工程院院士丁荣军：新材料和新拓扑是功率器件未来技术突破的关键路径

功率半导体作为电子装置电能转换与电路控制的核心元器件，在汽车和工业领域发展潜力巨大，其需求量也跟着水涨船高。

以汽车行业为例，根据Strategy Analytics数据,相较传统燃油车，纯电动车中的功率半导体使用量占比高达55%。除使用量大幅增加外，新能源汽车的单车功率半导体价值量也在上升，来自英飞凌的一组数据显示，新能源汽车的单车功率半导体价值量是传统燃油车的五倍。势不可挡的电动化趋势，量价齐升的需求空间，使得功率半导体的重要性愈发凸显。

此前，在无锡市举办的“2023中国汽车半导体新生态论坛”上，中国工程院院士丁荣军出席大会并发表了《功率半导体技术的发展及应用》主题演讲，从功率半导体的发展历程、功率器件的技术特点和应用，以及功率半导体未来发展的技术趋势三大方面进行阐述。

功率器件的发展，推动了工业领域的产业变革

丁荣军院士认为，功率半导体是“电力、电气”的CPU，但凡通过能量传输，就会用到功率半导体。从1947 年美国贝尔实验室发明的世界上第 1 只锗基双极型晶体管开始，微电子工业时代就此展开。

在丁荣军院士看来，全球高铁的发展史，亦是一部功率半导体技术创新与产业进步史。从整流二极管到晶闸管，催生了电力电子技术；晶闸管的出现推动了整流机车向相控机车技术的进步；从晶闸管到GTO，实现了从直流传动到交流传动的技术升级；从GTO到IGBT，实现了数字驱动与控制，推动了轨道交通高速、重载技术发展。

“我们国家最早的老式机车实际上用的就是晶闸管，后面演进到二极管，再到如今的IGBT。今天我们看到的高速列车，无论是‘和谐号’还是‘复兴后’，都是由功率器件的发展演进所诞生的。”丁荣军院士表示。

回顾功率器件的发展历程，丁荣军院士认为：“从发现锗材料到现在，功率器件的发展时间还不到一个世纪。但随着应用需求的拉动，功率半导体得到了迅猛发展，使得电子技术取得革命性的突破，进而推动了整个工业领域的产业变革。”

“但与数字芯片不同，数字芯片追求的是制程的先进性，往往是新产品替代旧产品。而功率半导体中无论是二极管还是IGBT，每种器件都有其不同的特点和应用场合，因此很难说新器件的出现能够完全替代其他器件，每种功率器件都有其用武之地。”丁荣军院士表示。

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IGBT是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品

在丁荣军院士看来，IGBT是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品。IGBT的特点是电压驱动，输入阻抗高，驱动电流小，开关频率较快，耐压高，应用范围 600V~6500V，可以广泛应用在轨道交通、智能电网、新能源、航空航天、船舶驱动、交流变频、风力发电、电机传动、汽车等产业领域。

从需求端看，新能源汽车主要采用750V-1200V IGBT，年需求量超100万只，呈爆发式增长；轨道交通是高压IGBT最大需求领域，年需求量在30万只左右；新能源领域风电变流器和光伏逆变器主要采用1200V-1700V IGBT M和H模块，年需求量约50万只；电网应用以3300V焊接和4500V压接式IGBT为主，年需求量约几万只。

对比国内外功率半导体发展现状，丁荣军院士认为，“我国在晶闸管和IGCT方面已经实现从跟跑、并跑到领跑的技术突破；IGBT方面已形成芯片设计、晶圆制造、封装测试完整技术体系，进入国际先进行列；第三代半导体材料方面，SiC和GaN技术进步快，但与国际先进水平相比还有差距，主要受制于成本原因。目前SiC器件的价格仍然是硅器件的4倍左右，仅在一些对体积和效率要求比较高的场景渗透较快，所以SiC器件亟需降低成本以加速打入更多应用场景。”

新材料和新拓扑是功率器件未来技术突破的关键路径

功率器件技术的发展是由“提高性能”和“降低成本”的内在需求推动的，因此对于功率半导体未来技术的发展趋势，丁荣军院士认为，随着Si基材料逐渐逼近其物理极限，摩尔定律接近效能极限，新的材料和新的拓扑将是功率半导体器件未来技术突破的关键路径，未来可以从“新材料、新结构、新封装、智能化”四个方向着手实现功率器件的技术演进。

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