浅谈电力电子产业中功率半导体器件的发展

　　张小宁 陶红玉 李志刚

　　【摘 要】在工业生产中，电力电子技术占据重要地位。在产业发展中，落后的技术会阻碍发展，功率半导体器件作为电力电子行业发展的核心技术之一，对于电力电子产业发展具有重要影响。本文分析了功率半导体器件的重要性，对电力电子技术的未来发展趋势进行深入探究，并对功率半导体器件的发展提出几点合理化建议，为促进我国电力电子行业发展，加速产业进步提供思路和参考。

　　【关键词】功率半导体器件；发展；电力电子技术；趋势引言

　　二十世纪四十年代，贝尔实验室中的科学家们研究发明了金属点接触式晶体管以及PN结型晶体管，拉开了电子工业革命的序幕。此后，电子技术有着深奥内涵的物理名词成为一种广泛的科技概念，电子产业也加速发展起来，成为当前的一项核心产业。当前电子技术以微电子学和电力电子学为核心。微电子因为数字逻辑特征明显，功率范围较大，从千瓦到毫瓦都能实现应用；要控制特性的模拟，输出功率范围为千瓦到数百万千瓦。微电子学以逻辑器件的形式为大规模集成电路应用提供了技术支持，而电力电子学则依托功率器件推动电力发展。无论是微电子学还是电力电子学，其发展的最初形式都是半导体。电力电子是我国社会经济发展所必需的核心技术，广泛应用于新能源、电动汽车、家电变频、工业控制、智能网络等行业。和集成电路相比，功率半导体器件共识度还比较低，有关的资料也不健全，所以需要对其发展历程进行梳理，以预测我国电力电子技术的未来发展趋势。

　　一、功率半导体的重要性

　　功率半导体器件能够实现高效的电能处理目标，是半导体产品的杰出代表，更是连接弱电控制与强电运行的关键桥梁。随着目前我国社会经济、产业等不断发展，对于电能的需求不断增加，电能成为人类消耗较大的一种能源[1]。人类社会发展已经离不开电能的支持，不管是水电、火电还是核电等，都需要用电力能源的支持，且一些电力能源形式无法直接使用，需要通过半导体对能源进行转化，使其成为可直接利用的电能。目前，电子产品都需要功率半导体器件的支持。使用功率半导体器件，旨在实现节能环保，提升资源利用效率，让电能的使用更为便利。如，借助变频进行调速控制，可以达到50%-70%的节能效果，节能的同时也更为环保。

　　在电池革命之前，一般需要通过高性能功率半导体器件为电源提供高效的管理支持，随着人们社会生活节奏的加快，他们希望通过一次充电可以获得更长的待机时间，而功率半导体器件的应用，真正实现了“粗电”向“精电”的转变，在节能减排、生态环保方面都发挥着积极作用。

　　随着全球对绿色环保的关注度不断提升，功率半导体器件的应用也逐渐从以往的工业控制和4C产业，发展到新能源、智能电网、轨道交通等新领域。结合国际市场调研机构HISISuppliResearch数据报告情况，2011年，全球功率半导体市场在2010年大增37.8%以后，进一步增长到 6.7%，达到 331 亿美元[2]。而我国是其中最大的市场区域。我国功率半导体市场份额占世界市场50%以上。与微处理器、存储器等集成数字半导体相比，功率半导体的生命周期相对较长，一般为几年到几十年，无需快速减小功率半导体的尺寸，需要的生产工艺也不是很复杂，所以其生产成本更低，将其应用到大规模的集成电路中具有很好的经济效益。所以，在我国的产业发展中，功率半导体器件占据重要地位，对于缓解我国能源资源紧张问题，促进我国和谐社会建设都具有重要价值。

　　二、功率半导体器件发展历程回顾

　　功率半导体的发展史与功率半导体的发展史密切相关，但又相对独立。强半导体材料主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）等，这些材料与功率芯片生产的基板材料有关，一般功率半导体指的是器件的材料+结构[3]。

　　现在半导体大多分为三代（也有说四代）。20 世纪 50 年代后，第一代半导体材料主要基于硅 (Si)和锗 (Ge) 材料生产发展而来，并得到广泛应用。其中，锗除了用于光纤、聚光器和高效太阳能电池外，由于稳定性差、生产成本高，应用并不广泛。硅材料主要应用于集成电路（IC）和功率器件的设计，目前应用广泛的是硅MOSFET和硅IGBT。

　　砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等材料自20世纪70年代出现后逐步被应用到第二代半导体材料生产中。第二代开放式半导体主要用于开发发光、高功率微波和毫米波电子器件，广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信、GPS导航等领域[4]。但由于材料稀缺、成本较高，其使用仍受到很大限制。

　　以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体大多出现在20世纪90年代。第三代半导体材料因其带宽大于2.3 eV而被称为宽带隙半导体。由于其优异的材料特性，各种半导体可以在非常高的开关频率（GaN HEMT > 1MHz）、高工作温度（SiC MOSFET > 600 ℃）和低导通电阻（低至 1/1000）下工作。它在智能电网、电动汽车、轨道交通新能源网络连接、开关电源、工业电机和家用电器等领域不同于具有相同电压/电流额定值的硅基器件。其中，氮化镓在微波射频领域比前两代半导体材料具有更广阔的应用前景，而碳化硅电力电子器件的局限性则比传统硅基器件大得多。然而，目前第三代半导体的成本包括量产、效率损失、硬件成本、原材料等[5]。例如，碳化硅器件比硅器件贵5-8倍。根据《2018年第三代电力电子半导体技术路线图》，碳化硅产品的价格每年下降10%左右。根据成本降低系数计算，到2032年左右，碳化硅MOSFET模块的成本将与IGBT相同（假设IGBT模块的成本基本保持不变）。因此，近年来我们会逐渐在实际产品中看到碳化硅的身影，例如特斯拉Model 3中的电动转向控制器就采用了碳化硅模块。

　　第四代半导体也称为超宽带半导体。主要包括β-Ga2O3、金刚石、AlGaN等。一般来说，学术界定义的超宽带半导体材料的带宽比GaN材料的带宽（3.4 eV）更宽。

　　三、我国功率半导体产业发展趋势分析

　　自功率IC诞生后，功率半导体产品也逐步从单一走向多元化，功率集成电路产品、功率器件得到了快速应用和发展，因为各代功率半导体产品的自身结构体系中也在不断更新，它们在各个领域也有其独特的生产应用优势，所以目前的功率半导体市场出现了多代产品并存的现象[6]。从功率半导体器件的发展来看，我国电力电子行业正在持续向前，由此衍生出很多的发展路径和产品，基于功率半导体器件的发展历程分析，可以对未来我国电力电子产业的发展趋势进行探究，笔者总结未来的电力电子产业的发展将呈现以下几点趋势：

　　第一，产品质量和体积会持续缩小，更加便于携带，轻量化是必然趋势。

　　第二，未来产品会尽可能减少电力转换中造成的损耗。第三，相关产品生产成本会持续下降，产品的研发周期也会不断缩短。

　　第四，产品失效率会明显降低，产品可靠性将不断提高。

　　第五，多代产品可以结合其功能以及价格特点，继续保持共存的局面。

　　四、我国功率半导体产业发展建议

　　当前，国际著名市场调研公司HISISuppliResearch公司2012年9月给出的全球前十大功率半导体供应商均是大型IDM企业，与此同时，排名前三位的功率半导体分立器件和模块供应商也都是整机单位。

　　长期以来，我国功率半导体的作用尚未得到充分评估，国内功率半导体产业规模较小，总体分布不集中。而目前生产功率半导体的能力不断提升，技术持续优化，已经能够实现在12英寸晶圆上生产功率半导体。国内功率半导体及IDM企业基本已经完成了8英寸生产线的建设和应用。大多数国内半导体IDM企业传统上专注于硅基二极管、晶体管和晶闸管。国际主要产品为功率半导体器件、功率MOS器件和IGBT。宽带半导体近年来才引起人们的关注，尤其是微波半导体（SiCMESFET 和 GaNHEMT）。面向市场应用的宽带电力电子设备的研发才刚刚开始。尽管当今市场流行的高压BCD集成技术已引起IDM功率半导体器件制造商和IC代工厂的高度关注，但其发展水平与国际先进水平仍存在较大差距。虽然“专项02”支持硅/SOI基低压BCD技术和600V高压BCD技术的开发，但嵌入式FLASH存储器的高密度BCD技术仍然是空白。功率半导体是汽车电子的重要领域，但国内获得汽车电子产品认证的半导体却很少，绝大多数汽车功率半导体依赖国外进口[7]。

　　在市场需求的拉动下，在国家政府项目特别是国家科技攻关项目“02”的支持下，我国功率半导体产业正在快速发展：拥有数条国产6英寸线、8英寸线功率半导体开始参与；深圳华为、株洲南车、北车永济、广东美的、国家电网等国内骨干装备（系统）企业已启动投资开发或建设，以IGBT为代表，实现了先进功率半导体生产目标。

　　功率半导体是最适合中国发展的半导体产业，因为与超大规模集成电路相比，功率半导体具有资本投资低、生产周期长、市场重要性高等特点。英特尔、三星等半导体行业垄断企业（全球最大的半导体公司有100多家，其中前十大高性能半导体公司仅占全球份额的50%）占据着高性能半导体市场，但我国功率半导体的发展有望改变封装强于芯片、芯片强于设计的现状。对此，需要加强与整个工程企业的联系，大力发展工程技术，优化市场导向和配套设计，明确工程要支撑芯片开发，以芯片技术作为半导体发展的核心动力。而模型之所以弱于芯片，是因为设计性能较差。企业必须加强技术人才的培养和使用，积极建立产学研合作，积极推动科技型企业发展[8]。

　　我国功率半导体产业的发展最终取决于IDM功率半导体。目前，我国的生产条件低于国际先进水平。IDM企业不能受限于自身产品线的产能，不能仅仅依赖国内巨大的半导体器件市场。对此，在市场拓展上，以技术为先，逐步从产品改进走向产品创新，推动整机发展；另外，大力发展设计能力。我们可以利用先进铸造线的生产能力，扩大产品线，加快业务发展，但同时也可以选择从芯片到器件、从芯片到模组、从模组到组件的发展思路。

　　综合国际知名功率半导体企业尤其是功率半导体模块企业分析，系统应用完整的IDM企业拥有得天独厚的发展机遇。根据观研报告网发布的《中国功率半导体行业发展趋势调研与未来前景研究报告（2022-2029年）》显示，近年来随着工业控制、通信和消费电子等核心下游产业发展，我国功率半导体需求逐渐增多，行业市场规模持续增长。据数据，2021年我国功率半导体市场规模达183亿美元左右，较上年同比增长6.3%。可见，我国在功率半导体发展方面具有很大前景，而要把握功率半导体发展机遇，就必须要不断完善和发展，相关集成系统企业要关注提升自身业务能力，面对国际竞争时，能够通过技术领域的关键链条推动我国强大的半导体产业发展，实现技术革新，带动我国的电力电子产业健康、有序发展。

　　总结

　　我国的功率半导体器件经历了漫长的发展历史，在目前的电力电子市场中，功率半导体器件同时存在多种类型和代系产品，它们有着各自优势和应用价值。然而基于功率半导体器件的发展情况来对其未来趋势进行预测时，可以肯定的是，未来轻量化、节能型、经济型的产品研发将成为主流趋势。本文对我国的功率半导体器件发展提出几点建议，提出要以技术为支撑和引导，不断进行产品的创新，加速整机技术和性能改进，还要注重设计能力培养和强化，不断提升生产能力，加速业务发展，构筑发展新思路，旨在为我国当前的电力电子产业发展提供一些思路和参考。

　　参考文献：

　　[1] 胡强, 王思亮, 张世勇. 从功率半导体器件发展看电力电子技术未来[J]. 东方电气评论,2015,29(3):79-84.

　　[2] 王鹤, 陈永禄. 电力电子技术在多电及混合动力推进飞机上的应用进展[J]. 西安航空学院学报,2023,41(1):54-60.

　　[3] 任磊, 沈茜, 龚春英. 电力电子电路中功率晶体管结温在线测量技术研究现状[J]. 电工技术学报,2018,33(8):1750-1761.

　　[4] 王来利. 先进功率半导体器件及其封装、集成与应用专题特约主编寄语[J]. 电工技术学报,2021,36(12):2433.

　　[5] 邓隐北, 唐庆伟, 张子亮. 电力电子技术的现状及未来展望[J]. 磁性元件与电源,2014(1):150-154.

　　[6] 张为佐. 电力电子技术的二十年及其未来- 思考走向信息时代的电力电子学[J]. 电源技术应用,2001(Z1):54-56.

　　[7] 李许军, 坚葆林. 高压SiC 功率半导体器件的发展现状与挑战[J]. 集成电路应用,2020,37(2):30-33.

　　[8] NORMAN DAY. 嘉兴斯达半导体高性能功率器件携手家电产业共创美好未来[C]. //2019《家电科技》学术年会论文集. 2019:1-32.

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