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丁荣军：《功率半导体技术的发展及应用》

来源： 名家讲堂 日期：2026-09-16 点击：603 属于：大咖观点

作者：丁荣军（中国工程院院士，中国中车首席科学家）

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。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。回顾功率器件的发展历程，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。
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，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。

作者介绍：

丁荣军：电力电子及控制技术专家，中国工程院院士，教授级高级工程师、博士生导师，中国中车首席科学家，西南交通大学集成电路科学与工程学院（中车时代微电子学院）院长，功率半导体与集成技术全国重点实验室主任，功率半导体行业联盟理事长，国家产业基础委员会委员，新世纪百千万人才工程国家级人，国务院特殊津贴获得者，湖南大学机械与运载工程学院原院长。丁荣军院士长期从事铁路机车车辆交流传动与网络控制技术的理论研究、技术开发和工程应用工作，创建了适合中国国情的标准体系并与国际接轨的技术模式。主持特大功率半导体器件技术研究与应用，建成全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线。主持开发的传动控制系统、牵引变流器和列车控制网络已大量用于机车、高速动车组、城轨车辆和电动汽车。先后主持国家级、省部级重大科研项目30余项，发表各类专著、论文29部（篇），授权发明专利24件，曾获国家技术发明二等奖1项、国家科学技术进步二等奖2项，获得的国家级、省部级奖项超过10项。荣获“詹天佑科技成就奖”、“茅以升科学技术奖”、“全国劳动模范”、“最美铁道科技工作者”和”中国地铁50年致敬人物“等荣誉称号，党的十八大和十九大代表。

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