功率半导体应用提速 电源管理芯片一马当先

2007-11-14 08:50:32来源: 赛迪网-中国电子报

科学技术的飞速发展,使半导体技术形成两大分支:一个是以大规模集成电路为核心的微电子技术,实现对信息的处理、存储与转换;另一个则是以功率半导体器件为主,实现对电能的处理与变换。功率半导体器件与大规模集成电路一样具有重要价值,在国民经济和社会生活中具有不可替代的关键作用。

电力、电子两大领域并行发展

功率半导体器件在其发展的初期(上世纪60年代-80年代)主要应用于工业和电力系统,近二十年来,随着4C产业(通信、计算机、消费电子、汽车)的蓬勃发展,功率半导体器件的应用范围有了大幅度的扩展,已渗透到国民经济与国防建设的各个领域,其技术已成为航空、航天、火车、汽车、通讯、计算机、消费类电子、工业自动化和其他科学与工业部门的至关重要的基础。

过去,通常把大规模集成电路和功率半导体器件的关系比喻为大脑和四肢,因为大规模集成电路的作用是接受和处理信息,而功率器件则根据这些信息指令产生控制功率,去驱动相关电机进行所需的工作。上世纪80年代以后,随着新型功率半导体器件如VDMOS、IGBT及功率集成电路的兴起,功率半导体器件步入一个新的领域,除了驱动电机之外,其为信息系统提供电源的功能也越来越引人注目。因此,功率半导体器件在系统中的地位已不仅限于“四肢”,而是为整个系统“供血”的“心脏”。

概括而言,功率半导体器件的技术领域主要分为两大门类,即以发电、变电、输电为代表的电力领域和以电源管理应用为代表的电子领域。随着技术的进步,这两大领域的功率半导体器件正沿着不同的路径发展。在电力领域,功率半导体器件以超大功率晶闸管、IGCT技术为代表,继续向高电压、大电流的方向发展;而在电子领域,电源管理器件则倾向于集成化、智能化以及更高的频率和精度。北京工业大学电子信息与控制工程学院亢宝位教授在接受《中国电子报》记者采访时表示:“功率半导体器件的这两大技术领域由于用途各异,不存在谁替代谁的问题,两个领域的技术发展是并行不悖的。”不过,亢宝位同时也指出,由于历史的原因,按照很早以前的管理体制,电力领域归原机械部系统管理,而电子领域归原电子工业部门管理,原有挂靠在两个管理系统的企业、学会、协会等社会网络需要加强合作、加速融合,以促进我国的功率半导体产业快速发展。

促进节能及产业升级

使用功率半导体器件的最根本的目的,一是为了将电压、电流、频率转换到负载所需要的数值,二是为了更有效地利用电能。

功率半导体器件的广泛应用可以实现对电能的传输转换及最佳控制,大幅度提高工业生产效率、产品质量和产品性能,大幅度节约电能、降低原材料消耗,因此,它已经愈加明显地成为加速实现我国能源、通信、交通等量大面广基础产业的技术改造和技术进步的支柱。例如在绿色照明工程中,在节能灯中使用VDMOS产品将提高节能灯的性能及寿命,彻底纠正节能灯在人们头脑中留下的寿命短、节电不省钱的印象,使节能灯应用到千家万户。IGBT的出现及在空调、UPS电源等中的广泛应用,使效率得到大幅提高,同时体积也大幅缩小。如逆变焊机原来要两个人才能拿动,采用了IGBT器件之后,体积只有书包大小,重量仅为几公斤,同时其性能、效率及可靠性等也得到质的改进。

功率半导体器件的应用对于节约能源具有深远影响。在人类所消耗的电能中有75%需经功率半导体器件转换成一定的形式后才可供最终设备使用。新型功率半导体器件能较大地提高转换效率,达到节能的目的。如电动机采用变频调速可节电20%以上。各种风机、水泵电机的总耗电量约占全国发电量的36%,如采用变频调速技术,每年可节电659亿度,相当于三个葛洲坝电站的发电量。亢宝位告诉本报记者,如果全国电机的驱动都采用功率半导体进行变频调速,则全国总用电需求量将降低15%到20%。

本土企业有机会

按器件结构划分,功率半导体器件可分为功率集成电路和功率分立器件。功率集成电路虽然使用历史较短,但其发展势头远远超过功率分立器件。

功率集成电路最典型的产品是电源管理电路,电源管理电路品种繁多,大致可分为电压调制器和其他接口电路。由于电源管理芯片市场的增长速度快于功率分立器件市场,这就导致电源管理芯片市场在功率器件市场中所占比重将逐步提升。据赛迪顾问预测,到2011年,电源管理芯片销售额将达到775.6亿元,占整体功率器件市场的46.2%。

与微处理器、存储器等数字集成电路相比,功率集成电路也具有其独特之处。功率集成电路的技术发展路线不遵从“摩尔定律”,它们的产品寿命周期可达到几年甚至十多年,而数字集成电路产品的寿命周期通常不超过一年。功率集成电路的制造过程并不要求最先进的生产工艺。成都国腾微电子有限公司研发部主任杨洪强在接受《中国电子报》记者采访时指出,目前功率集成电路的光刻精度通常为0.5微米到0.35微米,某些高端产品可能会达到0.18微米。相比之下,90纳米工艺目前已经逐渐成为数字集成电路产品的主流。因此,功率集成电路的制造成本通常低于数字集成电路。

在国内功率集成电路的高端市场,国际知名企业如TI(德州仪器)、ST(意法半导体)、安森美等公司仍然占据着主导地位,但中国本土企业并非没有机会。据杨洪强先生透露,目前已经有很多的中国设计企业进入电源管理电路领域,占据了大部分的中低端市场。得益于功率集成电路较低的生产工艺要求,国内的Foundry厂家都可以为这些设计企业提供委托加工服务,再加上测试过程中多项目晶圆(MPW)技术的普遍使用,这些都有效地降低了国内设计公司进入该领域的门槛。

相关链接

功率半导体

功率半导体是能耐高压或者能承受大电流的半导体分立器件和集成电路,其中大部分是既能耐高压也能承受大电流。在功率电子电路,例如整流电路、变频调速电路、开关电源电路、UPS电路中,功率半导体器件一般都是起开关的作用。因为用在开、关两个状态下半导体器件功率损耗小。我国过去习惯把这一类做功率开关的功率半导体称作电力电子器件,国际上并无这一称呼。

功率集成电路

功率集成电路(PIC)是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。以往,一般将其分为智能功率集成电路(SPIC)和高压集成电路(HVIC)两类。但随着PIC的不断发展,两者在工作电压和器件结构上(垂直或横向)都难以严格区分,已习惯于将它们统称为智能功率集成电路或功率IC。SPIC是机电一体化的关键接口电路,是SoC的核心技术,它将信息采集、处理与功率控制合一,是引发第二次电子革命的关键技术。

IGCT

IGCT(集成门极换流晶闸管)是一种在GTO(门极可关断晶闸管)技术基础上发展起来的新型大功率半导体开关器件,它巧妙地结合了晶闸管通态特性和晶体管关断特性,因而兼有功率容量大、损耗低、效率高、可靠性高、成本低等优点,相对IGBT而言,制造工艺比较简单,在我国能源、交通、石化、冶金等行业的大功率变流技术领域具有广阔的应用前景。

关键字:电压  电流  节能  企业

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