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小小功率器件,節能減碳大幫手

光伏/風能發電儲能系統、電動汽車及充電樁、工業變頻控制系統……諸多節能降碳應用成為實現碳達峰碳中和目標的利器。而在上述應用的電子電力系統中發揮功耗控制作用的,就是小小的功率半導體器件。

小體積,大功效

功率半導體是實現電能轉換的核心器件,能夠對電壓電流的運用進行有效控制,通過開關狀態的變化,實現逆變、整流、變頻等多種功能,控制電子電力系統的能量輸出,將整個電子電力系統的能耗控制在最低范圍內,從而達到對能量的合理管理,降低能耗,減少碳排放。

功率半導體器件的不同結構決定著其不同的開關頻率、功率水平和擊穿場強,因此也決定著不同類型功率半導體的使用場景。IGBT、MOSFET是當前市面上最常見的功率半導體器件。由于所需驅動功率小、開關速度快,硅基的MOSFET在600V以下的應用中占據主流。由于導通損耗低、開關速度較快、耐壓等級高、工作結溫高、驅動方便,硅基的IGBT占據了600V~6500V高壓應用市場。

基于其結構和功能的特性,功率半導體已經成為發電、輸配電、用電等多個領域的核心器件。例如在發電的光伏逆變器、風電變流器等設備,在輸配電領域的直流換流閥、交直流斷路器等設備,用電領域的電動汽車電驅、電力機車電驅、充電樁、儲能換流器、工業變頻器或變流器等設備中,功率半導體均發揮著突出作用。

此外,功率半導體還為節能降碳帶來了新的發展空間。賽晶科技集團有限公司董事長項頡在接受《中國電子報》記者采訪時表示:“功率半導體能夠創造新的電能生產和應用方式,比如電動汽車、風力發電、光伏發電、工業和民用領域電氣化,從而減少化石能源的使用;功率半導體的使用可以提高能源效率,比如變頻節能、直流輸電,從而節約能源損耗?!?/p>

IGBT成主流

IGBT具備包括輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度快、通態電流大、導通壓降低、損耗小等諸多優點,因此在當前市場環境中具有絕對優勢。

IGBT是一個非通即斷的開關器件,通過柵源極電壓的變化控制其關斷狀態,能夠根據信號指令來調節電壓、電流、頻率、相位等,以達到精準調控的目的。因此,IGBT成為當前功率半導體市場最主流的器件,在新能源發電、電動汽車及充電樁、電氣化船舶、直流輸電、儲能、工業電控和節能等眾多領域均有廣泛應用。

然而,掌握全球IGBT份額的仍主要為海外頭部廠商,英飛凌、三菱和富士,三家巨頭蠶食掉IGBT市面上70%的份額。國內IGBT廠商雖已有布局,但要實現技術與市場的進一步躍遷,還存在較大的挑戰。賽迪顧問集成電路中心負責人滕冉在接受《中國電子報》記者采訪時表示,IGBT的技術路線一直由英飛凌引導,當前英飛凌的產品已發展到第七代,而國內的IGBT技術現在僅能達到英飛凌第四代和第五代水平。

為盡快縮短與海外先進水平之間的差距,國內的功率半導體廠商加緊布局IGBT賽道,正努力提升其產品性能、拓展其市場空間。在國內的功率半導體企業中,比亞迪半導體、華潤微電子、士蘭微電子、斯達半島等企業的表現較為突出。

比亞迪半導體已布局IGBT的全產業鏈產品,在汽車領域的表現出色,占到國內新能源汽車市場份額的18%~20%。嘉興斯達半導起步較早,2008年開始起步,技術起點比較高,當前已具備600V/650V/1200V/1700V/3300V等多種規格IGBT模塊產品,又有MOSFET、IPM、FRD/整流模塊、晶閘管等多種類型產品,產品類型較為豐富。此外,株洲中車時代在智能電網、汽車、新能源電控等領域做了規劃,其市場約占整個汽車市場的1%左右,具備很大的發展空間。此外,華潤微和士蘭微也將IGBT作為產品線中的一支進行布局。

雙輪驅動 優化封裝與應用寬禁帶半導體

我國擁有全球最大的功率半導體市場,在約500億美元的全球功率半導體市場中,國內市場貢獻了35%~40%的份額?!笆奈濉逼陂g,以云計算、移動互聯、大數據、人工智能為代表的新一代信息技術演進,將對電源管理產品產生更大量的需求?!疤歼_峰”、“碳中和”目標的提出,新能源發電、電動汽車及充電樁、工業電控等眾多領域進入快速發展,將帶動IGBT、MOSFET產業的增長。

對于國內企業而言,日益擴大的國內市場,無疑為其發展提供了更為廣闊的發展空間。而關于如何抓住市場增長機會、如何借勢實現產業突破、如何實現產品性能提升,滕冉認為可以借助器件結構優化與襯底材料創新的雙輪驅動方式,這是國內企業的發展機會。

比亞迪半導體股份有限公司副總經理楊欽耀在接受《中國電子報》記者采訪時表示:“更高的功率密度、開關頻率、更小的導通壓降、開關損耗、芯片尺寸、模塊體積是未來IGBT的技術發展方向?!倍谔嵘β拾雽w產品性能的道路上,硅基器件則面臨著上升極限。硅基材料本身的限制,使得半導體器件的功率水平和開關頻率無法進一步提升。此時,SiC、GaN等寬禁帶半導體材料便成為進一步提升的功率半導體性能的新賽道。

由于現階段寬禁帶半導體制備難度大、產能低、價格高,將主要用在車輛等對可靠性要求高的高附加值產品中,這些產品與“雙碳”目標帶來的新能源發電、電動汽車及充電樁、工業電控等眾多領域的發展高度契合。此類行業對電源管理穩定性要求高、對功率半導體頻率要求高,將成為寬禁帶半導體布局的核心方向,國內IGBT行業將有機會借助寬禁帶半導體實現“變道超車”。

寬禁帶半導體當前制備難度大、良率低、價格高,對于那些對產品價格浮動敏感、附加值較低的產品,功率半導體性能的提升則可以從優化封裝方式著手。采用更加先進的模塊化封裝,通過優化散熱性能、提高結溫等方式優化封裝,從而提高模塊的使用效率。

TrendForce集邦咨詢分析師龔瑞驕在接受《中國電子報》記者采訪時同樣認為,國內企業具備在先進封裝、寬禁帶半導體等新材料方面實現超車的可能。他表示:“從產業特性來看,功率半導體屬于特色工藝產品,更側重于制程工藝、封裝設計和新材料迭代,而不需要追趕摩爾定律,因此國內企業非常有機會后來居上?!保ㄓ浾?姬曉婷)

責任編輯:Rex_10

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