了解MOSFET和IGBT 功率半導體

2020-06-04

   

功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心,主要用於改變電子裝置中電壓和頻率,及直流交流轉換等。只要在擁有電流電壓及相位轉換的電路系統中,都會用到功率零元件。

基本上,功率半導體大致可分為功率離散元件 (Power Discrete) 與功率積體電路 (Power IC) 二大類,其中,功率離散元件產品包括 MOSFET、二極體,及 IGBT,當中又以 MOSFET 與 IGBT 最為重要。

    

MOSFET、IGBT 主要用於將發電設備所產生電壓和頻率雜亂不一的電流,透過 一系列的轉換調製變成擁有特定電能參數的電流,以供應各類終端電子設備,成為電子電力變化裝置的核心元件之一。

    

而全球功率半導體市場中,用於工業控制比重最高,達 34%,其次是汽車及通訊領域各占 23%,消費電子則占 20%。

    

近年來,功率半導體的應用領域已從工業控制和消費電子拓展至新能源、軌道交通、智慧電網、變頻家電等市場,整體市場規模呈現穩定成長趨勢。根據 IHS Markit 預測,2018 年全球功率元件市場規模約為 391 億美元,預估至 2021 年市場規模將上升至 441 億美元,年複合成長率為 4.1%。   

   

而 IC Insights 則指出在各類半導體功率元件中,未來最看好的產品將是 MOSFET 與 IGBT 模組。

    

MOSFET 是一種可以廣泛使用在類比電路與數位電路的場效電晶體,具有導通電阻小,損耗低,驅動電路簡單,熱阻特性佳等優點,特別適合用於 PC、手機、行動電源、車載導航、電動交通工具、UPS 電源等電源控制領域。

    

而 2016 年,全球 MOSFET 市場規模達 62 億美元,預估到 2022 年,全球 MOSFET 市場規模將接近 75 億美元,而這之間年複合增長率將達 3.4%。 

    

至於 IGBT 則是由雙載子接面電晶體 (BJT) 和 MOSFET 組成的複合式半導體功率元件。兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 BJT 的低導通電阻兩方面的優點。IGBT 驅動功率小,非常適合應用於直流電壓為 600V 及以上的變流系統,如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等。

      

隨著消費者對於充電效率的要求逐漸提升,手機充電出現快充模式,意即透過提高電壓來達到高電流、高功率充電,但高電壓存在安全隱憂,需要加入整流的 MOSFET 來調整。

而後來出現較為安全的閃充模式,主要是透過低電壓、高電流來實現高速充電,這對同步整流 MOSFET 的要求更高。

    

另一方面,則是汽車產業的變化,目前汽車產業發展已從傳統汽車朝向電動車前進。而汽車電子化程度的提升,最大受惠者就屬功率半導體。傳統燃油汽車中,功率半導體主要用在啟動、停止和安全等領域,比重只有 20%。依照傳統汽車中,以半導體單車價值 350 美元計算,功率元件價值約在 70 美元。

    

但進入到電動車世代,其電池動力模組要用大量的電力設備,電力設備中都含有功率半導體,溷合動力汽車的功率元件比重 40%,純電動汽車的功率元件比重達 55%。依照純電動汽車半導體單車價值 750 美元計算,功率半導體價值約在 413 美元,是傳統汽車約 6 倍。