功率晶体管与IGBT的现状和发展於兵书.doc

功率晶体管与IGBT的现状和发展 无锡高德创投基金管理公司功率晶体管与IGBT的现状和发展上世纪中叶以来，电子技术因为晶体管的出现而突飞猛进地发展，不但极大地促进了所有的行业发展，而且深刻影响着人类社会生活的方方面面。在名目繁多的晶体管产品中，功率晶体管一开始主要应用在电力行业范围，又称电力电子器件。专业人士认为，电力半导体器件可谓现代电力电子产业的“心脏”，能推动约8.4倍的电力电子产品、114倍的相关电子产品的发展；通过运用高频电力电子技术，可以大大提高电能的使用效率，节约20%-40%的电能源和90%以上的相关原材料，如对3KV以上的高压大容量风机、水泵、压缩机设备，采用电力电子变频调速技术，若电机系统运行效率提高8%，年节电量便高达800亿度，几乎是三峡水电站一年的发电量。所以，电力电子器件从出现以来，一直以其超常的速度发展，稳据其它半导体器件之前。一、电力电子器件的发展途径十多年来，电力电子器件大致经历了三个发展阶段，也即有三个主要的发展途径:提高器件的电流、电压容量是一个贯穿始终的目标;从80年代初期开始，在低功耗、多功能方面也作了很多努力;从1988年开始，又提出了智能化的要求。下面将简要介绍在这三个方面所取得的进展。1大容量化功率器件的大容量化与其适用的频率有很大关系，随功率变换装置的控制方式从PAM(脉幅调制)进展到正弦波PWM(脉宽调制)方式，频率也提高到20kHz以上。与此相应，GTR(包括单个双极晶体管、达林顿管和GTR模块)代替了过去的SCR，可覆盖耐压1 500v、电流100OA以下的领域。但在此容量以上时，由于GTR中hr。降低和饱和压降增大的问题更为突出，GTO和SCR就成了主流器件。目前，随IGBT等MOS复合器件的大容量化，即使过去认为是GTO领域的工业用电源和电车等也正在扩展到IGBT的应用范围。2、低功耗、多功能化从低功耗方面考虑，双极晶体管比起GTO来关断增益高，反向偏置驱动电路简单，因此普及较早。进而出现了正向驱动电路也能简单化的MOSFET。MOSFET有优良的开关性能，在耐压较低的情况下(如600V以下)导通电压也低，但由于是单极器件，不会产生电导率调制，在高耐压情况下有导通电压急剧增大的缺点，因此不可能全面替代双极晶体管。具有MOS结构的双极器件IGBT兼有两种器件的优点，作为在功率MOSFET所不能达到的应用领域内的器件而快速发展。它的频率可达到15kHz以上，在PWM控制的低噪声逆变器中起了主要作用。但与过去驱动的双极逆变器比较，开关损耗大，冷却用散热片也需增大，效率低，这些问题在IGBT的普及中是个大的障碍。为了改善这种状况，最近开发了第三代IGBT，在具有高速开关特性的同时，饱和电压达到与双极晶体管相当的2V以下的水平，几乎接近IGBT的理论极限。今后还将采用开关性能与第三代IGBT相当、饱和电压进一步降低到1V左右的新型器件，如MOS1极晶闸管等。3、智能化最近几年除了开发及改进主电路功率部分中的功率器件外，包括外部国控制电路和保护电路的智能功率IC的开发也很活跃。其主要方法一个是单片方式的智能功率IC，另一个是混合方式的智能功率模块。前者最初用低压MOSFET为主要器件，多用于汽车工业，最近以高耐压IGBT作主要器件的高压功率IC也已发表，适用于容量较小的功率变换装置和功率器件驱动电路等。后者最初以双极晶体管为主要器件，最近以IGBT为主要器件的智能功率模块也己实用化，已在从l马力驱动的家庭用空调逆变器到工业用中、大容量逆变器中应用。今后随着功率器件性能的提高及需方对于设计时间短、组装工艺简单、装置小而轻等的要求，智能化器件的意义也将越来越大。二、IGBT器件概念IGBT是一种非常独特的器件。西方发达国家迄今严守其核心技术秘密，不轻易向中国等发展中国家转让，可见其重要性。IGBT是绝缘栅双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor）,它是八十年代初诞生，九十年代迅速发展起来的新型复合电力电子器件。IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身，既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。因此，IGBT的新技术、新工艺不断有新的突破；应用频率硬开关5KHz40KHz，软开关40KHz150KHz；功率从五千瓦到几百千瓦的应用场合。IGBT器件将不断开拓新的应用领域，为高效节能、节材，为新能源、工业自动化(高频电焊机, 高频超声波, 逆变器, 斩波器, UPS/EPS, 感应加热)提供了新的商机。1、什么是 IGBTIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为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。图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT 的工作特性包括静态和动态两类： 图1 N沟道IGBT示意图（1）静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其b值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) Uj1 Udr IdRoh 式中，Uj1 JI 结的正向电压，其值为0.7 1V ；Udr 扩展电阻Rdr 上的压降；Roh 沟道电阻。通态电流Ids 可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos 式中Imos 流过MOSFET 的电流。由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 （2）动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间t(off)=td(off)+trv十t(f) 式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1mm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。2、功率半导体器件和IGBT的发展历史功率半导体器件的发展，从时间上梳理，大致可分为三个阶段。第一阶段：上世纪六十到七十年代，各种类型的晶闸管和大功率达林顿晶体管有了很大的发展，或可称为是双极性的年代。其服务对象是以工业应用为主，包括电力系统，机车牵引等。第二阶段是上世纪八十到九十年代，由于功率MOSFET的兴起，使电力电子步入了一个新的领域。为近代蓬勃发展的4C产业：即Communication，Computer，Consumer，Car(通信，电脑，消费电器，汽车)提供了新的活力。二十一世纪前后，功率半导体器件的发展又进入了第三阶段，即和集成电路结合愈来愈紧密的阶段功率半导体器件在朝着两个方向发展：双极性方向即超大功率方向；单极性方向。这就和集成电路建立了密不可分的关系。从技术进步的角度来说： 1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本性能”的综合效果得到进一步改善。1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平12001800A/18003300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热点。现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的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。IGBT的应用反过来极大地促进了有关行业的发展。以我国电气传动与变频调速技术发展历史为例，从下表中可以看到，现阶段，IGBT成为行业升级的关键器件： 特 征 应 用 年 代电动机机组传动50年代初70年代中汞弧整流器供电的直流调速传动50年代后60年代后期磁放大器励磁的发电机、电动机机组传动60年代初70年代中晶闸管变流器励磁的发动机、电动机机组60年代后期70年代后期晶闸管变流器供电的直流调速传动70年代初现在饱和磁放大器供电的交流调速传动60年代初60年代后期静止串级调速、交流调速传动70年代中现在循环变流器供电的交流变频调速传动80年代后期现在电压或电流型6脉冲逆变器供电的交流变频调速传动80年代初现在BJT（IGBT）PWM逆变器供电的交流变频调速传动90年代初现在三、IGBT的分类IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠、低成本技术，主要采用1m以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。 1、低功率IGBT IGBT应用范围一般都在600V、1KA、1KHz以上区域，为满足家电行业的发展需求，摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品，实用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁灶、电子整流器、照相机等产品的应用。 2、U-IGBT U（沟槽结构）-IGBT是在管芯上刻槽，芯片元胞内部形成沟槽式栅极。采用沟道结构后，可进一步缩小元胞尺寸，减少沟道电阻，提高电流密度，制造相同额定电流而芯片尺寸最少的产品。现有多家公司生产各种UIGBT产品，适用低电压驱动、表面贴装的要求。 3、NPT-IGBTNPT（非传统型）-IGBT采用薄硅片技术，以离子注入发射区代替高复杂、高成本的厚层高阻外延，可降低生产成本25%左右，耐压越高成本差越大，在性能上更具有特色，高速、低损耗、正温度系数，无锁定效应，在设计6001200V的IGBT时，NPTIGBT可靠性最高。西门子公司可提供600V、1200V、1700V系列产品和6500V高压IGBT，并推出低饱和压降DLC型NPTIGBT，依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出NPTIGBT及其模块系列，富士电机、摩托罗拉等在研制之中，NPT型正成为IGBT发展方向。4、SDB-IGBT 鉴于目前厂家对IGBT的开发非常重视，三星、快捷等公司采用SDB（硅片直接键合）技术，在IC生产线上制作第四代高速IGBT及模块系列产品，特点为高速，低饱和压降，低拖尾电流，正温度系数易于并联，在600V和1200V电压范围性能优良，分为UF、RUF两大系统。 5、超快速IGBT 国际整流器（IR）公司的研发重点在于减少IGBT的拖尾效应，使其能快速关断，研制的超快速IGBT可最大限度地减少拖尾效应，关断时间不超过2000ns，采用特殊高能照射分层技术，关断时间可在100ns以下，拖尾更短，重点产品专为电机控制而设计，现有6种型号，另可用在大功率电源变换器中。6、IGBT/FRD IR公司在IGBT基础上推出两款结合FRD（快速恢复二极管）的新型器件，IGBT/FRD有效结合，将转换状态的损耗减少20%，采用TO247外型封装，额定规格为1200V、25、50、75、100A，用于电机驱动和功率转换，以IGBT及FRD为基础的新技术便于器件并联，在多芯片模块中实现更平均的温度，提高整体可靠性。 7、IGBT功率模块IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为12001800A/18003300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热点。四、国内功率器件的市场状况无论是电源管理IC还是功率分立器件，都是市场发展较快的电子器件，其增长率一直高于半导体整体市场的增长率，整体来看，近几年来中国功率器件市场的增长率都保持在20%以上，2002到2006年的复合增长率达到29.4%，市场的高速发展主要是因为使用功率器件的下游产品产量的大幅增长以及功率器件技术的快速更新。图2 20022006年中国功率器件市场规模与增长数据来源：赛迪顾问 2007，011、功率器件的产品结构从功率器件的产品结构来看，功率IC和MOSFET的市场份额较大，分别占有40.4%和26.0%的市场份额，是中国功率半导体市场上最重要的两个产品，此外，大功率晶体管、达林顿管、IGBT和晶闸管也占有一定的市场份额。几乎所有的电子产品都会用到功率IC，近年来，随着整机产量的增加，功率IC市场的发展也十分迅速。功率MOSFET的应用也十分广泛，其中20V产品主要用于手机、数码相机，30V产品主要用于计算机主板、显卡，40V产品主要用于机顶盒和电动自行车，60V产品主要用于UPS、汽车雨刷、汽车音响、马达控制，80V以上产品主要用于LCD TV、LCD显示器和其他仪器仪表等，而150V-400V的产品主要用于照明、CRT电视、CRT显示器、背投电视、电热水器和洗衣机等，400V-800V产品主要用于发动机启动器、车灯控制、电机控制，嵌入式电源和电源适配器等，800V-1000V的产品主要用于风力发电、电焊机和中低压变频器等、1000V以上产品主要用于高压变频器、发电和变电设备等。由于手机、数码相机、计算机主板、显卡、LCD显示器等产品产量庞大导致电压在20V-100V之间的MOSFET用量最大。图3 2006年中国功率器件市场按产品分销售额（亿元）IGBT虽然份额较小，但发展快速，从IGBT耐压范围上看，电压在600V-1200V之间的IGBT用量最大，目前在电磁炉、电源、变频家电等产品中使用的IGBT耐压一般都是600V和1200V。低于600V的IGBT产品主要使用在数码相机闪光灯和汽车点火器上。电压大于1200V的IGBT主要以1700V IGBT为主，该产品在高压变频器等工业产品上广泛使用。2、功率器件的应用领域从应用领域来看，中国功率半导体市场主要分布在消费电子、网络通信、计算机、工业控制等领域。2006年中国功率半导体市场的销售额应用结构中，消费类占24.0%的份额，其次为工控领域，占23.4%的份额，计算机领域占21.8%，网络通信类占20.5%，这四大领域占据了中国功率器件市场近90%的市场份额。此外，汽车电子和其它应用占10.3%的市场份额。应该说网络通信领域是2006年中国电源管理芯片市场发展最快的领域，2006年中国网络通信类产品普遍具有较高的增长率，GSM手机、WLAN AP、路由器、移动程控交换机、DSL终端和VOIP设备等产品产量都具有超过40%的增长率，通信类整机产品产量的高速增长直接带动了该领域功率器件市场的发展，网络通信领域占整体功率器件市场的比重较2005年有所上升。图4 2006年中国功率器件市场按应用领域分销售额（亿元）数据来源：赛迪顾问 2007，01 最近2-5年是高压变频调速领域大发展的最好时机，市场会出现倍增快速增长，有可能达到100亿/年以上的市场规模，高压变频器市场在10年内不会饱和，国内应当能够出现5-8家上规模的企业并逐渐取代国外产品，占到80%以上的市场份额，这是因为，国内厂家对这个市场，对中国用户更了解，开发的产品适用性更强，高压变频器毕竟不是一个完全标准化产品，总要结合各类用户的现场不同要求，做适当的二次开发，这点国外厂家和代理商不易做到。国产高压变频器已经全面进入电力、冶金、石化、建材等重要领域，同时，国产高压变频器占有1/3的市场份额。对于目前高压变频器的市场形势，更大的应用高潮正在逐步形成。功率器件包括IGBT在这里大有可为。3、国外厂商在我国国内市场的地位在目前我国功率器件市场上，国外厂商占绝对优势，中国市场绝大多数的市场份额被国外厂商占据。从目前全球功率半导体厂商的区域分布来看，主要是欧美、日本和台湾厂商。另外从功率半导体厂商的类型来看，多数功率芯片厂商是IDM厂商，Fabless也占据了一定比例。美国、日本和欧洲功率芯片厂商大部分属于IDM厂商，而中国台湾厂商则绝大多数属于Fabless厂商。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、ON Semiconductor、AOS和Vishay等厂商。其中美国厂商在功率IC领域具有绝对的领先优势。相对于其它地区的企业，美国厂商在技术和市场上都保持世界领先地位。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，此外，Semikron和Aupec等厂商在分离器件领域也有较强实力，亚太地区是欧洲这几家企业最大的应用市场，其次是欧洲市场。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。中国台湾的功率芯片市场发展较快，拥有立锜（Richtek）、富鼎先进（APower）、茂达（Anpec）、安茂（AME）、致新（GMT）和沛亨（AIC）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、PWM IC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进的差距一步缩小，产品主要应用于计算机主板、显卡、数码产品和LCD等设备。4、我国国产功率半导体器件在国内市场的现状我国功率器件本土厂商起步较晚，技术和市场都相对落后，但近年中小型设计企业发展较快，这些企业多数都是由归国学者创建，同时引入具有国际IC公司工作经验的工程师来提高竞争力。在国内的设计公司中，哈尔滨圣邦微电子、长运通、芯源科技和深圳美芯等公司都已经实现了产品量产，但是，还没有涉及IGBT的。在国际上，IGBT作为一种主流器件，已经发展到了商业化的第五代，而我国只有少数企业从事中小功率IGBT的封装，而且尚未形成产业规模。而在IGBT芯片的产业化以及大功率IGBT的封装方面，更是一片空白。有几家公司正朝规模化生产MOSFET和IGBT努力：（1）、斯达半导体有限公司是一家外商独资(美资)高科技企业,成立于2005年3月,位于浙江省嘉兴市科技城内,占地面积约106亩,一期投资2亿人民币.公司从国外引进先进生产技术,配置最先进的仪器设备建成IGBT模块生产线和占地2000平方米 的千级净化厂房,并在美国硅谷设有研究中心,主要从事功率半导体器件IGBT的设计、封装和销售,是国内唯一一家具有自主研发、设计和封装能力的功率半导体模块厂家.。公司的主要管理人员和技术骨干都是毕业于国际著名大学的博士,在国外著名半导体公司从事功率半导体器件的研究和生产,拥有十余年以上IGBT模块的设计制造工作经验。.公司产品的原材料大部分是从国外知名公司进口.目前,大功率IGBT模块的高可靠性保证、模块热分析模型、模块热阻分析等关键技术已研发成功.模块样品通过内部检测,各项指标均满足应用需求,产品技术水平达到国际市场同类产品先进水平,产品被广泛用于变频器、电焊机、电源等行业。该公司的研发基地在美国，国内的生产全靠从美国进口芯片。（2）、山东省东营市科英公司从美国引进了一个海归自主研发的IGBT新型功率半导体芯片,顺利通过山东省科技厅组织的科学技术成果鉴定。得到了国家发改委产业化基金支持，原定有5000万元，但该博士继续留在美国，没有下决心回国全职从事IGBT的研究和生产，所以，发改委在支付了20%的资金以后，停止了后续的支持。原计划该产品年生产能力5000万只，销售收入10亿元，将逐步成为科英公司主导产品，并打破国外来料加工生产的制约，现在处于停顿状态。（3）、深圳芯源科技公司 芯源在2004年投资了上百万美元，从韩国引进当今较先进的MOSFET生产工艺，突破国内MOSFET在生产工艺上的瓶颈，进行完全自主的设计和生产。其系列化MOSFET现在已经可以批量出货，欧普、朗能等节能灯大厂商均已开始从芯源采购产品。该公司的功率MOSFET SW630采用芯源的VDMOS平面条形化工艺，导通电阻低为0.4欧姆，开关时间短，栅极电荷低，具有良好的雪崩击穿特性，适用于DC/ DC转换模块和开关电源，典型的应用是电视机和监视器。这款产品的月出货量达到300万只，价格较进口器件便宜10以上。目前大型CRT生产商长城，惠普，美联讯等已大批量采购。芯源近期将会推出一款价格比较低的MOSFET来替代目前广泛用于节能灯产品的1300系列三极管。罗义表示，MOSFET外围简单，寿命长，工作稳定。在其价格降下来之后，将会在更多的领域里得到采用。芯源科技为了满足客户对产品小型化的需求，正在电源管理IC的模块化封装工艺上探索，期望利用其在MOSFET上的技术优势，将一颗PWM控制IC和一颗MOSFET集成到一起，做成可以替代进口产品的智能化电源管理IC，该产品可以使电源管理电路更简洁，提高可靠性。主要针对电脑，家电，显示器和充电器等领域。罗义表示，手机充电器生产商伟创力和赛尔康，显示器生产商美联讯等公司均已有采购意向。该公司的产品偏于小功率MOSFET。（4）、江苏宏微电力电子有限公司2006年常州市引进以留法海归博士，创建了电力电子器件研究所，随后建了生产线。其主要产业方向就是通过以IGBT、VDMOS（沟槽型绝缘栅场效应功率晶体管）和FRED（快恢复二极管）为代表的新一代电力半导体先进技术，提高用电效率、带动产业升级。其中，FRED是该公司主要的国内技术领先的产品，其余两种产品还不是该公司的强项。（注：VDMOS是MOSFET类功率场效应晶体管的一种）该公司与西安的一个大学、一个研究所联合申报国家科技成果产业化基金获得批准，总额5800万元。该公司计划2007年建成的电力电子功率模块生产线当年生产60万块，2008年一季度达到一万块产能。五年后企业将以常州为核心成为国内新型电力电子功率模块及芯片的生产基地。（5）、无锡凤凰电力电子有限公司2008年，无锡引进的美国海归博士创建了凤凰电力电子有限公司，开发、生产功IGBT，到11月就将试生产出10万只，2009年1月大批生产的设备到位，3月即可逐步加大生产批量。第一个目标年产值1.5亿元，净利润4500万元。公司第一步的发展将目标市场定位于使用量巨大的家用电器，第二步增加的目标市场是对国计民生影响巨大的工业控制设备。在产品系列中，第一系列是各种规格的IGBT，第二系列是针对各种家电应用和工业应用的功能模块。为保证产品持续开发、创新发展，该公司与东南大学合作，共建IGBT研究实验室，共同培养相关的各种层次的人才。到目前为止，这是国内最有希望的IGBT科研、生产基地，也是国内最先可以大批量生产IGBT的公司。4、未来功率器件市场预测图5 20072011年中国功率器件市场销售额数据来源：赛迪顾问 2007，01 五、IGBT的应用范围IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。概括起来有五个领域：工业控制、消费电子、网络通信、计算机、汽车电子等。IGBT目前主要应用在电机、变换器(逆变器)、变频器、UPS、EPS电源、风力发电设备、数码相机闪光灯充电器、电磁炉、变频家电等工业控制和消费电子产品中。在汽车电子市场IGBT也已经代替达林顿管成为汽车点火器的首选器件,另外在计算机和网络通信领域，IGBT广泛应用在大功率服务器、UPS电源以及大功率基站中。在上述五大应用领域中，消费电子产品对于IGBT的需求量最大。2005年中国电磁炉产量接近2,000万台，电磁炉是依靠在线圈周围产生高频交变磁场使得锅底产生强大的涡流来达到发热的目的，IGBT由于具有耐高压和较高的开关频率克服了MOSFET耐压能力低的弱点而成为电磁炉中的关键组件。国内电磁炉产量的快速增长带动了IGBT的需求量，目前用于电磁炉的IGBT主要被飞兆（fairchild）半导体和英飞凌（Infineon）所垄断。随着人们节能意识的逐步增强，变频空调、变频洗衣机等变频家电比例逐年扩大。为了简化电路设计提高IGBT使用的可靠性，变频家电中主要使用集驱动电路、保护电路功能于一身的IGBT智能模块。飞兆、三菱、富士、三洋IGBT智能模块在国内市场上都占有一席之地。由于现阶段各厂商间模块封装大小、引脚都有所区别，家电厂商若更换产品供应商就要对电路进行重新设计，势必造成产品成本的提升，所以家电厂商在更换IGBT智能模块供应商上都比较谨慎。日本企业凭借着产品进入中国早、质量可靠占据了变频家电市场的统治地位。除上述产品外相机闪光灯充电器对于IGBT的需求量也很大。与变频家电、电磁炉要求IGBT具有600V、1200V耐压能力不同，相机闪光灯充电器要求IGBT具有较低的电压。目前市场上东芝、瑞萨等公司都推出了其相机闪光灯用IGBT。 IGBT最初主要是用于工业控制领域。在变频器、电焊机、风力发电设备、UPS电源等产品中都需用到IGBT，但上述产品的产量远不能和消费电子产品相比，所以工业控制领域中对IGBT的需求量远低于消费电子位于第二位。不过工业产品要求IGBT具有较高的耐压性、较大的工作电流以及高稳定性，同时工控产品面对价格的压力要远小于消费电子产品，所以工业控制用IGBT的价格相对较高，有些用在变频器、风力发电、电焊机等产品中的IGBT模块和IPM、PIM等智能模块价格在几百元甚至上千元。较高的单价使得在用量低于消费电子产品的情况下，工业控制领域中IGBT销售额略超过消费电子位于首位。IGBT在汽车中的应用主要集中在汽车点火器上，已成功地取代达林顿管成为汽车点火器的首选。飞兆、英飞凌、ST在该市场中有很强的竞争力。IGBT对于技术要求较高，国内企业还没有从事IGBT生产。考虑到IP保护以及技术因素的限制，外资IDM厂商也没有在国内进行IGBT晶圆制造和封装的代工。现阶段国内IGBT市场主要被欧美、日本企业所垄断。Semikron、EUPEC、三菱、Sanken、飞兆、富士、IR、东芝、IXYS、ST是国内IGBT市场中销售额位于前10位的企业。六、IGBT的市场分析在我国功率器件市场中，电源管理IC仍旧占据市场首要位置，MOSFET位于第二位，大功率晶体管位于第三位，此三大产品销售额占到整体市场的80%以上。IGBT销售额虽然不大，但随着其在工业控制、消费电子领域中应用的不断增多，其市场销售额保持着较快的增长，是中国功率器件市场中的新兴产品。从应用领域上看，消费电子领域销售额位列第一位，工业控制居于第二，计算机领域销售额位于第三位。这三大领域销售额占整体市场的68.9%，是功率器件的重要应用市场。同时，凭借笔记本电脑在2007年产量的快速增长，计算机领域对于功率器件的需求额增长率位于各领域之首。“十五”期间电子电力器件的年平均增长速度超过20%，到2005年市场销售额超过200亿元。而其中高科技产品如IGBT等新型电子电力器件的年平均增长率更是超过30%，较一般电力电子器件的年平均增长率更高。从市场构成看，2006年中国功率半导体市场中，消费类占24.0%，工控领域占23.4%，计算机领域占21.8%，网络通信类占20.5%，这四大领域占据了功率器件市场近90%的份额。而汽车电子和其他应用占10.3%的市场份额。2007年，国内电力半导体器件市场的销售额为673亿元，2008年预计达834亿元，到2011年将达到1680亿元。从产品结构来看，2006年MOSFET的销售量174.8亿元，是中国功率半导体分立器件市场上最重要的产品，大功率晶体管、达林顿管、IGBT 和晶闸管也占有较大的市场份额（图3）。而市场增长最快的是功率晶体管，其中绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率场效应管(MOSFET/JFET)2006年增长速度分别为42.9%和23.5%。1、MOSFET成为市场发展亮点2007年，中国市场上对于电源管理IC的需求有所放缓。这主要是受到下游整机产量以及库存调整的影响。2007年，中国功率器件市场增长率较2006年出现较大幅度的下降，市场销售额为762.3亿元，比2006年增长了13.3%。而随着中国厂商不断进入LDO、DC/DC等产品市场，低端电源管理IC产品价格出现一定程度的下滑。在市场需求量增速放缓以及产品价格下滑的双重影响下，2007年中国电源管理IC市场销售额增长14.8%，比2006年23.2%的增长率有较大幅度的下滑。但即使2007年中国电源管理IC市场增长有所放缓，中国电源管理IC市场的增长率依旧高于全球3.8%的水平。在功率分立器件中，相较于大功率晶体管、达林顿管以及晶闸管的低增长率，MOSFET和IGBT依旧保持了较快的发展。其中MOSFET已经广泛应用在主板、Ballast、NB、计算机类电源适配器、LCD TV等产品中，凭借着较快的市场增长率以及广阔的市场发展空间，MOSFET成为中国分立功率器件市场发展亮点。2007年，中国笔记本电脑产量增长率超过40%，LCD TV产量增长率也超过了70%，快速增长的整机产量带动了中国MOSFET的市场需求，但由于整体整机产量增长趋于平稳，MOSFET市场需求量增长率较2006年有所下降。2007年中国MOSFET市场需求量达到171.2亿个，市场需求额为220.5亿元。凭借着在消费类电源适配器、Ballast等产品中的庞大用量，消费电子领域对于MOSFET产品的需求量位列各领域之首，而MOSFET在计算机主板、NB、计算机类适配器、LCD显示器等产品中的广泛使用则使得计算机领域仅次于消费电子位于市场需求量的第二位。网络通信、工业控制、汽车电子以及电力设备领域对于MOSFET的需求量位于第三至六位。由于主板应用中主要使用低压大电流MOSFET产品，其产品单价比较高。而相对于计算机产品应用，消费电子领域中低压小电流产品所占比重比较大，其产品价格相对较低。受此影响，计算机领域MOSFET需求额超过消费电子领域位于第一位，消费电子领域位于其后，而工业控制领域需求额则位于第三位。功率IC和MOSFET分别占有47%和25.7%的市场份额，是中国功率半导体市场上最重要的两个产品。2、IGBT销售快速增长IGBT虽然份额较小，但发展快速，以1,700V以下的应用最为成熟，其优点是电压控制、驱动简单，开关频率高、开关损耗小，可实现短路保护，缺点有导通损耗稍高、封装热阻大，目前IGBT主要应用于工业控制和家电领域以及汽车点火器当中，另外，在照相机闪光灯中也有一定的应用。（1）、电磁炉应用市场据全国交电商品科技经济情报中心的调查数据，电磁炉产品近几年平均增长率高达60%以上。早在2004年，我国电磁炉行业产销量就突破1000万台，其中10%约100万台为出口，90%在国内销售。到2005年为止，全国电磁炉保有量大概有3000万台。2006年以后，由于全国各地燃气、煤气不断涨价，电磁炉销售市场不断扩大，带动了IGBT销售量快速增长。我国电磁炉生产企业虽然有500多家，但IGBT和高级面板还是不能自己制造。igbt市场被德国西门子、日本东芝和美国快捷三家公司所控制，这三家公司生产的igbt占据了国内98%的市场份额。这三家公司为了自身的利益，采用的技术各有差异，导致igbt的互容性较差，同时也限制了国内企业在这项技术上的研发进度。国内的技术人员经过几年的经验积累，对IGBT的认识更加深刻，应用技术水平有了很大的提高，以前制造大功率的电磁炉往往也要使用大功率、高电压的IGBT，现在只需要普通的IGBT的已经足够了。在高技术水平的引导下，2005年主流市场中，20安培的IGBT代替了2003年25安培的主流产品，间接导致了整个IGBT价格的下降。2006年IGBT市场的主角依然是英飞凌（INFINEON0）的IH20T120和FAIRCHILD的FGA25N120AND，小功率茶炉使用的是IH15T120和FGA15N120ANTD；两个型号的技术特点分别是：IH20T120的温升比较低，FGA25N120抗冲击比较好。相比较而言，IH20T120更受一些大厂家工程师的青睐。2006年各自推广用最新技术制造的IGBT R20N120和FGA25N120ANTD，新型号性能有较大提高。（2）、不间断电源（UPS）应用市场2005年，中国UPS市场表现平稳，据研究显示2005年中国UPS市场共计销售114.09万台，同比增长14.09%，销售额达到24.13亿元，同比增长8.69%。从产品的角度看，2005年40kVA60kVA功率的产品仍为主流，10kVA的产品紧随其后。 2005年，小功率UPS产品也花样翻新，APC、科士达、伊顿爱克赛都针对低端市场推出了新产品，就连一直定位在高端市场的艾默生也推出了iTrust 1kVA10kVA的产品，并与英迈签约，共同推动小功率UPS的销售。家用市场在UPS整体市场中所占比例较小。但随着家用PC及相应外设饱有量的不断上升，家庭用户对PC用电要求的提高，该细分市场的UPS需求释放值得期待。（3）、汽车电子汽车电子日趋成为一个独立的产业分支。在汽车商业模式中，主要有整车制造商(OEM)、一级供应商与元器件供应商，他们之间存在着三角关系。由于汽车产业的分化，这个三角形中的各方独立性正在加强，每个角日益成为一个独立的产业。其中，元器件的革新成为了汽车革新的主要焦点，Motorola公司的分析表明， 汽车上70%的革新来源于汽车电子，半导体已成为车辆智能化的神经和大脑。英飞凌(Infineon)公司预计：世界范围内的车用半导体用量将增加，从平均每车200美元有望增加到2009年的每车300美元。 中国目前的汽车年销量排在美国、日本之后，位居世界第三；生产制造排在美国、日本、德国之后，位居世界第四。据国务院发展研究中心提供的数据表明：2010年中国汽车销量达到994万辆；2015年达1457万辆，超过日本；2020年有望超过美国(美国2003年销量1700万辆)，成为世界汽车销量最大的国家。 仔细推敲电子式汽车控制及安全产品的市场规模，根据IMF之归纳可分为动力传动（Powertrain）、电子悬吊系统（ElectronicSuspension）、安全（Safety）、方便/快速（Convenience/Comgort）等四大类。从此四类的产品结构来看，2002年以动力传动所占的比重较高，约占53.3%，而安全、方便/快速的产品仅各占了26.9%及19.3%。 随着汽车产量的增加，以及ABS系统、防撞、电子娱乐、导航、引擎控制和车身电子等方面的进一步发展和升级，未来几年汽车电子领域的功率半导体市场将是