【核芯调查】功率半导体工业链分析（一）_常见问题

　　发烧友编辑部出品的深度系列专栏，意图是用最直观的方法令读者赶快了解电子工业架构，理清上、中、下流的各个环节，一起敏捷了解各大细分环节中的职业现状。功率半导体是大多数电力动力运用进程中有必要要用到的器材，无论是由电池、发电机等供给的电能，大多都需求由功率半导体器材进行转化后才能够供运用电设备运用。跟着绿色动力以及电动轿车的开展，功率半导体迎来新一轮增加。本期核芯调查将体系整理功率半导体的详细类型，以及不同品种功率半导体的特色。

　　功率半导体是电能转化以及电路操控的中心器材，经过对电流和电压进行调控，完结体系中电能的转化和传输分配，在电子电力设备中起到重要效果。详细来说，功率半导体首要起到包含变频、整流（沟通通直流）、逆变（直流通沟通）、功率放大、功率转化、功率开关等效果。

　　功率半导体从半导体分类来看，能够分为分立器材中的功率器材以及集成电路中的功率IC两大部分。假如依照集成度分，那么能够进一步分为功率器材、功率模块、功率IC三个部分。

　　功率分立器材包含二极管晶闸管晶体管，晶体管下还包含BJT（双极性结型晶体管，三极管）以及现在干流的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等几种细分范畴。

　　别的，传统的功率半导体选用硅基资料制作，不过现在包含SiC、GaN在内的第三代半导体资料正在功率运用中加快浸透。SiC首要在一些高频高压大功率场景运用，比方新动力轿车、光伏逆变器等；GaN在高频低压场景，包含快速充电器、服务器电源、激光雷达等运用。

　　SiC分立器材现在干流的有SiC MOSFET、SiC SBD等，GaN则首要是GaN HEMT和GaN FET，其间GaN FET也有两个干流的方向，包含增强型（E-Mode，单芯片常关器材）和耗尽型（D-Mode，双芯片常关器材）。

　　二极管：二极管是最早诞生的半导体器材之一，是由PN结或肖特基结（金属－半导体）加上引线和封装构成。二极管具有单向导电的特性，即电流活动或不活动取决于施加电压的方向，因而能够完结防反接、整流（沟通电转为单向直流电）等效果。依据运用电压规划及结构可分为整流二极管、快康复二极管、TVS二极管及肖特基二极管等。

　　晶闸管：晶闸管又名可控硅，归于开关元件，由四层半导体资料组成，包含P1N1P2N2，有三个PN结，对外有三个电极。比较于二极管，晶闸管首要是多了一个操控极，而因为这个操控极的存在，使得晶闸管具有导通和关断两种状况，而二极管只要导通一种状况，这也是晶闸管又被称为“可控硅”的原因。

　　当晶闸管操控极施加一个正脉冲信号时，晶闸管就会导通，电流能够从阳极流向阴极。一旦晶闸管导通，它将一向坚持导通状况，直到电流降为零或许施加一个反向电压。即晶闸管可自主完结翻开，但无法主动关断，所以在驱动电路规划上会较为杂乱。

　　在运用上，晶闸管还有以小电流操控大电流、以低电压操控高电压的效果，具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、耐压高级长处，在无触点开关，可控整流、直流逆变、调压、调光和调速等方面得到广泛的运用。

　　晶体管：严厉含义上说，晶体管泛指全部以半导体资料为根底的单一元器材，不过依照可控性来分，二极管是不可控器材、晶闸管是半控型器材，而晶体管就代指全控型的器材，也便是具有操控翻开和封闭电路才能的器材。干流的全控型晶体管有三极管（BJT）、IGBT、MOSFET等。

　　三极管由两个PN结构成，具有三个电极，最首要的功用是在电路中起到电流放大和开关效果，三极管能够将弱小的电信号放大成必定强度的信号。在导通时，三极管需求有接连的电流供给，能够完结电流线性放单，一起依托小电流能够操控开关通断。三极管具有高耐压、导通电阻低一级特性，不过作业中存在拖尾电流，约束了开关速度。

　　MOSFET全称金属－氧化物半导体场效应晶体管，经过操控MOSFET漏极和源极、栅极与源极之间的电压，可使得电子在器材中构成沟道，完结器材的导通。一起MOSFET能够经过调理电压的巨细能够操控导通电流巨细，终究完结开关的切换。依照不同的工艺，MOSFET能够分为平面型、沟槽型、屏蔽栅、超级结等几品种型；依照导电沟道能够分为N沟道和P沟道，也便是N-MOSFET 和 P-MOSFET；依照栅极电压幅值可分为耗尽型和增强型。

　　MOSFET具有开关频率高、输入阻抗高、噪声低、热稳定性好等长处，适用于高频中高压运用，但硅基MOSFET在高耐压下导通电阻会很高。

　　IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管的缩写，是由三极管BJT和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器材，作业原理与MOSFET相似，但IGBT具有MOSFET的输入阻抗高、操控功率小、驱动电路简略、开关速度快的优势，还一起具有了BJT通态电流大、通电压低、损耗小等长处。

　　比较于MOSFET，IGBT因为串联的结构，耐压等级更高，导通电阻更低，不过因为存在拖尾电流，比较MOSFET的开关频率要较低。所以MOSFET首要适用于1200V以下、100-1000KHz的范畴，比方消费电子设备、1200V以下的变频器、电焊机、发电设备等；而IGBT愈加适用于600V至6500V规划内，频率小于100KHz的范畴，比方电动轿车、地铁、大型发电设备、工业设备、电网等。

　　当然因为第三代半导体SiC和GaN的开展，SiC MOSFET也开端往千伏以上的高压范畴浸透。比方早在2016年美国通用电气公司就依据15kV SiC MOSFET开宣布全球首台固态变压器。

　　功率模块望文生义，是由多个分立的功率单管依照不同的需求来进行串、并联，经过特别的封装组成一个全体的模块。功率模块一般用于高压、大电流场景，比较于功率单管的运用，功率模块能够简化外部的电路，一起全体的耐压标准更高。

　　功率模块的品种较多，包含IGBT模块、Si MOSFET模块、SiC模块、混合模块等。

　　干流的是由硅基IGBT和FRD（快康复二极管）组成的IGBT模块，不过IGBT的拖尾电流和FRD的康复电流导致开关损耗相对较大，这个问题能够选用SiC功率模块来进行改进。

　　另一方面因为SiC MOSFET的价格较高，现在有一些选用IGBT+SiC SBD的混合模块也在商场上运用。而在更高端的电动轿车上，比方800V渠道的电动轿车主驱逆变器中，现在首要运用SiC MOSFET + SiC SBD的SiC模块。

　　除此之外，为了持续简化运用，进步集成度，催生出了智能功率模块IPM。IPM内部在功率模块的根底上集成了逻辑、操控、检测维护电路，减小体系体积、下降开发时刻的一起，还进步了体系的可靠性。

　　功率IC分类相同较为多样，包含DC-DC、AC-DC、PMIC、驱动IC等等。功率IC一般由功率器材、电源办理芯片和相关的驱动电路、维护电路集成，结构与前面说到的IPM模块有点相似，不同之处在于IPM能够用于大电流大功率运用，而功率IC一般能接受的电流较小，且集成度更高，常用于消费电子范畴。

　　LDO：LDO全称是low dropout regulator低压差稳压器，这是一种线性稳压器，首要的用处是降压稳压，也便是在LDO的安全输入电压规划之内，LDO的输出电压都能根本坚持稳定，而且供给高效率、低噪声、低输出纹波。

　　DC-DC：DC-DC芯片是开关电源的一种，效果首要是将输入电压转化成所需电压，一起输入输出都是直流电，具有较高的电压稳定性和抗干扰才能。与LDO不同的是，DC-DC输出电压可升压、降压以及反向输出等。

　　AC-DC：AC-DC芯片的效果是将沟通通化为直流，其功率流向能够是双向的，即也能够直流通化为沟通。其间沟通电转化为直流电的功率流向是由电源传向负载，这种进程被称为整流；直流电转化成某种频率或许可变频率的沟通电直接供负载运用，被称为逆变。

　　PMIC：即电源办理IC，是一种运用范畴极为广泛的芯片，首要效果是操控电量流向和流量，以协作体系电路的需求，比方在多个电源，包含电池、外部电源等分配、挑选电力供给给电路中的各个部分运用。PMIC集成度较高，能够完结包含LDO、电池电量计、DC-DC、温度检测等多种功用。

　　驱动IC：驱动IC是将操控信号转化成能够被外部的设备和履行的指令和信号，有时候驱动IC还集成电源办理、温度操控、电压调理、电流维护等功用。依据运用的不同，有时候不同的用电设备运作需求不同的电流操控形式，所以比较常见的有LED驱动IC、电机驱动IC等产品。

　　下一期，咱们将持续针对首要的功率器材细分范畴，包含IGBT、MOSFET等进行深入分析，并介绍功率半导体商场的规划以及结构现状。记住重视咱们～

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