MOSFET 与 IGBT 各具优劣

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功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电子装置中电压和频率，及直流交流转换等。只要在拥有电流电压及相位转换的电路系统中，都会用到功率零组件。


基本上，功率半导体大致可分为功率离散元件 (Power Discrete) 与功率积体电路 (Power IC) 二大类，其中，功率离散元件产品包括 MOSFET、二极体，及 IGBT，当中又以 MOSFET 与 IGBT 最为重要。


MOSFET、IGBT 主要用于将发电设备所产生电压和频率杂乱不一的电流，透过 一系列的转换调製变成拥有特定电能参数的电流，以供应各类终端电子设备，成为电子电力变化装置的核心元件之一。


而全球功率半导体市场中，用于工业控制比重最高，达 34%，其次是汽车及通讯领域各占 23%，消费电子则占 20%。


近年来，功率半导体的应用领域已从工业控制和消费电子拓展至新能源、轨道交通、智慧电网、变频家电等市场，整体市场规模呈现稳定成长趋势。根据 IHS Markit 预测，2018 年全球功率元件市场规模约为 391 亿美元，预估至 2021 年市场规模将上升至 441 亿美元，年複合成长率为 4.1%。



资料来源：IHS


而 IC Insights 则指出在各类半导体功率元件中，未来最看好的产品将是 MOSFET 与 IGBT 模组。


MOSFET 是一种可以广泛使用在类比电路与数位电路的场效电晶体，具有导通电阻小，损耗低，驱动电路简单，热阻特性佳等优点，特别适合用于 PC、手机、行动电源、车载导航、电动交通工具、UPS 电源等电源控制领域。


而 2016 年，全球 MOSFET 市场规模达 62 亿美元，预估到 2022 年，全球 MOSFET 市场规模将接近 75 亿美元，而这之间年複合增长率将达 3.4%。
至于 IGBT 则是由双载子接面电晶体 (BJT) 和 MOSFET 组成的複合式半导体功率元件。兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 BJT 的低导通电阻两方面的优点。IGBT 驱动功率小，非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等。



资料来源: IHS,二级体、MOSFET 和 IGBT 产值(亿美元)



随着消费者对于充电效率的要求逐渐提升，手机充电出现快充模式，意即透过提高电压来达到高电流、高功率充电，但高电压存在安全隐忧，需要加入整流的 MOSFET 来调整。


而后来出现较为安全的闪充模式，主要是透过低电压、高电流来实现高速充电，这对同步整流 MOSFET 的要求更高。


另一方面，则是汽车产业的变化，目前汽车产业发展已从传统汽车朝向电动车前进。而汽车电子化程度的提升，最大受惠者就属功率半导体。传统燃油汽车中，功率半导体主要用在启动、停止和安全等领域，比重只有 20%。依照传统汽车中，以半导体单车价值 350 美元计算，功率元件价值约在 70 美元。


但进入到电动车世代，其电池动力模组要用大量的电力设备，电力设备中都含有功率半导体，溷合动力汽车的功率元件比重 40%，纯电动汽车的功率元件比重达 55%。依照纯电动汽车半导体单车价值 750 美元计算，功率半导体价值约在 413 美元，是传统汽车约 6 倍。


MOSFET、IGBT 国际大厂把持

MOSFET 市场主要由英飞凌佔据，根据 IHS 统计指出，英飞凌市占高达 27%，排名第二为安森美，市占率 13%，第三则是瑞萨的 9%。
而在价值含量高的高压 MOSFET 领域中，英飞凌更是以 36% 的市占率大幅领先所有竞者对手，意法半导体与东芝则以市占 19% 及 11% 分居二、三名。  

资料来源：IHS



至于在 IGBT 市场中，则是由英飞凌，三菱和富士电机处于领先位置，安森美则主攻在低压的消费电子产业，电压在 600V 以下。而中高压 1700V 以上领域，则是应用在高铁，汽车电子，智慧电网等，基本被英飞凌、ABB 和三菱垄断。



资料来源：IHS



MOSFET 与 IGBT 各具优劣

MOSFET 依内部结构不同，可达到的电流也不同，一般大到上 KA 也是可行，但 MOSFET 耐电压能力没有 IGBT 强。


而 MOSFET 优势在于可以适用高频领域，MOSFET 工作频率可以适用在从几百 KHZ 到几十 MHZ 的射频产品。而 IGBT 到达 100KHZ 几乎是最佳工作极限。


最后，若当电子元件需要进行高速开关动作，MOSFET 则有绝对的优势，主要在于 IGBT 因有整合 BJT，而 BJT 本身存在电荷存储时间问题，也就是在 OFF 时需耗费较长时间，导致无法进行高速开关动作。


所以综合来看，MOSFET 适用在携带型的充电电池领域，或是行动装置中。至于 IGBT 则适用在高电压、大功率的设备，如电动马达、汽车动力电池等。

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