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小小功率器件,节能减碳大帮手

发布时间:2021-12-08 09:54        来源:电子信息产业网        作者:姬晓婷

光伏/风能发电储能系统、电动汽车及充电桩、工业变频控制系统……诸多节能降碳应用成为实现碳达峰碳中和目标的利器。而在上述应用的电子电力系统中发挥功耗控制作用的,就是小小的功率半导体器件。

小体积,大功效

功率半导体是实现电能转换的核心器件,能够对电压电流的运用进行有效控制,通过开关状态的变化,实现逆变、整流、变频等多种功能,控制电子电力系统的能量输出,将整个电子电力系统的能耗控制在最低范围内,从而达到对能量的合理管理,降低能耗,减少碳排放。

功率半导体器件的不同结构决定着其不同的开关频率、功率水平和击穿场强,因此也决定着不同类型功率半导体的使用场景。IGBT、MOSFET是当前市面上最常见的功率半导体器件。由于所需驱动功率小、开关速度快,硅基的MOSFET在600V以下的应用中占据主流。由于导通损耗低、开关速度较快、耐压等级高、工作结温高、驱动方便,硅基的IGBT占据了600V~6500V高压应用市场。

基于其结构和功能的特性,功率半导体已经成为发电、输配电、用电等多个领域的核心器件。例如在发电的光伏逆变器、风电变流器等设备,在输配电领域的直流换流阀、交直流断路器等设备,用电领域的电动汽车电驱、电力机车电驱、充电桩、储能换流器、工业变频器或变流器等设备中,功率半导体均发挥着突出作用。

此外,功率半导体还为节能降碳带来了新的发展空间。赛晶科技集团有限公司董事长项颉在接受《中国电子报》记者采访时表示:“功率半导体能够创造新的电能生产和应用方式,比如电动汽车、风力发电、光伏发电、工业和民用领域电气化,从而减少化石能源的使用;功率半导体的使用可以提高能源效率,比如变频节能、直流输电,从而节约能源损耗。”

IGBT成主流

IGBT具备包括输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快、通态电流大、导通压降低、损耗小等诸多优点,因此在当前市场环境中具有绝对优势。

IGBT是一个非通即断的开关器件,通过栅源极电压的变化控制其关断状态,能够根据信号指令来调节电压、电流、频率、相位等,以达到精准调控的目的。因此,IGBT成为当前功率半导体市场最主流的器件,在新能源发电、电动汽车及充电桩、电气化船舶、直流输电、储能、工业电控和节能等众多领域均有广泛应用。

然而,掌握全球IGBT份额的仍主要为海外头部厂商,英飞凌、三菱和富士,三家巨头蚕食掉IGBT市面上70%的份额。国内IGBT厂商虽已有布局,但要实现技术与市场的进一步跃迁,还存在较大的挑战。赛迪顾问集成电路中心负责人滕冉在接受《中国电子报》记者采访时表示,IGBT的技术路线一直由英飞凌引导,当前英飞凌的产品已发展到第七代,而国内的IGBT技术现在仅能达到英飞凌第四代和第五代水平。

为尽快缩短与海外先进水平之间的差距,国内的功率半导体厂商加紧布局IGBT赛道,正努力提升其产品性能、拓展其市场空间。在国内的功率半导体企业中,比亚迪半导体、华润微电子、士兰微电子、斯达半岛等企业的表现较为突出。

比亚迪半导体已布局IGBT的全产业链产品,在汽车领域的表现出色,占到国内新能源汽车市场份额的18%~20%。嘉兴斯达半导起步较早,2008年开始起步,技术起点比较高,当前已具备600V/650V/1200V/1700V/3300V等多种规格IGBT模块产品,又有MOSFET、IPM、FRD/整流模块、晶闸管等多种类型产品,产品类型较为丰富。此外,株洲中车时代在智能电网、汽车、新能源电控等领域做了规划,其市场约占整个汽车市场的1%左右,具备很大的发展空间。此外,华润微和士兰微也将IGBT作为产品线中的一支进行布局。

双轮驱动 优化封装与应用宽禁带半导体

我国拥有全球最大的功率半导体市场,在约500亿美元的全球功率半导体市场中,国内市场贡献了35%~40%的份额。“十四五”期间,以云计算、移动互联、大数据、人工智能为代表的新一代信息技术演进,将对电源管理产品产生更大量的需求。“碳达峰”、“碳中和”目标的提出,新能源发电、电动汽车及充电桩、工业电控等众多领域进入快速发展,将带动IGBT、MOSFET产业的增长。

对于国内企业而言,日益扩大的国内市场,无疑为其发展提供了更为广阔的发展空间。而关于如何抓住市场增长机会、如何借势实现产业突破、如何实现产品性能提升,滕冉认为可以借助器件结构优化与衬底材料创新的双轮驱动方式,这是国内企业的发展机会。

比亚迪半导体股份有限公司副总经理杨钦耀在接受《中国电子报》记者采访时表示:“更高的功率密度、开关频率、更小的导通压降、开关损耗、芯片尺寸、模块体积是未来IGBT的技术发展方向。”而在提升功率半导体产品性能的道路上,硅基器件则面临着上升极限。硅基材料本身的限制,使得半导体器件的功率水平和开关频率无法进一步提升。此时,SiC、GaN等宽禁带半导体材料便成为进一步提升的功率半导体性能的新赛道。

由于现阶段宽禁带半导体制备难度大、产能低、价格高,将主要用在车辆等对可靠性要求高的高附加值产品中,这些产品与“双碳”目标带来的新能源发电、电动汽车及充电桩、工业电控等众多领域的发展高度契合。此类行业对电源管理稳定性要求高、对功率半导体频率要求高,将成为宽禁带半导体布局的核心方向,国内IGBT行业将有机会借助宽禁带半导体实现“变道超车”。

宽禁带半导体当前制备难度大、良率低、价格高,对于那些对产品价格浮动敏感、附加值较低的产品,功率半导体性能的提升则可以从优化封装方式着手。采用更加先进的模块化封装,通过优化散热性能、提高结温等方式优化封装,从而提高模块的使用效率。

TrendForce集邦咨询分析师龚瑞骄在接受《中国电子报》记者采访时同样认为,国内企业具备在先进封装、宽禁带半导体等新材料方面实现超车的可能。他表示:“从产业特性来看,功率半导体属于特色工艺产品,更侧重于制程工艺、封装设计和新材料迭代,而不需要追赶摩尔定律,因此国内企业非常有机会后来居上。”

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