功率元件MOSFET市场为何供需失衡？
功率半导体元件或简称功率元件，是电子装置的电能转换与电路控制的核心。主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等，并同时可具有节能的功效，因此，功率元件广泛应用于移动通讯、消费电子、新能源交通等众多领域。
▲图片来源于网络
功率元件全球市场规模约140亿美元
据麦姆斯咨询报道，电力电子市场规模预计将从2018年的390.3亿美元增长到2023年的510.1亿美元，2018~2023年预测期间的复合年增长率（CAGR）为5.5%。推动该市场增长的主要因素为电力基础设施的升级、便携式设备对高能效电池的需求增长。
功率元件全球市场规模约140亿美元，占全球半导体市场的3.5％，其中MOSFET规模约68亿美元、IGBT约12.6亿美元，占功率半导体元件分别为48％与9％；根据IEK调查指出，近年受惠电动汽车与油电混和车快速发展、汽车电子化比重提升以及手机快充、物联网（IoT）新应用兴起，功率元件在提高能源转换效率上占据重要地位，产业需求逐渐提升；而未来电动车半导体的需求为传统汽车的两倍以上，预期MOSFET等功率元件用量将大幅提升。
MOSFET与IGBT市场过去皆呈大厂寡占的态势，英飞凌、安森美与瑞萨占MOSFET市场近50％，IGBT市场英飞凌、三菱电机与富士电机三家市场占率更达61％；此类IDM垂直整合大厂以英飞凌为首，均优先将产能给毛利率较高的新产品，相继退出中低压MOSFET一般消费性产品线，导致MOSFET供需缺口扩大，使台厂自去年第2季开始即逐渐感受到转单效应，预料这股缺货风潮恐将持下去。
而在发展中国家地区，由于电力需求的增加，现有的电力资源正在被快速的消耗。全球对电力基础设施的需求和对可再生能源的使用的关注日益增加。全球各国政府不断增大对可再生能源的投资，比如太阳能和风能，并且不断制定出更好的上网电价补贴政策，以帮助和鼓励光伏项目的发展。
因此，随着功率半导体的不断发展和技术进步，功率器件下游产业的稳步扩张，未来在政策资金支持以及国内新能源汽车的蓬勃发展下，中国国内功率半导体产业将迎来黄金发展期。
MOSFET市场供需失衡
按器件类型细分，电力电子市场可分成功率分立器件、功率模组和功率集成电路（IC）。在2017年，功率IC占据了主要的电力电模桥子市场份额。功率IC包括电源管理集成电路（PMIC）和专用集成电路（ASIC），主要用于高频、高功率放大和微波辐射等应用领域。
在晶圆供给方面，MOSFET与IGBT产品考量8吋光罩费用仅12吋的1/10，加以功率元件还有不漏电的要求，尚无法做到尺寸微缩等原因，台湾与大陆的MOSFET功率元件IC设计公司都投产在8吋晶圆厂；然而由于指纹辨识、影像感测器（CIS）、电源管理（ICPMIC）等IC产品，受到资安需求提升，对8吋晶圆需求亦增加，致使全球8吋晶圆投片量提升。
MOSFET市场的供需失衡，让台厂迎来多年以来难得的成长契机，上游IC设计方面，大中余伏、杰力在PC市场与消费性电子产品较具竞争优势，预计下半年供需仍吃紧态势下，对下游的议价能力转强，有助其获利表现；在晶圆生产方面，世界先进8吋产能满载，加上电源管理营收占比持续提升改善产品组合，未来营运展望乐观。
新能源汽车行业高复合增长
按应用类型细分，电力电子市场可分为电源管理、驱动、不间断电源（UPS）、铁路牵引、交通运输、可再生能源等。在2018~2023年预测期间，交通运输应用领域的电力电子市场预计以最高复合年增长率增长，主要归因于混合动力汽车（HEV）和电动汽车（EV）的产量不断增加和全球对电动汽车充电站的需求不断增加。
按垂直行业细分，电力电子市场可分为信息通信技术（ICT）、消费电子、能源和电力、工业、汽车、航空航天和国防等。在预测期内，汽车行业预计以最高复合年增长率（CAGR）增长，主要归因于混合动力汽车（HEV）和电动汽车（EV）的数量日益增长和全球对轿车和其他乘用车的需求不断增加。
2023年按地区细分的电力电子市场预测（图片来源麦姆斯咨询）
按地区细分，亚太地区（APAC）在整个电力电子市场中占据了最大的市场份额，其次是欧洲。在预测期内，亚太地区的电力电子市场预计将快速增长。推动亚太地区市场发展的关键因素包括汽车和消旦毁猛费类应用对电力电子器件的需求增长以及在亚太地区拥有大量的电力电子制造企业。此外，工业、能源和电力行业对电力电子器件的需求也在推动该市场在亚太地区的进一步发展。
制约电力电子市场增长的关键因素
电力电子产业越来越关注于将多个功能集成到一个芯片中，从而导致器件设计变得复杂。复杂器件的设计和集成需要特殊的技能、稳健的方法和各种集成工具，这都会增加器件的成本。从而，高成本限制了用户向先进器件转换。因此，先进器件所需要的复杂设计和集成工艺，被认为是制约电力电子市场增长的关键因素。
然而，不同于第一代与第二代半导体材料，第三代半导体材料是以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体材料，在导热率、抗辐射能力、击穿电场能力、电子饱和速率等方面优势突出，更适用于高温、高频、抗辐射的场合。有关专家指出，第三代半导体器件将在新能源汽车、消费类电子领域实现大规模应用。
随着制备工艺逐步成熟和生产成本的不断降低，第三代半导体材料正以其优良的性能正在不断突破传统材料的瓶颈，成为半导体技术研究前沿和产业竞争焦点，美、日以及欧盟都在积极进行战略部署。美国已经将部署第三代半导体战略提升到国家层面，先后启动实施了“宽禁带半导体技术创新计划”“氮化物电子下一代技术计划”等，制定颁布了《国家先进制造战略规划》等法规条例。欧盟在第三代半导体发展中以联合研发项目为主，力图通过对各成员国的资源优化配置，使欧盟在半导体领域保持国际领先水平。日本作为全球第一个以半导体照明技术为主的国家，在第三代半导体器件制备与应用方面已经达到世界领先水平。
目前，国际电力电子市场的主要厂商有：英飞凌（德国）、三菱电机（日本）、德州仪器（美国）、安森美半导体（美国）、意法半导体（瑞士）、富士电机（日本）、瑞萨电子（日本）、东芝（日本）、恩智浦半导体（荷兰）、Vishay
Intertechnology（美国）、美信半导体（美国）、赛米控（德国）、ABB（瑞士）、日立（日本）、亚德诺半导体（美国）、罗姆半导体（日本）、力特（美国）、美高森美（美国）、微芯科技（美国）、丹佛斯（丹麦）等。
如何彻底读懂并理解MOSFET的Datasheet
所有功率MOS制造厂商都会提供每种型号产品的详细说明书。
说明书用来说明各种产品的性能。这对于在不同厂商之间选择相同规格的器件很有用。在一些情况下，不同厂商所提供的参数所依据的条件可能有微妙的区别，尤其
在一些非重要参数例如切换时间。另外，数据说明书所包含的信息不一定和应用相关联。因此在使用说明书和选择相同规格的器件时需要特别当心以及要对数据的解
释有确切的了解。本文以BUK553- 100A为例, 这是一种100V逻辑电平MOS管。
功率MOS数据说明书所包含的信息
数据说明书一般由以下八个部分组成：
*快速参考数据
*极限值
*热阻
*静态特性
*动态特性
*反向二极管极限值及特性
*雪崩极限值
*图形数据
下面叙述每一部分：
快速参考数据
这
些数据作为迅速选择的参考。包括器件的关键参数，这样工程师就能迅速判断它是否为合适的器件。在所包括的五个参数中，最重要的是漏源电压
VDS是和开启状态下的漏源阻抗RDS( ON) 。VDS是器件在断开状态下漏极和源极所能承受的最大电压。RDS( ON)
是器件在给定栅源电压以及25 ? C的结温这两个条件下最大的开启阻抗 ( RDS( ON) 由温度所决定，见其静态特性部分) 。
这两个参数可以说明器件最关键的性能。
漏极电流值 ( I D) 和总耗散功率都在这部分给出
。这些数据必须认真对待因为在实际应用中数据说明书的给定的条件很难达到（见极限值部分）。在大多数应用中，可用的dc电流要比快速参考说明中提供的值要
低。限于所用的散热装置，大多数工程师所能接受的典型功率消耗要小于20W( 对于单独器件) 。结温 ( TJ )
通常给出的是150℃或者175℃。器件内部温度不建议超过这个值。
极限值
这个表格给出六个参数的绝对最大值。器件可以在此值运行但是不能超出这个值，一旦超出将会对器件发生损坏。
漏
源电压和漏栅电压有同样的值。 给出的数据为可以加在各相应端所使用的最大电压。 栅源电压, VGS,
给出在栅极和源极之间允许加的最大电压。一旦超过这个电压值，即使在极短的时间内也会对栅极氧化层产生永久性损害。给出的两个直流漏极电流值I D,
一个是在背板温度为25 ℃ 时，另一个是在背板温度为
100℃时。再且这些电流值不代表在运行过程中能够达到。当背板温度在所引述的值时，这些电流值将会使得结温达到最大值
。因此最大电流降额作为背板温度的函数，所引用的两个值曲线是降额曲线上的两个点（见图一）。
引述的第三个电流值是脉冲峰值, IDM. 功率MOS 器件总的来说都有很强的峰流通过能力。连接管脚和芯片上的内部接线决定该极限值。IDM
所能应用的脉冲宽度取决于热考虑 ( 见计算电流的部分) 。总消耗功率, Ptot, 以及最大结温在快速参考数据中也已说明。Ptot
的值在等式1中以商的形式给出( 见安全运行区部分) 。所引述的条件是衬底温度保持在25℃。例如，BUK553- 100A 的 Ptot 值为75
W,消耗这个功率使衬底温度保持在25 ℃ 是极大的挑战。衬底温度越高，能耗散的总耗散功率越低。
很显然如果衬底温度等于最大允许的结温时，没有功率可被耗散掉。如图2的降额曲线，此器件的结温为175℃。
引述的存储温度通常在-40/-55℃ 和 +150/+175℃之间。存储温度和结温是由我们质量部门经过广泛的可靠性测量后所指定的。超过所给出的温度将会使可靠性降低。
绝
缘封装时，背板( 硅芯片安装在上面的金属层) 完全压缩在塑料中。因此无法给出结点到背板的热阻值，取代之是结点到散热片的Rthj - hs,
它表现出散热片复合的作用。当比较绝缘封装和非绝缘封装型号的热阻时必须特别小心。例：非绝缘BUK553-100A 的 Rthj-mb 为
2K/W。绝缘BUK543-100A的Rthj-hs为5K/W。它们有同样的晶体但是所封装不同。初比较时，非绝缘的型号似乎可以承受更大功率(
即电流 ) 。然而BUK553- 100A 在结点到散热片的热阻测量中, 这还包括背板和散热片之间的额外热阻。一些绝缘措施用在大多数情况中,
例如云母垫圈. 其背板到散热片的热阻为2K/W。因此结点到散热片的总热阻为 Rthj-hs( 非绝缘型) = Rthj-mb+Rthmb- hs =4K/W. 可以看出实际中绝缘和非绝缘型的型号区别并不大。
静态特性
这个部分的参数描述击穿电压, 开启电压, 泄漏电流, 开启阻抗的特性。 漏源击穿电压比漏源电压的极限值要大。它可以用曲线跟踪仪测量, 当栅极端和源极端短路时, 它是漏极电流为250uA时的电压。栅极开启电压VGS(TO) , 表示的是使器件达到导通状态时栅极( 相对于源极) 所需要的电压。对于逻辑电平器件来说, 栅极开启电压通常在1.0 和 2.0V间; 对于标准器件则是2.1到4V之间。
(图.3)的表示漏极电流为 VGS 的函数说明典型的传 输特性。(图.4)表示栅极开启电压随着结温而变化。在次开启传导时，（图5）表示在VGS电平低于门槛时漏极电流怎样随着栅源电压变化。
断电状态时泄漏电流是漏源和栅源在各自所能承受最大电压情况下所规定的。注意到尽管栅源泄漏电流以十亿分之一安培为单位表示，它们的值遵循兆分之一安培而变化。
漏
源导通电阻具有重要意义。它是当逻辑电平场效应管栅源电压5V时的值；标准器件时栅源电压为10V时的值。在10V以上增加栅源电压时，标准MOS管的导
通电阻没有明显减少。 减少栅极电压然而可以增加导通电阻。对于逻辑电平场效应管来说，BUK553-100A，在栅极电压为5
V的情况下给出导通电阻， 然而当栅极电压到达10V时, 导通电阻将明显减少，这是由于其输出特性图.6
和导通电阻特性图.7决定（BUK553-100A）。
动态特性
包括跨导,电容以及转换时间。正向跨导 Gfs,是增益参数，它表示在器件饱和状态下，栅极电压的变化引起的漏极电流的变化(MOSFET的饱和特性参考输出特性的平面部分)。
图.9表示BUK553-100A中作为漏极电流函数的Gfs是怎样变化的。
电容被大多数制造厂商分成输入电容，输出电容以及反馈电容。所引述的值是在漏源电压为25V情况下的。仅表明了一部分性质因为MOSFET电容值是依赖于电压值的，当电压降低时电容升高。
图.10表明电容随电压的变化情况。电容数值的作用是有限的。 输入电容值只给出一个大概的驱动电路所需的充电说明。可能栅极充电信息更为有用。如图11给出的例子。 它表明为达到一个特定的栅源电压栅极所必须充的电量。
例如把BUK553-100A充电到VGS=5V, 漏源电压为80V, 所需12.4nc的电量。这样的充电速度可以满足栅极电路电流的需要。
阻
抗负载切换时间也被许多制造厂商所引述, 然而必须极其小心地比较不同制造厂商所给的数据说明。功率MOSFET
的切换速度只受电路以及封装自感限制，电路中的实际速度是由内部电容被驱动电路充电和放电的速度所决定的。切换时间因此很大程度上取决于所处的电路环境；
一个低的栅极驱动电阻将会提供更短的切换时间反之亦然。飞利浦数据说明中所有的功率MOS的切换时间都是在栅源之间放一50W电阻的情况下测得的。这个器
件是由一源极阻抗为50W的脉冲发生器切换的。总的栅极驱动电路的阻抗因此为25。
动
态特性也包括典型封装自感.当电路中的切换速度很快时，即dI/dt值很大时，自感变得非常重要。例如，在60ns中变化30A给出的dI/dt为
0.5 A/ns.
源极引线的典型自感为7.5nH,由V=-L*dI/dt得出从内部源极（内部连接源极的导线与芯片结合的部分）到外部引脚的电压为3.75V.
正常标准器件被栅源电压为10V所驱动时，实际半导体上栅源电压在开启状态下只有6.25V，因此切换速度最终被封装自感所限制。
