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《日科干货》探讨功率半导体的市场及发展前景

日期: 2018-11-08
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功率半导体器件也叫电力电子器件,它的作用是进行功率处理的,是处理高电压、大电流的。IGBT和功率MOSFET器件是目前应用最广泛的电力电子器件,作为新型功率半导体器件,在计算机、通讯、消费电子、汽车电子等领域广泛应用。

功率半导体器件是关系着高铁动力系统 、汽车动力系统、 消费及通讯电子系统等能否实现自主可控的核心零部件,近年来得到了国家的大力支持,本文将主要为大家讲述IGBT和功率MOSFET器件在各行各业的作用和前景。

IGBT的应用市场和趋势

IGBT是由BJT和MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点,适合于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT是能源变换与传输的核心器件,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

目前全球的IGBT器件及模块基本由欧美日等企业垄断,英飞凌、三菱、富士电机、仙童半导体等企业占据全球八成的市场份额。

IGBT在电动汽的应用

在电动汽车里面,充电和能源转换是最常见的部件,IGBT的作用是交流电和直流电的转换,同时IGBT还承担电压的高低转换的功能。如当汽车进行外界充电时是交流电,要通过IGBT转变成直流电然后给电池,同时把充电电压转换成适当电压给电池组充电;电池放电时,把通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电,同时实现对交流电机的变频控制。

IGBT的好坏直接影响电动车功率的释放速度和充电性能,是最关键的核心部件。

IGBT在轨道交通的应用

除了电动车,IGBT在轨道交通应用很广。在轨道交通中,需要用电力实现对车的供电,大功率交流传动电力机车内部构成有有两个重要的功率模块,即主牵引变流器和辅助变流器。主牵引变流器为牵引机车提供动力,功率最高、电压最大,辅助变流器为其他非动力电流供电,如空调、车灯、后备电源等,电压、功率相对较低。

IGBT模块在轨道交通的作用主要是功率转换、降温和调节等。如混动车的关键组件是发电机和马达驱动,而发电机和马达驱动的关键是IGBT模块。由于混动车的工作环境略优于轨道交通,因此可选用等级稍低的车辆级IGBT模块。实际应用时,可通过将IGBT的位置更靠近基板螺丝固定点的方法,来有效降低基板与散热片之间的热阻效应。

随着集成电路的不断发展,设计和工艺也不断几部,高速、微型化的集成模块成为厂商们更好的选择。如今的大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除了由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路,其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。

功率MOSFET器件的应用与发展前景

MOSFET是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管,依照其“通道”的极性不同,可分为“N型”与“P型” 的两种类型,通常又称为NMOSFET与PMOSFET。MOSFET在数字信号处理上最主要的成功来自CMOS逻辑电路的发明,这种结构最大的好处是理论上不会有静态的功率损耗,只有在逻辑门的切换动作时才有电流通过。

和IGBT市场类似,目前全球的MOSFET器件由欧美日等企业垄断,英飞凌、仙童半导体、瑞萨、意法半导体、东芝等厂商占据了绝大部分。

功率MOSFET器件的应用

MOSFET自1980年即进入电子商业应用,早期功率MOSFET器件主要是针对PC市场和主板和显卡升级换代,随着Type-C接口的普及,MOSFET在功率转换、过载保护上发挥着重要作用,快充接口统一带动MOSFET发展。

由于MOSFET是电动汽车驱动控制系统和充电桩电源模块的核心零部件,近年来,随着物联网、电动车的发展,汽车电子比重提升,产业需求迅速增长,MOSFET等功率元件也迎来了短期的爆发。

功率半导体未来的发展趋势

功率半导体是很多应用领域不可或缺的上游器件,未来将伴随着产业的爆发而实现增长。功率半导体的发展将呈现两大方向,一是功率电子模块的集成度越来越高,半导体模块之间的差异,不仅仅体现在连接技术方面,附加有源和无源器件的集成度也是重要的参数;二是功率半导体的智能化,智能功率模块增加了额外保护和监测功能,如过电流和短路保护、驱动器电源电压控制等功能,智能模块技术让功率半导体成为真正的“智能器件”。


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