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功率半导体解密
功率半导体是什么？
功率器件是功率电子器件的核心，特指转换并控制电力的功率半导体器件。电力有直流电（DC）、交流电（AC）之分，有电压、电流大小和频率的区别。电力转换包括转换一个或多个电压、电流或频率。“功率控制”指控制输入和输出的功率大小。核心是使用最小的输入控制功率保证输出功率的大小和时延。
基本的电力转换的四种方式
1、变流器（DC/AC）
变流器把直流电转换成交流电。变流器几乎使用在所有的电力和电子产品中，如供电电路中的电压波动整形、产生变频输出功率来控制电机转动速度，后者在变频空调、无级变速电机中的应用很广泛，在功率消耗方面由于传统的电机控制。
2、整流器（AC/DC）
整流器把交流电转换成直流电。有时候会用转换器这个词，但转换器更多用来指代所有的功率转换器件。
3、DC/DC转换器
DC/DC转换器通过把直流电切割成电脉冲，从而控制输出电压和电流大小。一种可替代的方法是使用变流器把直流电转换成交流电，再使用稳压器来调整电压，最后使用整流器把交流电转回直流电。
4、变频器（AC/AC）
变频器把交流电从一个频率转换到另一个频率，有周波变频器和矩阵变频器。也可以使用交流电功率稳压器，通过改变交流电源的相位来改变输出的交流电。
所有的转换器都有一个共同的目标，就是实现%的能量转换率（转换过程中没有任何能量损失）。换句话说，一个完美的转化器在关闭的时候没有任何的漏电，在打开的时候没有任何电压损失，在开闭转换的时候没有任何的功率损耗。在这个领域的技术和材料的创新，都是为了提高能量转换效率。
功率半导体的六大应用场景
在任何需要节能转换和操纵电力的地方都需要功率半导体，主要包括六大大应用场景：
1、电动汽车：
新增的功率半导体器件的性能和功率效率是电动汽车运行的关键。汽车的电气化使所需的电力部件价值增加了5倍以上。元件主要用于逆变器，将非常高的能量电流引入汽车的电动机和电池充电器。
2、可再生能源发电：
可再生能源发电也需要高功率半导体，因为可再生能源不规则，需要高的发电效率才能实现经济可持续发展。以每兆瓦时为基础，风电场需要比传统燃煤电站多30倍的功率半导体价值量。
3、工业和自动化：
使用IGBT的变速驱动器越来越多地取代工业应用中的传统电机，因为它们可以显着提高能效。功率半导体对于工厂的进一步自动化也至关重要，“工业4.0”的革命在很大程度上取决于增加的功率和传感器半导体内容，以驱动工厂的机器人技术。
4、储能：
可再生能源（特别是风能和太阳能）;取决于天气和气候，这固有地导致电网中的能量波动。有效的能量存储对于向可再生能源对总发电的更高贡献的转变至关重要，并且需要再次有效地转换电能，即功率半导体。
5、数据中心和服务器：
功率半导体在优化数据中心的能源使用方面发挥着核心作用，用于整流，电池充电和DC/AC逆变。专门研究超大规模环境，本地化备用电源（所谓的“电池架上电池”）增加了服务器机架内部功率半导体元件的使用。未来的发展，包括氮化镓的使用和能量比例计算将继续增加数据中心中功率半导体使用的广度。
6、消费类电子产品/白色家电：
功率半导体是每款智能手机的核心;它们控制充电机制，功率输出和能效。在白色器具中，优化的感应技术例如在烹饪用具使加热更快更均匀，同时使用更节能。功率半导体也是“智能”白色家电的核心。
功率半导体的种类及比较
功率半导体从器件工作原理来看可以分为：二极管，晶闸管，MOSFET，以及IGBT。
四种主要的功率半导体器件
二极管
二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。它具有单向导电性能，即给二极管阳极和阴极加上正向电压时，二极管导通。当给阳极和阴极加上反向电压时，二极管截止。因此，二极管的导通和截止，则相当于开关的接通与断开。
晶闸管
晶闸管设计用于在高电流和高电压下工作，并且通常用于AC电流到DC电流的整流以及AC电流到不同幅度或频率的整流。我们通常将晶闸管分为以下几组：可控硅整流器（通常称为晶闸管）和栅极关断晶闸管（GTO），它们是高功率器件，与常规晶闸管相比，可以通过门信号。
MOSFET
MOSFET和标准双极晶体管之间的基本区别在于源极-漏极电流由栅极电压控制，使其工作比需要高基极电流导通的双极晶体管更节能。此外，它具有快速关闭功能，允许其以高频率切换。最后，MOSFET不易受“热失控”的影响，因此特别适用于家用电器，汽车和PC电源的电源设计。
IGBT
IGBT将双极晶体管的某些特性与单个器件中的MOSFET的特性结合在一起。IGBT与MOSFET有显着差异，制造起来更具挑战性。最大的差异是在上图中显示的N源极/漏极下的附加P衬底，其阻止反向电流流动。展品8-9）
IGBT器件可以处理大电流（如双极晶体管）并受电压控制（如MOSFET），使其适用于高能量应用，如变速箱，重型机车，大型船舶螺旋桨等。
功率半导体的性能差异比较
在实际使用中，功率半导体根据器件的实际性能差异应用于不同的场景，并且可以选择选择分立器件和模组两种封装形式。
二极管和晶体管的性能差异：
二极管和晶体管的关键功能是相同的–控制开关的开/关功率（电）。二极管和二极管之间的主要区别之一晶体管是二极管将交流电（AC）转换成直流电（DC）晶体管将输入信号从低阻电路传输到高电阻电路。二极管也称为晶体二极管，因为它是由晶体（硅或锗）。它是一个两端子设备，当正极电源端子连接到p型区域，负极端子为连接到二极管的n区域。
晶体管具有三个区域，即发射极，集电极和基极。发射器是重掺杂，以便它可以将重的带电粒子转移到基极。的基础晶体管尺寸更小，掺杂更轻，从而电荷载流子容易移动从基地到集热区。集电极是晶体管的最大区域，因为它可以消散基极-集电极结处产生的热量。总的来说，晶体管器件是现代集成电路产业的根基，这要归功于其更全面的功能。
晶闸管/MOSFET/IGBT的比较：
晶闸管：通过电流控制电流，频率低，
MOSFET：电压控制电压，频率高，mos管的最大劣势是随着耐压升高，内阻迅速增大（不是线性增大），所以高压下内阻很大，不能做大功率应用。mos开关速度快，意味着开关损耗小（开关发热小），同样电流导通压降低，意味着导通损耗小（还是发热小）
IGBT：电压控制电流，频率适中，在低压下igbt相对mos管在电性能和价格上都没有优势，所以基本上看不到低压igbt，并不是低压的造不出来，而是毫无性价比。在v以上，igbt的优势才明显，电压越高，igbt越有优势，电压越低，mos管越有优势。所以高压下igbt优势明显，既有高开关速度（尽管比mos管慢，但是开关比三极管快很多），又有三极管的大电流特性。
分立器件和模组的比较
功率半导体器件或者作为单个器件封装在单个封装中（分立器件），或者与模块中的其他半导体器件（模块）集成。下面是两个类别的概述：
分立器件：
在典型的电源中，需要许多单个半导体器件，或“分立”。集成许多不同的组件可能具有挑战性，每个组件都增加了系统的复杂性。但是，分立元件的成本低于集成模块，可以轻松集成到定制系统中，并且可以在发生故障时轻松更换。
功率模块：
功率模块通常提供更好的功率密度，并且比一系列分立器件更可靠-因为此类模块通常用于需要长时间高可靠性的系统，例如风力转换器，太阳能系统等。
功率半导体制造工艺
前端晶圆制造工艺。功率半导体需要在薄晶圆上制造。当电流流过半导体器件时，各层硅的厚度增加导致饱和电压增加和开关损耗增加。这两个因素都对功率半导体器件的性能有害，主要是因为它们导致能量损失和发热。因此，薄晶圆的制造至关重要：它可以提高电源效率，并更好地散发元件产生的热量。
由于功率半导体需要不同的CMOS半导体材料和工艺;他们需要专门的晶圆厂。这意味着功率半导体的规模对于建立具有成本效益的前端制造能力至关重要。
后端封装工艺。所谓封装是将前端操作中制造的芯片“封装”到电源组件中的过程在专用的后端设备中进行。功率密度是半导体元件的主要竞争特征，并且元件的热性能是实现更高功率密度的最重要的杠杆。因此，部件的封装质量是功率部件差异化的关键因素。
功率半导体产业链梳理
功率半导体发展历史
功率半导体最早出现在年代，年美国贝尔实验室发明了晶闸管，并在60年代得到广泛应用；年后逐渐发展出功率各种新型晶闸管，单极性MOSFET，双极性MOSFET；90年代研发出IGBT，此后逐步出现功率模块和集成功率器件。目前功率器件主要以Si基材料为主，包括SOI高压集成电路，随着第三代半导体的发展，以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料开始成为功率半导体的新兴材料。
功率半导体全球市场分析
近几年全球功率半导体市场规模一直稳定在-亿美元的水平，占到全球半导体市场规模5%左右的比例。其中绝大多数市场被国外厂商垄断，包括英飞凌，TI，NXP，日本瑞萨等，中国产品还有很大的替代空间，前十名厂商占有57%的市场份额。相对于集成电路行业，分立器件市场集中度更低，商业生态壁垒不高。
功率半导体市场中，占比最大的企业是infineon，19%；按照产品种类来划分，最重要的产品是mosfet和IGBT。其他产品，BJT，晶闸管以及二极管等市场非常分散且价值量较低。
从最主要的IGBT和MOSFET市场来看，Infineon分别以27%和28%的市占率位居全球第一的位置。其他公司，包括三菱电机，富士电机，Renesas和ST也占据了较高的市场份额。不同于二极管市场和晶体管市场的高度分散化，IGBT和MOSFET市场由于其技术门槛更高，具备更高的市场集中度。
根据IHS资料，年MOSFET占晶体管总市场的55％，其次是IGBT和BJT的30％和15％的份额。但是，IGBT市场将在-21F年经历更强劲的增长，复合年增长率为8％。主要驱动力来自工业和汽车领域，它们分别得益于工厂自动化和汽车电气化。对于MOSFET，整个应用的需求和增长速度之间更加平衡预计在-21F年复合年增长率为3％，这主要是由工业部门推动的。
功率半导体下游需求分析
电动汽车：功率半导体是电动汽车运行的关键，其性能和功率效率。普通传统汽车的半导体价值量约为美元，主要产品是微控制器（78美元），传感器（44美元）和功率半导体（71美元）。通常电气化意味着功率半导体内容的价值在传统汽车和电动汽车之间增加了五倍多。
在传统汽车中：功率半导体仅限于空调系统以及汽车的各种控制和执行器。这意味着相对较小的部件和较小的成本。在电动汽车中，主要功率半导体元件变为：为汽车的高扭矩电动机供电所需的转换器，用于降低电池电压的DC/DC转换器，用于电池充电器的附加类似组件，特别高增压要求。这些组件的质量和性能是决定汽车性能的主要因素（更高的扭矩需要更强的转换器）和功率效率（更好的转换器和充电器可带来更高效，更快速的充电和更好的范围）。
可再生能源发电
电场需要比传统燃煤电站多30倍的功率半导体。在风力涡轮机中，功率半导体在能量的产生，转换和运输中起着至关重要的作用。风力涡轮机中的功率半导体的质量和可靠性要求特别严格，在恶劣环境中操作时，部件暴露于日常活动的大波动（特别是这适用于暴露于盐和湿度的海上涡轮机）。同样，太阳能发电和转换也需要整个系统的功率半导体。太阳能系统中的功率半导体需要高效，因为需要最小化开关损耗，而组件的可靠性和耐用性对系统的性能也是至关重要的。
工业和自动化
使用IGBT的变速驱动器越来越多地取代工业应用中的传统电机，因为它们可以显着提高能效。变速驱动器本质上是“节流阀”，可以精确控制工业电机，这是当今最大的电力用户。目前部署的大多数工业电机以固定速度转动，并且只能通过“制动”来减速，从而导致摩擦并因此导致效率损失。变速驱动器可以更好地匹配扭矩和旋转与负载要求，这样可以节省约20-30％的能源消耗，目前大多数工业电机仍由传统电机供电。
储能
可再生能源（特别是风能和太阳能）;取决于天气和气候，其固有地引起与电网运行不直接相关的能量波动。因此，高效的能量储存对于向可再生能源对总发电的更高贡献的转变至关重要。能量存储需要再次供电：电池充电器，逆变器，用电池为电网供电。
数据中心和服务器
数据中心的用电量非常高，是其运营成本的重要因素。谷歌在其数据中心使用足够的能源来为20万户家庭供电。功率半导体在优化数据中心的能效方面发挥着核心作用，从而降低了运营成本。在数据中心，功率半导体（IGBT和MOSFET）用于整流，电池充电和DC/AC反相。
特别是在超大规模环境中（即谷歌和Facebook等人使用的数据中心），本地化电源（所谓的“电池架上电池”）用于备用电源需求，而不是使用集中式UPS，这需要更多的功率半导体内容。根据微软的说法，“架空式电池”的使用将数据中心的占地面积减少了约25％（不再需要建造一个独立的房间，容纳巨大的UPS电池），并将电源使用效率提高多达15％。此外，它允许数据中心通过服务器机架中的计算和存储自动扩展电池备份容量。
消费电子/家电
功率半导体是每款智能手机的核心;它们控制充电机制，功率输出和能效。在白色器具中，优化的感应技术例如在烹饪用具使加热更快更均匀，同时使用更节能。功率半导体也是“智能”白色家电的核心。
全球功率半导体企业一览
从经营规模和利润水平来看，国内功率半导体企业和国外龙头企业仍然有明显的差距。国际龙头Infineon年营业收入达到96.7亿美元，而国内最大的功率半导体企业士兰微年营业收入仅为4.3亿美元。同时，国内大部分功率半导体企业的盈利能力也明显低于国外同行，仅有斯达半导，士兰微，扬杰科技的盈利能力接近国外竞争对手。而从产品类型来看，国外龙头企业产品线更加丰富同时高价值量的产品收入占比也更高。但是，随着行业的长期景气来临，我们认为国产功率半导体的持续增长趋势明确，替代空间巨大。
Infineon
英飞凌科技公司于年在德国慕尼黑正式成立，是全球领先的半导体公司之一。公司前身为西门子集团的半导体部门，于年独立，0年上市。公司作为国际半导体产业创新的领导者，为有线和无线通信、汽车及工业电子、内存、计算机安全以及芯片卡市场提供先进的半导体产品及完整的系统解决方案。
作为功率半导体领导者，英飞凌是市场上唯一一家提供覆盖硅、碳化硅和氮化镓等材料的全系列功率产品的公司，拥有高性价比的第七代CoolMOS、基于第三代宽禁带半导体的高性能CoolSiC与CoolGaN、以及支持更高频率应用的第六代OptiMOS等丰富产品组合，从芯片技术层面提升电源效率。
Rohm
罗姆（Rohm）半导体集团是全球最知名的半导体厂商之一，公司于年作为小电子零部件生产商起家，于年和年逐步进入了晶体管、二极管领域和IC等半导体领域。公司产品涉及多个领域，其中包括IC、分立元器件、光学元器件、无源元件、模块、半导体应用产品及医疗器具。
公司的重点业务之一为功率半导体，目前提供MOSFET、IGBT、FRD等分立元件及栅极驱动IC等大量功率半导体器件。为满足更广泛用途需求，公司增加SiC产品开拓耐高压器件市场。
OnSEMI
OnSemiconductorCorporation安森美半导体创立于年。该公司及其子公司从事节能电子驱动创新业务。公司的系列产品包括电源和信号管理、逻辑、离散和定制设备，包括汽车，通信，计算机，消费，工业，LED照明，医疗，*事飞机，航空航天，智能电网与电源的应用。公司设计，制造和销售先进的电子系统和广泛的半导体元件，以解决设计组合的需要。
公司的电源管理半导体元件对不同的电子设备进行控制，转换，保护和监控电源。公司的定制的ASIC，DSP，因其混合信号和先进的逻辑能力，成为许多汽车，医疗设备，*事飞机，航空航天，消费和工业领域的独特产品。公司的数据管理半导体组件提供高性能的时钟管理和数据流管理，精密的计算和通信系统。公司的标准半导体元件作为基础组件存在于几乎所有类型的电子设备。其产品应用包括便携式电子产品，电脑，游戏机，服务器，汽车和工业控制系统，LED照明，电源，网络和电信设备和自动化测试设备。
ST
意法半导体（ST）集团于年成立，是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。年5月，SGS-汤姆森半导体公司将公司名称改为意法半导体有限公司。意法半导体是世界最大的半导体公司之一、领先的集成设备制造商，为智能驾驶，智能工厂，智慧家居与城市和智能产品提供关键解决方案。
公司拥有丰富的芯片制造工艺，包括先进的FD-SOI（全耗尽绝缘体上硅）、CMOS（互补金属氧化物半导体）、差异化影像技术、RF-SOI(射频绝缘层上硅)、Bi-CMOS、BCD(Bipolar,CMOS,DMOS)，SiliconCarbide（碳化硅）、VIPower和MEMS技术，在全球建立了巨大的前后工序制造网络。
Vishay
VishayIntertechnology,Inc.是一家分立半导体和无源元件的全球领先的制造商和供应商。威世成立于年，公司开始以箔电阻及箔电阻应变计作为其最初产品系列开展经营。年，Vishay开始了一系列战略收购以使自己成为可提供广泛电子元件的制造商。
公司收购的分立电子元件顶级厂商包括达勒(Dale)、思芬尼（Sfernice）、迪劳瑞(Draloric)、思碧(Sprague)、威趋蒙(Vitramon)、硅尼克斯(Siliconix)、通用半导体(GeneralSemiconductor)、BC元件（BC