 到 10kV 的广泛电压范围，同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅 IGBT，碳化硅 MOSFET 在开关电路中不存在电流拖尾的情况，具有更低的开关损耗和更好的工作频率。 20kHz 的碳化硅 MOSFET 模块的损耗可以比 3kHz 的硅IGBT 模块低一半， 50A 的碳化硅模块就可以替换 150A 的硅模块。
新能源汽车推动，功率器件市场达 160 亿美元
功率器件和功率 IC 平分功率半导体市场，器件规模达 160 亿美元。 据 IHS 数据， 2016年全球功率半导体(功率器件、功率模块、功率 IC、其他)市场销售额从 2015 年的 339 亿美元增长了 3.5%达到 351 亿美元，其中， 功率 IC 增长 2.1%，功率分立器件增长 5.9%，功率模块增长 3.5%。
其中功率模块+器件中，功率二极管、 IGBT、 MOSFET 占据较大份额，MOSFET 市场规模达 62 亿美元，占功率器件比例为 39%，功率二极管/IGBT 分别占 33/27%。
碳化硅 MOSFET 主要用于 1200V 应用领域,取代目标是硅基 IGBT。 据 Yole，全球不同供应商的 SiC MOSFET 开发集中在 1200V，应用重点在于光伏逆变器、不间断电源（UPS）或充电/储能系统等应用的系统性能提升以及工业变频器等。 碳化硅的 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。
中低端功率器件供不应求，交货周期延长、价格上涨。 根据 TTBank 统计， MOSFET、整流管和晶闸管的交货周期一般是 8 周左右，从 2016 年下半年开始， 交期已被拉长到 24至 30 周。 由于上游原材料短缺、涨价以及 8 英寸产线上功率器件产能被挤占，二极管大厂因火灾关停，中低压 MOSFET 大厂转单，下游 HEV 48V 混动系统带来增量预计达 680 亿元， 导致中低端功率器件供不应求，价格持续走高。 2017 年 9 月 1 日，长电科技发出通知，将公司所有的 MOSFET 价格上调 20%。 2017 年下半年，无锡新洁能发布通知， 决定从 2018年元旦起对 MOSFET 各系产品执行 2018 年价格，据估计涨价幅度在 10%左右。
受益于汽车、工业终端市场，功率 IC 市场稳定增长。 根据 Yole Development 数据，得益于多个关键终端市场的发展，功率 IC 将在 2016-2022 年实现 CAGR=3.6％的增长率。 终端市场主要分为 5 大方面：汽车、计算、通信、消费电子和工业应用。 根据 IHS， 2016 年全球功率 IC 市场营收达 192 亿美元，同比+2.1%。其中汽车与工业是功率 IC 增长的推动力，从汽车来看，功率 IC 增长的关键单车中电子与半导体零部件使用量大幅增加。据统计， 在传统汽车里，平均每辆汽车的半导体成本大约 320 美元，其中功率元器件占 26%。在混合电动汽车（HEV）中，每辆车的半导体成本大约 690 美元，功率元器件占比高达 75%，在纯电动汽车（EV）中，半导体成本大约 700 美元，功率元器件占 55%。
下游汽车和消费电子驱动， MOSFET 仍然是功率半导体器件主战场。 据 Yole， 2016 年MOSFET 市场收入接近 62 亿美元。随着汽车和工业销售的稳步增长， 2016 年整体硅功率MOSFET 市场规模超过 2014 年的表现， 预计未来 5 年 CAGR 达 3.4%，至 2022 年 75 亿美元市场规模。 Allied market research 预测，未来消费电子和汽车电子将会是 MOSFET 增长的主要驱动力， 两者对 MOSFET 需求占比超 50%， 逆变器与 UPS 为第二驱动力，而能源与电力与其他应用对 MOSFET 的需求将会保持平稳。
IGBT 快速发展，增速主要来自 IGBT 功率模块。 据博思数据， 2016 年全球 IGBT 市场规模达到 42.9 亿美元。 中国 IGBT 市场规模从 2008 年的 38.7 亿元上涨到 2016 年的 105.4亿元，年复合增长率达到 13.3%，而近三年则超过了 15%，显著高于全球 IGBT 市场 10%的增长速度。 预计到 2022 年，全球 IGBT 市场规模将超过 50 亿美元，增长将主要来自 IGBT功率模组。虽然以 SiC 和 GaN 为代表的第三代功率半导体的出现导致 IGBT 功率模块的份额略有降低，然而在短期内，其霸主地位不可撼动。 根据 Yole，到 2020 年， IGBT 模块占功率模块份额仍然达到 73.7%，其中光伏（PV）和纯电动汽车/混合动力汽车（EV/HEV）两大应用领域占比超过三分之二，在这两大市场驱动下，IGBT 功率模组市场年增速达 15%。
SiC 功率器件市场快速发展， SiC 二极管占比最大。 据 Yole, 包括 SiC 二极管、晶体管和模块在内的 SiC 功率市场将从 2015 年的 2 亿美元上涨到 2020 年 8 亿美元， 5 年 CAGR达 39%， 其中 SiC 二极管目前仍是主流，市场占比达到 85%。细分下游方面， 太阳能电源转换器（PV inverters），交流电机驱动器（Motor AC Drive），纯电动汽车/混合动力汽车（EV/HEV），功率因素校正（PFC）四大应用领域占比超过三分之二。其中，纯电动汽车/混合动力汽车市场和太阳能电源转换器将会是主要细分市场。
国内IGBT与国外的差距
先说一下IGBT的全球发展状态，从市场竞争格局来看，美国功率器件处于世界领先地位，拥有一批具有全球影响力的厂商，例如 TI、Fairchild、NS、Linear、IR、Maxim、ADI、ONSemiconductor、AOS 和 Vishay 等厂商。欧洲拥有 Infineon、ST 和 NXP 三家全球半导体大厂，产品线齐全，无论是功率 IC 还是功率分离器件都具有领先实力。
日本功率器件厂商主要有 Toshiba、Renesas、NEC、Ricoh、Sanke、Seiko、Sanyo、Sharp、Fujitsu、Toshiba、Rohm、Matsushita、Fuji Electric 等等。日本厂商在分立功率器件方面做的较好，但在功率芯片方面，虽然厂商数量众多，但很多厂商的核心业务并非功率芯片，
从整体市场份额来看，日本厂商落后于美国厂商。近年来，中国台湾的功率芯片市场发展较快，拥有立锜、富鼎先进、茂达、安茂、致新和沛亨等一批厂商。台湾厂商主要偏重于 DC/DC 领域，主要产品包括线性稳压器、PWMIC(Pulse Width Modulation IC，脉宽调制集成电路)和功率MOSFET，从事前两种 IC 产品开发的公司居多。
总体来看，台湾功率厂商的发展较快，技术方面和国际领先厂商的差距进一步缩小，产品主要应用于计算机主板、显卡、数码产品和 LCD 等设备
而中国大陆功率半导体市场占世界市场的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上，90％主要依赖进口，基本被国外欧美、日本企业垄断。
2015年国际IGBT市场规模约为48亿美元，预计到2020年市场规模可以达到80亿美元，年复合增长率约10%。
2014年国内IGBT销售额是88.7亿元，约占全球市场的1∕3。预计2020年中国IGBT市场规模将超200亿元，年复合增长率约为15%。
现在，国外企业如英飞凌、 ABB、三菱等厂商研发的IGBT器件产品规格涵盖电压600V-6500V，电流2A-3600A，已形成完善的IGBT产品系列，按照细分的不同，各大公司有以下特点：
（1）英飞凌、 三菱、 ABB在1700V以上电压等级的工业IGBT领域占绝对优势；在3300V以上电压等级的高压IGBT技术领域几乎处于垄断地位。 在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平；
（2）西门康、仙童等在1700V及以下电压等级的消费IGBT领域处于优势地位。
国际市场供应链已基本成熟，但随着新能源等市场需求增长，市场链条正逐步演化。
而在国内，尽管我国拥有最大的功率半导体市场，但是目前国内功率半导体产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距，特别是IGBT等高端器件差距更加明显。核心技术均掌握在发达国家企业手中，IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。 跟国内厂商相比，英飞凌、 三菱和富士电机等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因主要是：
（1）国际厂商起步早，研发投入大，形成了较高的专利壁垒。
（2）国外高端制造业水平比国内要高很多，一定程度上支撑了国际厂商的技术优势。
所以中国功率半导体产业的发展必须改变目前技术处于劣势的局面，特别是要在产业链上游层面取得突破，改变目前功率器件领域封装强于芯片的现状。
而技术差距从以下两个方面也有体现：
（1）高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上，技术壁垒较强；
（2）IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。
近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整产业链，IGBT国产化的进程加快，有望摆脱进口依赖。
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