电力电子器件的发展方向，举例说明电力电子技术和功率半导体器件的应用

概括

我们将从功率器件和电力电子应用趋势的角度来探讨功率器件的未来潜力。功率器件市场是由消费电子和工业机器人向电动汽车（EV）的转变所推动的，最重要的趋势是通过更低的功率损耗、更高的工作温度和更低的热阻来实现功率模块的进步。以提高功率密度。未来，逆变器资源（IBR）和功率集成电路（IC）有望成为绿色转型（GX）和数字化转型（DX）的新驱动力。为了延续电源模块功率密度不断增加的趋势，宽带隙功率器件是一个主要的吸引力。然而，为了在电网中广泛使用，“成本/功率”等经济参数需要改进。此外，功率模块和GaN功率IC的异构集成预计将成为新的需求。

介绍

晶体管即将迎来诞生75 周年。尽管半导体行业远未饱和，但仍在持续蓬勃发展。大多数研究人员认为，晶体管的最小物理栅极长度是硅的物理极限。因为这个极限就是原子和分子的大小。所以，在摩尔定律的约束下，人们一直在谈论“More Moore”、“More Than More”、“Beyond CMOS”。近年来，随着人工智能技术的发展，大数据分析成为半导体业务新的强大驱动力，明确了半导体市场需求方向，打开了新时代的大门。就未来的技术趋势而言，纳米片和3D-IC的研究正在取得进展，包括研发在内的整个半导体行业正在蓬勃发展。这基本上表明了业务中需求和开发场景的重要性以及理解业务需求和进展的重要性，而不是讨论实现这些需求的具体技术。

来源：ITRS

功率器件也是半导体器件，但其主要用途与逻辑器件、存储器件完全不同。尽管它们使用为逻辑和存储器件开发的相同硅工艺技术，但功率器件呈现出独特的历史演变。

尽管300毫米晶圆制造的产能有所增加，但硅功率器件的性能仍然面临既定的理论极限。在“成本/功耗”等经济参数方面，Si芯片解决方案与WBG（宽带隙）器件之间的差异越来越小。此外，积极推动汽车电动化和可再生能源系统实现碳中和正在成为功率器件业务的新驱动力。从这个角度来看，功率器件业务已经到了新的拐点，探讨功率器件未来的发展方向具有重要意义。本文从器件设计和宽带隙半导体材料的角度回顾了功率半导体器件的进展。要谈功率器件业务的发展，有必要从应用趋势的角度来回顾。在本文中，我们将介绍功率器件的历史和进展，同时考虑电力电子应用的趋势以及逻辑器件和存储器件的历史和进展。接下来，我们将根据未来电力电子需求来考虑功率器件的未来前景。

IC应用趋势

A. IC业务驱动因素变化

戈登·摩尔(Gordon Moore) 在1965 年的一篇论文中做出了著名的预测：每个芯片的晶体管数量每年将增加两倍。 50 多年来，晶体管的缩小和对摩尔定律的遵守一直引导业界提供更高性能、更低功耗、更密集且更便宜的集成电路(IC)。摩尔定律通过量化高密度IC中晶体管的数量作为半导体产品进步的重要指标做出了重大贡献。 IC中晶体管数量的增加不仅使超精细工艺技术成为可能，还意味着高性能IC芯片的成本降低。这验证了摩尔定律的最佳集成度，并且必须保持集成化趋势，产品才能在市场上生存。

图1. IC 行业不断变化的动态

仅用IC的集成度来评价半导体业务的发展是不够的。如图1 所示，为半导体业务提供动力的电子系统随着时间的推移而发生了变化。半导体业务始于用大型计算机中的晶体管取代计算机系统中的真空管。 20 世纪80 年代初，大型计算机市场规模是个人计算机(PC) 的两倍。 20 世纪80 年代中期，驱动力从大型计算机转向个人电脑。这是因为，由于生产力的提高，微型计算机和存储器的价格大幅下降，并且由于价格低廉，计算机在办公室和家庭中变得流行。

2010年代，主流从个人电脑转向智能手机。个人电脑已经足够流行，智能手机可以取代它们来实现某些功能。结果，手机和一些笔记本电脑已被智能手机取代。此外，3G、4G通信网络的发展提供了大量的数字内容，互联网达到顶峰，智能手机成为新的娱乐系统。

2020 年代，推动力已从智能手机转向高性能计算(HPC)。随着智能手机的全面普及以及人工智能技术和5G通信网络技术的发展，大数据分析的需求急剧增加。这样，不仅是IC技术，通信技术的演进和新的需求也创造了新的应用，IC技术和业务也随着新的应用而增长。

B. 关键技术和价值链的变化

随着驱动力的变化，所需的规格也会发生变化。由此，关键技术和价值链也发生了变化，如表1所示。计算机帮助将以前手动完成的管理任务数字化，例如文档创建和会计处理。集成电路的主要需求是微型计算机和DRAM的计算性能。由于超精细处理和高集成度，计算性能得到显着提升。由于半导体业务处于早期阶段，价值链主要由集成器件制造商（IDM）组成。

智能手机的功能不再局限于计算机上的电子邮件等简单的管理任务，还包括在互联网上浏览网站和社交网络等活动。因此，主要需求转向图像和。。处理，导致片上系统（SoC）、专用集成电路（ASIC）和闪存的发展。多功能化和代工厂的出现导致IC开发成本快速增加，导致设计和制造分离，促进水平分工。

表1 IC业务驱动因素、主要技术和价值链变化

HPC 对于大数据分析、人工智能和云计算等应用非常重要。因此，需要更先进的定制解决方案来实现高端定制设计。为了满足这种需求，我们使用不同功能的芯片组合而不是单片集成。这称为异构集成（HI）。封装工艺已发展为通过中介层和硅通孔(TSV) 技术集成2.5-D 和3D-IC。

通过HI（异构集成），芯片可以通过最佳工艺平台制造，而不受公共工艺节点的限制。最小的芯片尺寸可以最大限度地提高工艺产量。最后我发现这是性价比最高的。随着标准化芯片接口提高芯片集成灵活性和开发效率，参与通用芯片互连Express1 (UCIe1) 的公司数量持续增长。 Chiplet集成改变了价值链，因为它可以被视为一种新形式，通过芯片供应加速水平分工，并通过HI（异构集成）实现垂直集成以实现最佳系统设计。

从这些讨论来看，随着行业驱动因素的变化，IC 业务也在变化，技术趋势和价值链也在变化。

电力电子趋势

由于电力电子应用的发展，功率器件业务不断增长。电力电子领域最著名的趋势是电力电子系统的功率密度在过去30 年间实现了两位数的增长，如图2 所示。这种趋势是由于功率器件的低损耗和高频运行而成为可能的。这一点与摩尔定律类似。此外，IC开发不仅具有高功率密度趋势的复杂性，而且还具有功率器件业务的复杂性。

图2. 电力电子系统的功率密度趋势

A. 功率转换应用趋势

功率器件业务驱动力变化如下。作为典型的电力电子应用，图3 显示了逆变器应用中驱动力的变化。 20世纪80年代至90年代末，消费电子产品在发达国家开始流行。空调中逆变器电路的安装正在推动功率器件市场的增长。 20 世纪90 年代末，通过工厂自动化(FA) 实现制造设备自动化取得进展，工业逆变器市场不断增长。随着互联网的发展，工厂系统将通过网络互联，引发新的工业。。，即工业4.0。这场。。极大地扩大了采购和生产协调的范围，提高了生产效率。

图3功率器件业务驱动力变化

20世纪90年代末以来，以混合动力汽车为。。的汽车电动化开始取得进展。 2010年代，由于重视环境问题的混合动力汽车的普及，电动汽车市场迅速增长。进入2020年代，环境问题变得越来越重要。随着汽车电气化加速实现碳中和，电动汽车市场正在快速增长。特别是纯电动汽车等纯电动汽车预计在不久的将来将得到快速发展。

B. 家用电器功率器件（1980-1995）

与IC 行业一样，功率器件的作用也随着时间的推移而演变。表二显示了功率器件根据应用趋势的演变。家用电器的主要目的是注重能源效率。因此，电源转换电路被积极使用。通过从电流栅极驱动转向电压栅极驱动，可以显着简化栅极驱动电路，同时由于IGBT 的非闭锁行为而提高关断电流能力。结果，双极结型晶体管(BJT) 被IGBT 取代。

表2功率器件驱动因素、主要技术及价值链变化

注入增强效应（IE效应）的发现改善了IGBT的导通电压和关断损耗之间的权衡，有助于降低损耗，并使其在转换器电路中得到广泛采用。与分立元件相比，集成多个功率器件芯片的模块已成为主流。智能功率模块(IPM) 也在开发中，包括用于功率水平低于几百瓦的逆变器的栅极驱动器IC。与原来的IC业务类似，价值链由负责开发、设计和制造整个过程的IDM组成。

C.工业IGBT（1995-2015）

工业机器人的一个关键要求是逆变器的小型轻量化设计，以实现快速高效的运行。因此，通过降低IGBT 功率损耗，提高功率密度成为现实。为了实现低损耗，器件供应商开发了需要背面减薄的薄晶圆工艺，从而产生了当今主流的薄晶圆IGBT——场截止IGBT (FS-IGBT)。

2010年代，我们将生产线从150mm改为200mm，以实现通过改善IE效果实现器件超低损耗运行的超精细模型，并提高产能。主要用于1kW以上工业逆变模块。如图4所示，通过降低功率器件损耗、提高最高工作温度、降低热阻来提高功率模块的功率密度。这一趋势降低了逆变器成本并提高了功率密度。电源模块设计采用集成芯片设计和散热封装设计。在价值链内，IDM保持垂直整合。

图4.电源模块功率密度和热阻的趋势

D. 电动汽车功率器件（2015）

电动汽车的一个重要要求是低功耗。与汽油车的燃油效率类似，一次充电延长续航里程不仅可以降低运行成本，还可以减少充电频率。此外，还可以减少昂贵电池的容量，从而降低车辆的总体成本和重量。汽车的电气化始于混合动力汽车，通过提高动力转换的功率密度，减轻动力控制单元（PCU）的重量，延长续航里程。集成了IGBT 和二极管的反向导通IGBT (RC-IGBT) 通过提高芯片热容量、减小芯片面积并实现高电流密度，有助于电源模块中的高功率密度。为了进一步提高生产能力，我们的产品制造工厂已开始向300mm生产线转型。

在电动汽车中，低负载运行是运行工况的主要部分。因此，IGBT的Ic-Vce特性的电压变化成为轻负载运行时降低损耗的障碍。相比之下，SiC-MOSFET的电压偏移Id-Vds特性对于降低低负载运行期间的损耗非常有效，并且SiC-MOSFET在高端电动汽车中得到积极采用。

对水冷和小型化的强烈需求导致了双面冷却（DSC）模块的积极开发。此外，由于电动汽车模块对车身设计影响重大，因此主要由汽车制造商和电源转换器制造商作为主要供应商设计。因此，价值链已转向横向分工，功率器件制造商生产功率器件并将其供应给汽车制造商和一级供应商。因此，在功率器件业务中，在电动汽车发展的推动下，不仅技术会发生变化，价值链也会发生变化。

E. 电源应用趋势

接下来，我们将讨论另一种常见的电力电子应用，即用于电源应用的功率MOSFET。如图3所示，由于数据中心市场对DX（数字化转型）需求的急剧增长，主要电源正在从PC转向通信和服务器电源。然而，人们始终追求的是系统的高功率密度。电源的高功率密度主要是通过功率器件的低损耗和高频工作来实现的，从而导致无源元件的小型化。因此，电源中使用的功率MOSFET 不断降低其特定导通电阻RON A 和RONQsw，这是高速运行的指标。图5显示了RON A的下降趋势。 60V级低压功率MOSFET的减少趋势是15年10倍，600V级高压功率MOSFET20年减少10倍。目前，RON As 面临着理论上的局限性。在智能手机和平板电脑充电器中，GaN-HEMT 用于小型化，因为它们的开关速度比硅功率MOSFET 更快。

图5. Si 功率MOSFET 的导通电阻趋势。 (a)60V级、(b)600V级

GaN-HEMT功率器件应用自2000年代初就开始研究和开发。他们花了近20年的时间才进入充电器市场。图5(b)所示的RON A趋势表明该产品在量产时成本合理，符合摩尔定律。这表明GaN-HEMT 已经能够以符合硅功率MOSFET 趋势的成本提供性能。

功率器件的未来

如前所述，主要需求发生了变化，不仅是主要技术发生了变化，而且价值链也发生了变化。下面，根据预期的未来驱动因素和要求讨论功率器件前景。 2030 年及以后的驱动力将是绿色转型(GX) 和数字化转型(DX)。全球范围内都在努力减少火力发电，积极引入可再生能源，以实现碳中和。日本的绿色增长战略设定了到2050年实现碳中和的目标，并开展了包括海上风电和太阳能发电在内的各种努力。

A. 绿色转换（GX）电源模块

随着太阳能和风能的不断增长，对能源存储系统平衡其发电和消耗的需求也在不断增长。这些电力和存储系统通过电力转换系统（PCS）（也称为基于逆变器的资源（IBR））连接到电网。随着可再生能源需求的快速增长，IBR有望成为未来功率器件的新驱动力。

IBR 面临的主要挑战是降低成本和电网稳定性。如前所述，如果电源模块的更高功率密度的趋势表明类似于摩尔定律的成本性能提高，那么为了推动IBR 的采用，趋势是继续提高功率密度以降低成本，需要相应增加。目前，由于低损耗设计和高温运行，Si-IGBT模块的功率密度不断提高。

SiC 和GaN 等宽带隙半导体有望为低损耗运行的需求做出重大贡献。事实上，使用SiC-MOSFET 的模块已经在超过200C 的温度下工作。高功率密度模块不可避免的问题是，较小的芯片面积会产生更多的热量，因此为了保证器件的安全运行和长期可靠性，需要越来越先进的器件和封装级热管理。因此，热管理是未来电力电子系统受益于电力半导体进步的关键要素。最近关于该主题的一篇评论论文分析了提高系统频率与热管理的关系。

相比之下，从环境角度来看，二氧化碳排放量的概念被提出作为替代系统功率密度的新指标。碳排放量可用于量化通过提供低损耗、小占地面积、高功率密度的电源模块所实现的二氧化碳排放量减少量。

B. 电源模块的数字化转型（DX）可靠性要求

电网稳定性必须从瞬时和长期两个角度考虑。从瞬时角度来看，某些服务（例如通过同步惯量和同步扭矩功能提供的服务）并非特定于IBR（基于逆变器的资源），但同步发电机具有这些服务。这些特性对于频率和电压角稳定性非常重要。这些问题可以通过网格跟随（GFL）和网格形成（GFM）等系统控制技术来解决。

从长远来看，天气条件导致的发电量波动对电力稳定供应构成风险。因此，利用电池储能和潮流控制来稳定电源非常重要。此外，随着作为分布式电源的IBR 数量的增加，故障频率也会增加，从而使长期运行稳定性成为一个挑战。高可靠性不仅可以降低维护成本，还可以减少因操作原因而发生故障的情况。然而，实现指数级的高质量是不现实的。因此，基于健康监测预测寿命的研究正在积极进行。

C. 电源模块的绿色转型（GX）改造

为了满足这些新要求，IBR（基于逆变器的资源）通过数字通信网络进行控制。因此需要对电力电子系统进行DX，功率模块也必须进行改造。

数字控制也被证明是一种低损耗驱动技术。功率模块监控涵盖功率器件的电压、电流、温度等。这是因为功率器件退化会导致电阻和热阻增加，这是由于功率循环退化导致的引线键合翘起、焊料裂纹和陶瓷基板裂纹造成的。人们已经提出并验证了各种监测方法，通过测量这些指标10% 到20% 的变化来检测退化。然而，由于测量值是模拟量，因此容易受到高压噪声的影响。因此，为了准确监测，必须将测量的模拟值实时转换为数字值。

DX电源单元将这些功能集成到一个电源模块中。图6 显示了DX 兼容电源模块的概念配置。控制功率器件的数字栅极驱动器、模拟前端（AFE）（包括监控电路、AD转换电路以及与控制信号和测量值进行通信的隔离器）集成到数字接口中。