banner
关于合明 资讯中心

2019-07-29

J8彩票率元器件清洗合明科技分享:主流功率器件MOSFET和IGBT对比分析

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:199

 

半导体功率元器件清洗合明科技分享:主流功率器件MOSFET和IGBT对比分析

 

文章来源于微信公众号:深度行业研究 乐晴智库精选


 半导体功率器件广泛应用于汽车、家电、光伏、风电、轨交等领域,渗透进了人们生活的方方面面。

功率半导体器件可以用来控制电路通断,从而实现电力的整流、逆变、变频等变换。

一般将额定电流超过1A的半导体器件归类为功率半导体器件,这类器件的阻断电压分布在几伏到上万伏。

QQ截图20190726091952.png

常见的功率半导体器件有金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管芯片(IGBT)及模块等。


电子设备正朝着高频、高效、高可靠、高功率和低成本的发展方向,相应的功率器件也要求高频、高可靠、低损耗和低成本。
目前主流的功率器件主要是MOSFET和IGBT。

日本ROHM公司在中国举办发布会,发布业界最快trr性能的600V超级结MOSFET PrestoMOS系列。罗姆半导体(上海)有限公司设计中心高级经理水原德健对MOSFET和IGBT做了市场优劣势分析:

MOSFET优点是高频,可以工作到几百KHZ,甚至MHZ、10MHZ都没问题;缺点是不耐高压,在高压大电流场合功耗较大,1500W以上就没有优势了。IGBT优点是导通压降小,耐高压.功率可以达到5000W;弱点是开关频率最大40—50KHz,开关损耗大。

MOSFET一般在较低功率应用及较高频应用(即功率)

罗姆的高耐压超级结MOSFET

功率元器件一般是由硅、碳化硅、氮化镓这三种材料做成,碳化硅和氮化镓是相对新的功率器件材料。而本次发布会介绍的产品——超级结MOSFET和PrestoMOS,是硅材料产品。

高压MOS在市场上应用很多,每个厂家对“高压MOS”定义不同,有的说200V以上是高压MOS,但比较普遍的认为是,500-600V以上的是高压MOS。市场上用的最多的高压MOS也是600V,大概占到所有高压MOS的三分之二。

600V里又分为三类:600V标准型,大约占整个市场的三分之一左右;600V高速开关型,占三分之一左右;600V高速trr型,大约在市场上占7%。

从应用上,标准型和高速开关型主要是用在电源变压器上,高速trr产品主要应用在逆变上,600V之上有650V和800V的产品,主要在太阳能、电动汽车使用。再往上还有1200V和1500V的产品。

高压MOS从构造上分为两种,平面高压MOS,和纵向纵沟槽型高压MOS,也就是超级结MOSFET。

从2014年到2020年,MOS的整体需求量变化不大,但在需求结构上变化很大,平面MOS市场越来越变小,超级结MOSFET市场越来越大。

为什么会出现这样的变化呢?原因在于,客户在选择产品时有两个考量:性能和价格。性能上超级结MOS更节能;价格上第0代超级结MOS价格大约是平面MOS的接近2倍;第1代大约是1.5倍;现在超级结MOSFET已经进入第2代,将要与平面MOS的价格持平。

未来,超级结MOSFET还会推出第3代、第4代,芯片可以做的越来越小,比平面MOS来说价格有更大的优势,性能也有更大的增强,这就决定了平面MOS的市场会越来越小。

在这里还要提到罗姆的一个独特产品,HybridMOS。什么是HybridMOS呢?刚刚已经介绍了IGBT和MOSFET的区别,IGBT是在大功率情况下节能,MOSFET是在低功率情况下节能。这就出现了一个问题。比如空调在正常运转的时候功率很低,也就1000W左右。但在刚启动时,要瞬间制冷、瞬间制热,会达到4000到6000W,中央空调会达到8000W。

同样一个产品,在低功率的时候也想让它节能,高功率的时候也想让它节能。但又不可能一个产品中同时用IGBT和MOSFET,如果用MOSFET在低功率时是节能的,但是在瞬间开始进行加热、制冷的时候又不是很节能。IGBT瞬间制冷,加热是很节能,但是正常运转的时候又很浪费能量,这是一个很烦恼的事情。

这个情况下,罗姆开发了HybridMOS。在低功率的时候我们采用了MOSFET的构造,在大功率的时候采用IGBT的优点。不管是瞬间制冷,瞬间制热,还是正常运转的时候,都使能量消耗更低。

由于同时拥有MOSFET构造,又拥有IGBT的特性,所以罗姆为该产品起名HybroidMOS,混合动力的意思。

业界最快trr性能的PrestoMOS

在介绍本次发布会主角之前,罗姆先介绍了MOS有三个最主要的特性,一个是导通电路,第二个是QG参数,这两个参数都是越小产品越节能,第三个特性是体二极管的trr特性,无论怎么开发,MOS都重点要改变这几个特性。

罗姆第一代PrestoMOS主要改变了体二极管的trr特性。 MOSFET是一个半导体,从ON到OFF的时候会出现一个反向特性。正常来说的话,因为是半导体,有一个反向的恢复时间和反向的恢复电流。反向的恢复时间(trr)乘以反向的恢复电路,这就是开关造成的开关损耗,开关的损耗越小,整体就越节能。罗姆在第一代产品最主要改变了trr的特性。

PrestoMOS在电路上最大的应用是开关,解决了两个迫切的节能化需求:第一个特性是高速开关,在ON/OFF时能实现很快的切换;第二个特性是,在ON的时候导通电流更小一些,这样使它在ON的时候更节能。

这张图解释了PrestoMOS在功率器件的位置。功率晶体管里有功率MOS,功率MOS里有超级结MOSFET,超级结里面有PrestoMOS。

罗姆第二代PrestoMOS产品在提高trr速度的情况下,又改变了MOSFET的两个重要特性。

第一个,通过PN结构的微细化使开关速度更快一些,罗姆实现了高速开关。

第二个,把电流浓度变得更高,电流浓度变更高的情况下导通电阻可以降低。首先,把PN结构之间的间距变得更小;其次,把N极的电流浓度变得更大。通过改变了这两个的新的构造,使产品的导通电阻更低,开关速度更快。

从效果上来看,和原有的第一代产品相比,第二代产品的开关速度Qg参数降低了70%,导通电阻降低了40%。体二极管的trr特性降低了20%。

所以第二代的PrestoMOS产品,是个开关损耗、导通损耗和trr损耗都是很小的产品。

PrestoMOS的封装有两大类,贴片式和直插式。

应用领域上,一个是家电的逆变应用,也就是我们说的变频电路上的比较多。中国市场上变频的产品越来越多,包括变频空调、变频冰箱、变频洗衣机;在工业上,包括电机、充电站、充电桩上也会用到很多。PrestoMOS产品将能满足中国市场很大的需求。

高应变能力的设计和生产能力

所有的半导体元器件产品都会有两个主要工程。一个是生产前工程,一个是生产后工程。

同样的产品为什么在两个或两个以上的地方进行生产呢?看起来很浪费资源。其实这是为了应对在遭遇极端灾害时,仍然能保证为客户稳定供货。

在2011年3.11日本地震、泰国水灾,2009年经济危机,2011年又出现洪水,在几年内对半导体市场造成沉重冲击,供应链很不稳定。试想泰国水灾时,只在泰国一地工厂生产的产品,给客户的生产带来很大的麻烦。产品生产不出来;生产出来的产品运不出去。

因为没有替代产品、替代工厂,给客户带来很大的麻烦。在这之后,罗姆为了把风险降到最低,不论任何产品都在两个或两个以上的地方来进行同时生产。无论任何一个地方出现了不可抗拒的事情,罗姆都会在同一时间内,从另外一个工厂生产相同的产品给客户,不会给客户带来生产上的麻烦。

 

MOSFET

MOSFET 和 IGBT 是目前最常用的两种功率半导体器件。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),简 称金氧半场效晶体管,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(field-effect transistor)。

通过在 栅极(G)上施加电压,使得源极(S)和漏极(D)之间导通,当撤去电压或施加负电压,则使得源极(S)和 漏极(D)之间断开。n 基极层是为了防止在关断的情况下元件被高压击穿。因此需要承受的电压越高,n 基极 层就越厚,电阻也就越大。

为了改善 MOSFET 的电压耐受性,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在 MOSFET 的基础上增加一层 P+层,与n 基极层形成了一个 pn 二极管。在关断情况下,形成的 pn 结承受了绝大股份电压,而结构中的 MOSFET 不需 要承受高压,因此提高了元件的耐压性能。因此 IGBT 一般用在高压功率产品上,电压范围一般 600V-6500V;MOSFET 应用电压相对较低,从十几伏到 1000V。

但是 IGBT 的延迟时间要大于 MOSFET,因此 IGBT 应用在 切换频率低于 25kHz 的场景,而 MOSFET 可以应用于切换频率大于 100kHz 的场景。

全球功率 MOSFET 的主要厂商有英飞凌、安森美半导体、瑞萨等国际巨头。

其中英飞凌在功率 MOSFET的市场份额达到 26.4%,是第二位的安森美半导体的两倍,是功率 MOSFET 行业的龙头。

国内的功率 MOSFET市场份额也主要被英飞凌、安森美半导体、瑞萨等国际巨头占据,只有士兰微和华微电子分别占据了 1.9%和 1.1%的市场份额,进口替代的空间巨大。


IGBT

IGBT 应用领域极其广泛,小到家电、数码产品,大到轨道交通、航空航天,以及清洁发电、新能源汽车、 智能电网等战略性新兴产业都会用到 IGBT。

 

按电压分布来看,消费电子领域的所用的 IGBT 一般在 600V 以下;太阳能逆变器和新能源汽车通常在 1200V 左右;轨道交通所使用的 IGBT 电压在 3300V-6500V 之间。

根据中国产业信息网数据,截至 2015 年,我国 IGBT 市场规模 94.8 亿元,2008-2015 年复合增长率达到13.65%;但我国 IGBT 起步晚,国产化率仅为 10%,其余 90%的 IGBT 仍依赖进口。

我国大功率 IGBT 在轨交领域的率先实现了自主研发生产和进口替代,新能源汽车领域相对薄弱,进口替 代进行时。在新能源汽车领域,IGBT 主要运用于电力驱动系统、车载空调系统和充电桩。

1. IGBT 主要用于电 机控制器中,在电机控制器的成本占比约为 30%,IGBT 将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电机。

2.  充电桩中,IGBT 主要运用于直流快充电桩,直流电桩通过三相电网输入交流电,经过三相桥式不可控整流电路 整流变成直流电,滤波后提供给高频 DC-DC 功率变换器,进而输出需要的直流,为电动汽车动力蓄电池充电。 

3.  车载空调系统中也会用到 IGBT,实现小功率的 DC/AC 逆变,从而驱动空调系统运行。

根据行业研究数据,新能源汽车所用的 IGBT 一般约占电动汽车总成本的 10%。

截至 2016 年年底,我国新 能源汽车产量达到 51.7 万辆;2016 年 11 月国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知》: 到 2020 年,新能源汽车实现当年产销 200 万辆以上,累计产销超过 500 万辆。

根据测算,2017-2020 年 我国新能源汽车年均增速约为 40%,2017-2020 年新增新能源汽车产量约为 516 万辆,按照平均每辆车 10 万生 产成本,IGBT 占比 10%计算,2017-2020 年,新能源汽车所带动的 IGBT 市场规模将达到 516 亿元。

 

 

IGBT 主要运用于直流充电桩。2015 年 11 月,发改委、能源局、工信部、住建部四部委联合印发《电动汽 车充电基础设施发展指南(2015-2020 年)》通知,明确到 2020 年,新增集中式充换电站超过 1.2 万座,分散式充 电桩超过 480 万个,以满足全国 500 万辆电动汽车充电需求。

 

目前我国充电桩市场存量约为 20 万座,十三五期间仍有近 500 万充电桩的建设需求,假设其中直流充电桩100 万座,单位成本 10 万,IGBT 占总成本比例为 20%,则 2017-2020 年,充电桩所带动的 IGBT 市场规模将 达到 200 亿元。

 

综上,整个新能源汽车领域(汽车+充电桩)的快速布局和发展,将有力拉动 IGBT 市场需求,十三五剩 余期间(2017-2020),IGBT 在新能源汽车产业的市场规模将超过 700 亿元。

 

IGBT 方面全球 IGBT 市场中最主要的供应厂商包括英飞凌(Infineon)、三菱(Mitsubishi)、富士电机(Fuji Electric)、东芝(Toshiba)、ABB、仙童(Fairchild)。

 

其中,西门康、仙童 (Fairchild)等企业在消费级 IGBT 领 域处于优势地位;ABB、英飞凌、三菱电机在中等电压的工业级 IGBT 领域占据优势;在 3300V 以上高电压等 级的领域,英飞凌、ABB、三菱三家公司占据垄断地位,代表着国际 IGBT 技术的最高水平。

 

根据英飞凌年报,2015 年英飞凌以 27.6%的市占率稳坐全球 IGBT 市场头把交椅,其次为三菱电机和 Fuji, 分别 20.6%和 12.5%的市场份额;全球 CR5 达到 73.2%,集中度较高。

 

 

国内 IGBT 产业起步较晚,产业链中主要有 26 家企业,其中 IDM 模式企业有 7 家,封装模块企业 6 家,芯片设计 10 家,芯片制造 5 家。

 

国内的企业也在积极追赶,并取得了不错的成果。如捷捷微电已 经具备自主设计和制造晶闸管的能力,研发并生产 200 多种型号 和规格的标准产品。

 

扬杰科技的产品涵盖了整流桥、二极管、MOSFET 模块等产品,并积极布局 SiC 宽禁带半导体。士兰微的 产品在全球中等尺寸(芯片尺寸小于等于 150mm)的芯片生产企 业中位居第五位,8 英寸芯片生产线也在 2017 年上半年已经进入 试生产阶段。

 

华微电子已经成功研发第六代 IGBT 产品,并且在 新能源汽车、充电桩、变频家电等领域取得了良好的应用反馈。

 

 


【阅读提示】

以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,在水基清洗、环保清洗方面有着丰富的经验,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

【免责声明】

1. 以上文章内容仅供读者参阅,具体操作应咨询技术工程师等;

2. 内容为作者个人观点, 并不代表本网站赞同其观点和对其真实性负责,本网站只提供参考并不构成投资及应用建议。本网站上部分文章为转载,并不用于商业目的,如有涉及侵权等,请及时告知我们,我们会尽快处理。

3. 除了“转载”之文章,本网站所刊原创内容之著作权属于合明科技网站所有,未经本站之同意或授权,任何人不得以任何形式重制、转载、散布、引用、变更、播送或出版该内容之全部或局部,亦不得有其他任何违反本站著作权之行为。“转载”的文章若要转载,请先取得原文出处和作者的同意授权。

4. 本网站拥有对此声明的最终解释权。

上门试样申请 0755-26415802 top