電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍皮書(2016-2020年)

　　中國寬禁帶功率半導體及應用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

　　中國IGBT技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

　　中國電器工業(yè)協(xié)會電力電子分會

　　北京電力電子學會

　　二零一七年

　　目 錄

　　一、發(fā)展電力電子器件產(chǎn)業(yè)的重要意義..1

　　(一)電力電子技術的基本涵義.. 1

　　(二)電力電子技術的重大作用..... 1

　　(三)電力電子器件是電力電子技術的基礎和核心...3

　　(四)電力電子器件簡介... 3

　　二、電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況及趨勢.. 8

　　(一)國際發(fā)展狀況... 8

　　(二)國內(nèi)發(fā)展狀況...11

　　三、 電力電子器件的市場分析及預測.. 14

　　(一)國際市場分析.. 14

　　(二)國內(nèi)市場分析..15

　　(三)市場預測... 16

　　四、2016-2020年電力電子發(fā)展重點... 19

　　(一)關鍵材料....20

　　(二)關鍵電力電子器件....22

　　(三)關鍵設備....23

　　(四)技術標準....25

　　五、 展望....27

　　一、發(fā)展電力電子器件產(chǎn)業(yè)的重要意義

　　(一)電力電子技術的基本涵義

　　電力電子技術(Power Electronics，又稱功率電子技術)是能源高效轉(zhuǎn)換領域的核心技術，它以電力電子器件為基礎，實現(xiàn)對電能高效地產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲和控制，提高能源利用效率、開發(fā)可再生能源，推動國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。電力電子技術包括電力電子器件、電力電子設備和系統(tǒng)控制三個方面，其轉(zhuǎn)換功率范圍小到數(shù)瓦(W)，大到數(shù)百兆瓦(MW)甚至吉瓦(GW)，其產(chǎn)業(yè)不僅涉及到電力電子器件、電力電子裝置、系統(tǒng)控制及其在各個行業(yè)的應用等領域，還涉及到相關的半導體材料、電工材料、關鍵結構件、散熱裝置、生產(chǎn)設備、檢測設備等產(chǎn)業(yè)。

　　(二)電力電子技術的重大作用

　　近年來，“節(jié)能減排”、“開發(fā)綠色新能源”已成為我國長期發(fā)展的基本國策。在我國綠色能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動下，電力電子技術迅速發(fā)展成為建設節(jié)約型社會、促進國民經(jīng)濟發(fā)展、踐行創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐技術之一。

　　電力電子技術作為一種通過高效轉(zhuǎn)換提供高質(zhì)量電能，實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和提高人民生活質(zhì)量的重要技術，已經(jīng)成為弱電控制與強電運行相結合、信息技術與先進制造技術相融合、實現(xiàn)智慧化升級不可或缺的重大關鍵核心技術，屬關鍵共性技術領域。

　　電力電子技術在實施《中國制造2025》規(guī)劃中具有重大意義，它在多個領域發(fā)揮關鍵作用：例如，提高有關產(chǎn)業(yè)的關鍵核心技術的研發(fā)能力和創(chuàng)新能力，推進科技成果產(chǎn)業(yè)化;通過“互聯(lián)網(wǎng)+”推進信息化與工業(yè)化深度融合;加快發(fā)展智能制造設備和產(chǎn)品，推進制造過程的智慧化;增強工業(yè)基礎能力和產(chǎn)業(yè)化;全面推行綠色制造，推進資源高效循環(huán)利用;深入推進制造業(yè)結構調(diào)整和企業(yè)技術改造等，為實施中國制造強國建設“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略提供強大的技術支撐。

　　將電力電子技術應用于發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、儲能，能夠起到改善電能、控制電能、節(jié)能環(huán)保的作用，使電網(wǎng)的工頻電能最終轉(zhuǎn)換成不同性質(zhì)、不同用途的高質(zhì)量電能，以適應千變?nèi)f化的用電裝置的不同需要。我國工業(yè)領域使用了大量的軋機、無軌電車、電焊機、電鍍和電解電源、風機、水泵等機電設備，具有巨大的效率提升需求和空間。電力電子技術被稱為是“節(jié)能的先鋒”、“環(huán)保的衛(wèi)士”，是節(jié)能減排的重要技術之一。

　　(三)電力電子器件是電力電子技術的基礎和核心

　　半個多世紀電力電子技術的發(fā)展證明：沒有領先的器件，就沒有領先的設備，電力電子器件對電力電子技術領域的發(fā)展起著決定性的作用。就像中央處理器(CPU)是一臺計算機的心臟一樣，電力電子器件是現(xiàn)代電力電子裝置的心臟。電力電子器件的價值通常不會超過整臺裝置總價值的10~30%，但它對裝置的總價值、尺寸、重量和技術性能起著十分重要的作用。從歷史上看，電力電子器件像一顆燃起電力電子技術革命的火種，每一代新型電力電子器件的出現(xiàn)，總是帶來一場電力電子技術的革命。

　　(四)電力電子器件簡介

　　電力電子器件是采用半導體材料制造、用于實現(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)換的開關控制電子器件，包括功率半導體分立器件、模塊和組件等，主要有功率二極管和功率晶體管兩大類。1957年美國通用電氣公司(GE)研制出世界上第一只工業(yè)用普通晶閘管(Thyristor)，標志著電力電子器件的誕生。電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了以晶閘管為核心的第一階段、以MOSFET和IGBT為代表的第二階段，現(xiàn)在正在進入以寬禁帶半導體器件為核心的新發(fā)展階段。

　　1.功率二極管

　　功率二極管有陽極(A)和陰極(K)兩個電極，具有單向?qū)щ姷奶匦?，主要類型有PiN二極管和肖特基二極管(SBD)兩種。PiN二極管有高耐壓、大電流、低泄漏電流和低導通損耗的優(yōu)點，但電導調(diào)制效應在漂移區(qū)中產(chǎn)生的大量少數(shù)載流子降低了關斷速度，限制了器件向高頻化方向發(fā)展，代表性器件是快恢復整流二極管(FRD)。肖特基二極管具有低壓、大電流、低功耗、高速開關等特性，在高頻整流、開關電路和保護電路中作為整流和續(xù)流元件，可以大幅度降低功耗，提高電路效率和使用頻率，減少電路噪聲，但是存在不能承受較高電壓的缺點。

　　2.晶閘管

　　晶閘管具有PNPN或NPNP四層半導體結構，它的陽極(A)和陰極(K)與電源和負載組成晶閘管的主電路;它的門極(G)和陰極(K)與外部驅(qū)動裝置組成晶閘管的控制電路。它能在高電壓、大電流條件下工作，但工作頻率較低。在晶閘管的基礎上開發(fā)了門極可關斷晶閘管(GTO)和集成門極換流晶閘管(IGCT)等新型器件。

　　GTO是晶閘管的一種派生器件，可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷， 其電壓電流容量較大，目前GTO的最高研究水平可以達到12000V /10000A，在高壓大功率牽引、工業(yè)和電力逆變器中應用較為普遍。集成門極換流晶閘管(IGCT)是一種用于大型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件，它集IGBT的高速開關特性和GTO的高阻斷電壓和低導通損耗特性于一體，具有電流大、阻斷電壓高、開關頻率高、導通損耗低、可靠性高、結構緊湊等特點。

　　3.功率雙極型晶體管(BJT)

　　功率雙極型晶體管(BJT)是最早出現(xiàn)的全控型、電流控制電力電子器件，它有基極(B)、發(fā)射極(E)和集電極(C)三個電極，通過基極電流的控制作用實現(xiàn)對發(fā)射極與集電極之間電流的開關控制。它通過少子注入實現(xiàn)了電導調(diào)制，既具備飽和壓降較低、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點，也存在驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞等缺點。隨著功率MOSFET和IGBT的出現(xiàn)，它基本上被后兩者所替代，只在某些成本要求低的中等容量、中等頻率領域有一定的應用。

　　4.功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)

　　功率MOSFET是一種單極型的電壓控制器件，它有柵極(G)、漏極(D)和源極(S)三個電極。柵極通過絕緣層與漏極和源極隔離，并調(diào)控源極與漏極之間形成載流子輸運的溝道，實現(xiàn)控制器件開關的目的。由于不受少子儲存效應的限制，能夠在很高的頻率(>100kHz)下工作，其導通電壓具有正溫度特性，易于并聯(lián)以擴大電流容量，并具有較好的線性輸出特性和較小的驅(qū)動功率。代表性的硅基功率MOSFET器件是垂直導電雙擴散場效應晶體管(VDMOS)，是低壓范圍內(nèi)應用最廣的電力電子器件，但在高壓應用時其導通電阻隨耐壓急劇上升，給高壓功率MOSFET的應用帶來了很大障礙。

　　CoolMOS是一種特殊的功率場效應晶體管，它作為一種超級結器件，克服傳統(tǒng)功率MOSFET導通電阻和擊穿電壓的矛盾，可以實現(xiàn)器件導通電阻和擊穿電壓的******化設計。最新一代CoolMOS在額定脈沖電流容量下能兼有極低的通態(tài)電阻和超快的開關速度，其阻斷電壓能力可覆蓋500～800V的范圍。

　　5.絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)

　　絕緣柵雙極型晶體管，是由功率MOSFET和BJT組成的復合全控型電壓驅(qū)動式器件，它由柵極(G)、發(fā)射極(E)和集電極(C)三個電極，綜合了MOSFET的高輸入阻抗和BJT低導通壓降兩方面的優(yōu)點，既具有MOSFET器件驅(qū)動功率小、開關速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，其頻率特性介于功率MOSFET與BJT之間，可正常工作于幾十kHz頻率。

　　商業(yè)化的IGBT已發(fā)展成系列，其電流范圍包括從2A的IGBT單管到3600A的IGBT模塊，耐壓范圍涵蓋300V到6500V。IGBT是1200V以上電壓領域的主流電力電子器件，并正逐漸向高壓大電流領域發(fā)展。

　　傳統(tǒng)的電力電子器件都是采用半導體材料硅(Si)來研制的。隨著電力電子器件性能需求的不斷提高，硅材料的物理局限性日益顯現(xiàn)，嚴重制約了硅器件的電壓、電流、頻率、溫度、耗散功率和抗輻射等性能的提高。近年來，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料迅速發(fā)展，已開發(fā)出了各種SiC功率二極管和晶體管器件，其中，SiC功率二極管主要有肖特基二極管(SBD)、PiN二極管、結勢壘肖特基二極管(JBS)，SiC晶體管主要有功率BJT器件、功率JFET器件、功率MOSFET器件、IGBT和晶閘管等;GaN功率器件主要有肖特基二極管和高電子遷移率晶體管(HEMT)等。這些新型電力電子器件的出現(xiàn)，開啟了電力電子器件領域的新局面，引起了電力電子技術領域一場新的革命。

　　二、電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況及趨勢

　　(一)國際發(fā)展狀況

　　半個多世紀以來，伴隨著基于硅材料的半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅基電力電子器件得到了同步發(fā)展，形成了龐大的基于硅基電力電子器件的電力電子產(chǎn)業(yè)。

　　在超大功率(電壓3.3kV以上、容量1~45MW)領域，晶閘管和集成門極換流晶閘管(IGCT)具有巨大的市場。目前，國際上6英寸8.5kV/5kA晶閘管已商品化。瑞士ABB等公司開發(fā)了非對稱型、逆導型和逆阻型IGCT的產(chǎn)品，研發(fā)水平已達到9kV/6kA，商業(yè)化產(chǎn)品有4.5kV和6kV兩種系列，其中6.5kV/6kA的IGCT產(chǎn)品已經(jīng)開始供應市場。

　　在中大功率領域(電壓1200V~6.5kV)，IGBT是市場上的主流產(chǎn)品。IGBT器件(包括大功率模塊、智能功率模塊)已經(jīng)涵蓋了300V~6.5kV的電壓和2A~3600A的電流。近年來，以德國英飛凌、瑞士ABB、日本三菱、東芝和富士等為代表的電力電子器件企業(yè)開發(fā)了先進的IGBT技術和產(chǎn)品，占有全球每年約50億美元的市場，帶動了高達幾百億美元的電力電子設備市場。

　　在中小功率領域(900V以下)，功率MOSFET是應用最廣泛的電力電子器件，也是目前市場容量******、需求增長最快的器件，其中以超級結為代表的新結構器件是該器件的重要發(fā)展方向。

　　從上世紀90年代開始，技術領先國家和國際大型企業(yè)紛紛投入到以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化中，對SiC材料、器件、封裝、應用的全產(chǎn)業(yè)鏈進行了重點投入和系統(tǒng)布局，全力搶占該技術與產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略制高點和國際市場。

　　SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導體材料，已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應用產(chǎn)業(yè)鏈。SiC材料方面的企業(yè)以Cree、II-VI、Dow Corning等為代表，其中2013年Cree開發(fā)出6英寸SiC單晶產(chǎn)品，其微管密度低于1個/cm2;多家公司研發(fā)出厚度超過250μm的SiC外延材料樣品，并批量提供中低壓器件用SiC外延材料產(chǎn)品。在SiC器件方面，國際上報道了10kV~15kV/10A~20A的SiC MOSFET、超過20kV的SiC功率二極管和SiC IGBT芯片樣品。Cree和Rohm公司開發(fā)了SiC MOSFET產(chǎn)品，電壓等級從650V~1700V，單芯片電流超過50A，并開發(fā)出1200V/300A、1700V/225A的全碳化硅功率模塊產(chǎn)品。

　　GaN是另一種重要的寬禁帶半導體材料。它具有獨特的異質(zhì)結結構和二維電子氣，在此基礎上研制的高電子遷移率晶體管(HEMT)是一種平面型器件，可以實現(xiàn)低導通電阻、高開關速度的優(yōu)良特性。國際上也有團隊報道了垂直型的GaN電力電子器件。近年來圍繞GaN半導體器件的全球研發(fā)投入以及生產(chǎn)規(guī)模均快速增長，其中650V以下的平面型HEMT器件已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

　　在電力電子器件的專利方面，2001~2010年期間，全球電力電子器件行業(yè)專利申請量處于穩(wěn)步增段，每年的全球?qū)＠暾埩慷荚?500項左右，器件類型以MOSFET和IGBT為主，申請量占比達到 67%。國際上電力電子器件的專利集中于國際大型公司，全球?qū)＠暾埩烤忧?位的分別是東芝、NEC、日立、三菱、富士，均是日本公司，歐洲和美國的GE、英飛凌、西門子、ABB等歐美企業(yè)也在該領域申請了大量專利。國際上寬禁帶電力電子器件專利始于1989年。2011~2015年期間，國際上SiC和GaN器件領域?qū)＠暾埩吭鲩L迅速，據(jù)預測將在2025年左右達到峰值。

　　(二)國內(nèi)發(fā)展狀況

　　我國目前已經(jīng)初步建立起了包含晶閘管、IGCT、功率MOSFET、IGBT等全系列硅基電力電子器件產(chǎn)業(yè)，在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。

　　在超大功率(電壓3.3kV以上、容量1~45MW)領域，我國以晶閘管為代表的傳統(tǒng)半控型器件的技術已經(jīng)成熟，水平居世界前列，5~6英寸的晶閘管產(chǎn)品已廣泛用于高壓直流輸電系統(tǒng)，并打入國際市場，形成了國際競爭力。目前我國已經(jīng)研制成功7英寸晶閘管產(chǎn)品，并實現(xiàn)了IGCT產(chǎn)品的商業(yè)化。

　　在中大功率(電壓1200~6500V)和中小功率(900V以下)領域，在國家產(chǎn)業(yè)政策支持和國民經(jīng)濟發(fā)展的推動下，我國高頻場控電力電子器件技術和產(chǎn)業(yè)取得了長足的進步，建立了從電子材料、芯片設計、研制、封裝、測試和應用的全產(chǎn)業(yè)鏈。中小功率的MOSFET芯片已產(chǎn)業(yè)化，批量生產(chǎn)的單管已在消費類電子領域得到廣泛應用，600~900V的MOSFET芯片正在開發(fā)中;600V、1200V、1700V/10~200A的IGBT芯片和600V、1200V、1700V/10~300A的 FRD芯片已進入產(chǎn)業(yè)化階段，3300V、4500V、6500V/32~63A的IGBT和3300V、4500V、 6500V/50~125A FRD的芯片已研發(fā)成功，并進入量產(chǎn)階段;IGBT模塊的封裝技術也上了一個大臺階，采用國產(chǎn)芯片的600V、1200V、1700V、3300V/200~3600A的IGBT模塊已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，采用國產(chǎn)芯片的4500V、6500V/600~1200A的IGBT模塊進入小批量的量產(chǎn)階段。國產(chǎn)品牌IGBT芯片和模塊已經(jīng)形成與國際品牌競爭的態(tài)勢。

　　近年來，在國家各級部門的支持下，我國SiC和GaN電力電子器件實現(xiàn)了“從無到有”的突破，在技術研發(fā)方面有了較好的積累，個別技術水平接近國際先進水平。在SiC材料方面，國內(nèi)4英寸N型SiC單晶產(chǎn)品已產(chǎn)業(yè)化，其微管密度小于1個/cm2;已經(jīng)開發(fā)出了6英寸SiC單晶樣品，正在進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā);在SiC外延材料方面，國內(nèi)研發(fā)出了150μm以上的SiC外延材料，20μm以下的SiC外延產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)。在SiC器件方面，國內(nèi)研發(fā)出了17kV PiN二極管芯片、3.3kV/50A SiC肖特基二極管芯片、1.2kV~3.3kV SiC MOSFET芯片、4.5kV/50A SiC JFET模塊等樣品。目前，我國已具備600V~3.3kV SiC二極管芯片量產(chǎn)能力， SiC MOSFET芯片產(chǎn)業(yè)化能力正在形成。我國有若干科研機構和企業(yè)從事GaN材料技術的開發(fā)，目前已開發(fā)出了6英寸硅基GaN晶圓材料的產(chǎn)品;目前我國已經(jīng)具備了600~1200V平面型GaN芯片的研發(fā)能力，并具備了600V平面型GaN器件的產(chǎn)業(yè)化能力。綜合而言我國寬禁帶電力電子器件技術和產(chǎn)業(yè)水平還落后于國際先進水平。

　　在電力電子器件的專利方面，上個世紀90年代，我國該領域的專利主要集中于硅基功率MOSFET和IGBT。從2000年起，我國開展申請SiC和GaN電力電子器件的相關專利，2010年后，我國在該領域的專利申請數(shù)量出現(xiàn)明顯的增長。目前我國寬禁帶材料和器件的專利數(shù)量僅次于日本、美國和德國，居全球第四位，專利申請人以研究型的科研院所為主。

　　三、 電力電子器件的市場分析及預測

　　(一)國際市場分析

　　當前，國際電力電子器件市場的年平均增長速度在15%左右，2013年市場容量將近1千億美元，主要供應商集中在美國、日本和歐洲。美國是電力電子器件的發(fā)源地，在全球電力電子器件市場中占有重要的位置，主要器件企業(yè)有通用電氣(GE)、ON Semi等。從上世紀90年代開始，日本成為國際上電力電子器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)達地區(qū)，主要器件企業(yè)有東芝、富士和三菱等。歐洲也是全球電力電子器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)達地區(qū)，主要企業(yè)有英飛凌、ABB、Semikron等。國際上SiC電力電子器件的主要供應商有Wolfspeed、英飛凌、羅姆、東芝、富士和三菱等公司;國際上GaN電力電子器件的主要企業(yè)有英飛凌、松下、富士通、三星、Transphom、GaN System、EPC、Avogy等。

　　從器件種類看，以硅基功率MOSFET和IGBT為代表的場控型器件是國際電力電子器件市場的主力軍，其中IGBT器件的年平均增長率超過30%，遠高于其它種類器件。在SiC和GaN電力電子器件領域，由于國際上出現(xiàn)商業(yè)化產(chǎn)品的時間較短，并受技術成熟度和成本的制約，該領域尚處于市場開拓的初期階段，預計將在2018~2020年進入市場爆發(fā)式增長階段。

　　(二)國內(nèi)市場分析

　　“十二五”期間，我國電力電子器件市場在全球市場中所占的份額越來越大，已成為全球******的大功率電力電子器件需求市場，在此期間我國電力電子器件市場年增長率近20%。在此器件，我國的IGBT芯片實現(xiàn)了量產(chǎn)，600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V的芯片和模塊均能提供產(chǎn)品，并逐步擴大應用領域。但是，我們必須看到，我國IGBT芯片的進口率仍然居高不下，主要市場仍然被國外企業(yè)所主導，嚴重阻礙了我國獨立自主IGBT器件產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

　　隨著戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的崛起，電力電子器件及裝置在風能、太陽能、熱泵、水電、生物質(zhì)能、綠色建筑、新能源設備等先進制造業(yè)中將發(fā)揮重要作用。2013年我國的電力電子器件市場總額近2000億元人民幣，由此直接帶動的電力電子裝置產(chǎn)業(yè)的市場超過2萬億元人民幣。中國電器工業(yè)協(xié)會電力電子分會預測，隨著新能源革命的推動，我國電力電子器件產(chǎn)業(yè)將迎來10~20年的黃金發(fā)展期，將保持較高的增長態(tài)勢，并在投資增量需求與節(jié)能環(huán)境需求的雙重推動，以及下游電力電子裝置行業(yè)需求高速發(fā)展的拉動下，我國電力電子器件市場到2020年預計將超過5000億元人民幣。

　　(三)市場預測

　　目前，電力電子器件市場的主力軍仍然是硅基功率MOSFET和IGBT等器件。盡管這些器件已趨于成熟，但是未來幾年，隨著器件新結構的出現(xiàn)和制造工藝水平的不斷提高，其性能會得到進一步提升和改良，CoolMOS、各種改進型的IGBT和IGCT仍有很強的生命力和競爭力。在未來一段時間內(nèi)，以各種電力電子器件為主功率器件的電力電子裝置和系統(tǒng)將展開激烈競爭。

　　超大功率領域，晶閘管類器件在一段時間還有廣泛的應用。大功率平板全壓接IGBT將在這一領域向晶閘管發(fā)起挑戰(zhàn)。未來10~15年，這一領域也將面臨高壓大容量碳化硅電力電子器件的挑戰(zhàn)。

　　在中大功率領域，以硅基IGBT為主功率器件的設備將廣泛應用于工業(yè)電源、電機變頻、通訊電源、不間斷電源、工業(yè)加熱，電鍍電源、電焊機等領域。特別是隨著我國柔性高壓直流輸電、軌道交通、新能源開發(fā)、電動汽車等技術的發(fā)展和市場需求的增加，高電壓、大電流的IGBT器件的需求非常緊迫，需求量非常大。在接下來的5~10年內(nèi)，這一領域的硅基IGBT器件將面臨碳化硅電力電子器件的強勁挑戰(zhàn)。

　　在中小功率領域，以MOSFET、IGBT為主功率器件的電力電子系統(tǒng)和設備將在中低功率領域發(fā)揮巨大的作用，主要用于消費類領域，如電磁爐、變頻空調(diào)、變頻冰箱等。基于超級結技術的CoolMOS將成為重要的發(fā)展方向。在接下來的5~10年內(nèi)，該領域的硅基MOSFET和IGBT器件將面臨氮化鎵電力電子器件的強勁挑戰(zhàn)。

　　在SiC和GaN電力電子器件領域，由于受到材料成本較高和材料質(zhì)量較低以及工藝不完全成熟等因素的影響，國際上僅在650V~1700V的SiC器件和低于650V的GaN器件領域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。近年來，全球在SiC和GaN材料和器件的研發(fā)投入以及生產(chǎn)規(guī)模均迅速增長，產(chǎn)業(yè)化技術快速成熟，具有廣泛的市場前景。以SiC和GaN材料為代表的寬禁帶半導體材料和器件產(chǎn)業(yè)已成為高科技領域中的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，國際領先企業(yè)已經(jīng)開始部署市場，全球新一輪的產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)開始。

　　四、2016-2020年電力電子發(fā)展重點

　　制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。沒有強大的制造業(yè)，就沒有國家和民族的強盛。作為制造業(yè)之一的電力電子器件產(chǎn)業(yè)，是關系到國計民生的高新基礎性產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟發(fā)展、國防建設和民生中發(fā)揮著重大的作用。電力電子器件產(chǎn)業(yè)主要是核心的電力電子芯片和封裝的生產(chǎn)，但也離不開半導體和電子材料、關鍵零部件、制造設備、檢測設備等產(chǎn)業(yè)的支撐，其發(fā)展既需要上游基礎的材料產(chǎn)業(yè)的支持，又需要下游裝置產(chǎn)業(yè)的拉動，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有投資大、周期較長的特點。

　　為建立我國獨立自主的、具有國際競爭力電力電子器件產(chǎn)業(yè)，建議在2016~2020年在以下技術和產(chǎn)業(yè)進行重點布局，并制定關鍵材料和關鍵器件的相關技術標準。其中，近期發(fā)展目標為：在硅基電力電子器件用8英寸高阻區(qū)熔中照硅單晶圓片，IGBT封裝用平板全壓接多臺架精密陶瓷結構件、氮化鋁覆銅板、鋁-碳化硅散熱基板，6英寸碳化硅單晶及外延材料，6英寸~8英寸硅基GaN外延材料和4~6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN耐高溫(>300oC)封裝材料等關鍵材料方面形成生產(chǎn)能力;關鍵電力電子器件方面，硅基IGBT芯片、模塊以及硅基MOSFET、FRD的國內(nèi)市場占有率達到一定的份額，形成中低壓 SiC功率二極管、JFET和MOSFET以及低壓GaN功率器件等器件生產(chǎn)能力，開發(fā)相應功率模塊。2020年發(fā)展目標為：在關鍵材料方面，形成硅基電力電子器件所需全部材料、碳化硅6英寸單晶和厚外延材料、6~8英寸硅基GaN外延材料和4~6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN電力電子器件所需高溫(>300oC)封裝材料等的生產(chǎn)能力，并建立相應標準體系和專利保護機制;在關鍵電力電子器件方面，硅基IGBT、MOSFET、FRD形成系列化產(chǎn)品，綜合性能達到國際先進水平，SiC二極管、晶體管及其模塊產(chǎn)品和GaN器件產(chǎn)品具有國際競爭力。

　　(一)關鍵材料

　　1.關鍵半導體材料

　　(1)提升8英寸區(qū)熔中照高阻硅晶圓片技術，其直徑≥200mm，滿足IGBT芯片生產(chǎn)的需求，中子輻照設備和工藝上有所提高。

　　(2)開發(fā)6英寸4H型SiC單晶及切磨拋圓片技術，實現(xiàn)零微管;開發(fā)6英寸4H型SiC同質(zhì)厚外延片，滿足SiC芯片生產(chǎn)的需求。

　　(3)開發(fā)GaN外延材料技術，包括硅基GaN外延材料、碳化硅基GaN外延材料和基于GaN襯底的同質(zhì)外延材料等，滿足GaN芯片生產(chǎn)的需求。

　　(4)研發(fā)基于氮化鋁、氧化鎵、金剛石等新型半導體材料技術。

　　2.關鍵零部件材料

　　(1)開發(fā)平板全壓接多臺架精密陶瓷結構件材料，滿足平板全壓接型IGBT制造的需求。

　　(2)開發(fā)氧化鋁(Al2O3)陶瓷覆銅板、氮化鋁(AlN)陶瓷覆銅板、氮化硅(Si3N4)陶瓷覆銅板、鋁-碳化硅(AlSiC)基板、硅凝膠、焊片(焊帶)等關鍵零部件材料，滿足焊接型功率模塊制造的需求。

　　(3)開發(fā)專用于SiC和GaN器件的封裝材料，滿足工作溫度≥300oC的需求。

　　(二)關鍵電力電子器件

　　1.硅基高頻場控電力電子器件

　　在硅基高頻場控電力電子器件方面，突破溝槽、電場終止等關鍵技術的設計和制造工藝，形成規(guī)模生產(chǎn)能力。提升軌道交通、電力系統(tǒng)和新能源汽車用的高壓大容量IGBT模塊的產(chǎn)業(yè)化水平，開發(fā)超大容量平板全壓接IGBT模塊產(chǎn)品、進一步提升快恢復二極管FRD芯片和高壓功率MOSFET芯片的技術水平。

　　2.碳化硅電力電子器件

　　(1)SiC功率二極管

　　掌握600V~6.5kV SiC結勢壘肖特基功率二極管的產(chǎn)業(yè)化技術，實現(xiàn)10kV以上SiC PiN功率二極管的技術突破，形成從600V到10kV及以上電壓等級的SiC功率二極管系列產(chǎn)品的開發(fā)能力。

　　(2)SiC功率晶體管

　　掌握600V~6.5kV的SiC JFET和MOSFET的產(chǎn)業(yè)化技術，實現(xiàn)10kV以上SiC IGBT和SiC GTO的技術突破，具備從600V到10kV及以上電壓等級的碳化硅晶體管系列產(chǎn)品的開發(fā)能力。

　　(3)SiC功率模塊

　　掌握全套的SiC器件封裝材料、封裝設計和封裝工藝技術，滿足開發(fā)高壓、大容量和高溫SiC功率模塊的需求，并掌握全套測試技術，研發(fā)整套測試設備，建立相關技術標準，為新能源汽車、新能源并網(wǎng)、軌道交通、新型直流輸配電網(wǎng)等領域開發(fā)SiC功率模塊產(chǎn)品。

　　3.氮化鎵電力電子器件

　　(1)GaN電力電子器件

　　掌握GaN肖特基二極管、HEMT晶體管、金屬絕緣柵半導體場效應晶體管(MISFET)等芯片設計和工藝技術，為新能源和節(jié)能減排領域提供高頻率GaN器件產(chǎn)品。

　　(2)GaN功率模塊

　　掌握全套的GaN模塊封裝材料、封裝設計和封裝工藝技術，并掌握全套測試技術，研發(fā)整套測試設備，建立相關技術標準，為通訊和信息電源、分布式能源并網(wǎng)等領域提供GaN功率模塊產(chǎn)品。

　　(三)關鍵設備

　　電力電子器件的關鍵設備包括芯片生產(chǎn)設備、器件封裝設備和檢測設備三大系列。

　　1.生產(chǎn)設備

　　硅基電力電子器件的關鍵設備包括晶圓減薄機、離子注入機、晶圓切割機、激光退火爐等。SiC材料和器件的核心工藝制造設備包括單晶爐、外延爐、高能離子注入機、高溫氧化爐、ICP刻蝕機和超高溫退火爐等。金屬有機化合物化學氣相外延(MOCVD)是制造GaN功率器件的關鍵設備。建議對以上關鍵生產(chǎn)設備的關鍵技術進行攻關，實現(xiàn)設備國產(chǎn)化。

　　2.封裝設備

　　電力電子芯片的封裝設備主要包括真空焊接爐、引線鍵合機、揀片機、貼片機、點膠機、灌膠機、氣相清洗機、助焊劑清洗機等。我國已經(jīng)初步建立了電力電子芯片的封裝產(chǎn)業(yè)，但是封裝所需的設備嚴重依賴進口。建議對真空焊接爐、引線鍵合機等封裝設備的關鍵技術進行攻關，實現(xiàn)設備國產(chǎn)化。

　　3.檢測設備

　　檢測設備是電力電子器件的芯片加工和器件封裝過程的必備設備。建議重點攻關以下檢測設備的關鍵技術，實現(xiàn)設備國產(chǎn)化：

　　(1)高壓大電流探針測試設備及大電流步進多頭探針，

　　(2)滿足高壓大容量器件的測試需求的靜、動態(tài)參數(shù)測試設備，

　　(3)推拉力測試、局部放電測試、基板拱度測試、熱阻測試等封裝材料檢測設備，

　　(4)功率循環(huán)、被動熱循環(huán)、高溫反偏、高溫柵偏、絕緣老化等可靠性測試設備，

　　(5)X射線測試儀、超聲測試儀等無損檢測設備，

　　(6)以上測試設備的測試夾具。

　　(四)技術標準

　　為加強電力電子器件產(chǎn)業(yè)領域標準的制定和知識產(chǎn)權保護，建議在新型電力電子器件用的關鍵半導體材料、關鍵零部件材料以及電力電子器件方面建立公共服務平臺，制定面向行業(yè)的技術認證、產(chǎn)品檢測的相關技術標準，為建立具有協(xié)同創(chuàng)新能力的電力電子產(chǎn)業(yè)體系服務。

　　1.關鍵材料技術標準

　　(1)建議制定區(qū)熔中照高阻硅晶圓片、SiC襯底晶圓片、SiC同質(zhì)厚外延片、GaN異質(zhì)外延片等關鍵半導體材料的技術標準。

　　(2)建議制定平板全壓接多臺架精密陶瓷結構件、氧化鋁(Al2O3)陶瓷覆銅板(DBC和AMB工藝)、氮化鋁(AlN)陶瓷覆銅板(DBC和AMB工藝)、氮化硅(Si3N4)陶瓷覆銅板、鋁-碳化硅(AlSiC)基板、硅凝膠、焊片(焊帶)等關鍵零部件材料的技術標準。

　　2.關鍵電力電子器件技術標準

　　(1)建議制定軌道交通用IGBT、電力系統(tǒng)用IGBT、新能源汽車用IGBT、平板全壓接IGBT、電動車輛用功率MOSFET、快恢復二極管FRD等硅基電力電子器件的技術標準。

　　(2)建議制定肖特基二極管、PiN二極管、結勢壘肖特基二極管、JFET、MOSFET、BJT、IGBT、晶閘管等SiC電力電子器件的技術標準。

　　(3)建議制定肖特基二極管、HEMT、MISFET等GaN電力電子器件的技術標準。

　　五、 展望

　　電力電子器件產(chǎn)業(yè)是我國制造業(yè)的重要組成部分之一，在實施《中國制造2025》的規(guī)劃中將發(fā)揮重大的作用。

　　在“十三五”期間，要按照《中國制造2025》的精神發(fā)展我國的電力電子器件產(chǎn)業(yè)，要堅持“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結構優(yōu)化、人才為本”的基本方針，堅持“市場主導、政府引導，立足當前、著眼長遠，整體推進、重點突破，自主發(fā)展、開放合作”的基本原則，將“互聯(lián)網(wǎng)+”引入電力電子器件制造業(yè)，使信息化和電力電子器件制造產(chǎn)業(yè)深度融合，提高產(chǎn)業(yè)的技術創(chuàng)新能力，提升產(chǎn)業(yè)的制造智慧化水平，把我國從今天的電力電子器件需求大國，建設成為電力電子器件的制造大國，繼而建設成電力電子器件的創(chuàng)造強國。