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产业分析

切入能源电子赛道,基础元器件亟待换挡升级

为推动能源电子成为实现碳达峰碳中和的关键力量,近日,工业和信息化部等六部门联合发布《关于推动能源电子产业发展的指导意见》(以下简称《指导意见》)。《指导意见》将功率半导体器件、敏感元件及传感类器件等视为发展能源电子的关键信息技术产品,同时给出了相关发展建议。

对于能源电子产业而言,功率半导体与传感类器件就像建造摩天大楼的砖瓦,前者决定了能源转换效率,后者影响到能源管理智能化水平。赛迪顾问集成电路研究中心研究员杨俊刚在接受《中国电子报》记者采访时表示,在能源电子应用中,高品质功率半导体能够更好地提升能量转换效率;传感器的主要功能是监测、控制位置、温度、湿度、图像、加速度及电磁等信息,,可保证系统高效稳定运行。

提高国产功率半导体产能

将直流电转化为交流电,是光伏、风电等新型能源在使用过程中的必要过程,逆变模块便是实现这一过程的必要器件。这一过程转化效率的高低,直接影响到能源利用效率和各新能源发电站的现实收益。杨俊刚称,目前全球电能的有效转化率为80%,还有很大部分的能量损耗。而逆变模块中功率半导体器件的品质,可直接关系到能源的转化效率。

当前,市面上用于直流电转化为交流电的功率半导体器件主要有三种:硅基IGBT最为常用,市场占有率最高;碳化硅MOSFET正在逐渐进入市场;氮化镓HEMT作为未来可能会替代硅基IGBT和碳化硅MOSFET的新型产品,仍处于试用阶段。从当前已量产产品的市场占有率来看,能源转化效率较高的产品仍多来自海外大厂。国内厂商如斯达半导、株洲中车、比亚迪半导体等在硅基IGBT领域已有一定市场份额,但在碳化硅MOSFET领域,国产产品仅有零散出货,表现并不特别突出。

当前国产功率半导体产品市占率低的主要原因是在电路设计和制造工艺上与海外大厂相比仍存在差距,在许多产品的技术参数上仍不如海外产品。在当前情况下,要发展我国能源电子产业,芯谋研究总监李国强认为,国内功率半导体企业需要在加大研发投入和扩大产能两方面同时开攻。

近两年,国内功率半导体企业已经在逐步扩充产能。2022年10月,华润微电子深圳12英寸项目开工,预计2024年年底实现通线投产,满产后形成年产48万片12英寸功率芯片的生产能力。2023年1月,华虹半导体及其全资子公司华虹宏力、国家集成电路产业基金二期、无锡市实体订立合营协议,将合营公司注册资本增至40.2亿美元,从事65/55nm至40nm工艺的12英寸晶圆的制造及销售。以大功率IGBT模块、MOSFET IPM模块和其他系统级集成封装为主营业务的中芯绍兴二期项目将投资61.3亿元,实施项目扩产,预计产能将提升至每月10万片。

在李国强看来,用于能源电子的功率半导体品类集中、用量大,存在较大的增长空间,当前仍可继续扩张其产能,鼓励厂商加大研发投入,提高产品制造工艺和设计能力,同时鼓励终端产品支持国产功率半导体,以逐步提升国内功率产品的市场份额。

丰富传感器产品类型

相较于功率半导体器件,用于能源电子产业的传感类器件具有种类庞杂的特点。《指导意见》指出,要“发展小型化、低功耗、集成化、高灵敏度的敏感元件,集成多维度信息采集能力的高端传感器,新型MEMS传感器和智能传感器,突破微型化、智能化的电声器件和图像传感器件。”

而之所以要发展此类器件,与电网系统智能化的发展趋势密切相关:为提升能源系统的能源利用效率,电力行业正在进行智能化改造。在发电环节,利用智能传感器进行优化,可提高单位时间内的发电效率。举个简单的例子,将感光传感器安装在光伏太阳能电池板上,让电池板根据当天日照情况调整角度,便可提升其单位时间内发电量。在能源管理环节,电力行业正在逐渐改变原本粗放化的管理方式,管理系统的智能化程度对于能源管理效果来说更加重要。多维度信息采集能力、电量整体调配能力影响到整个电网系统的能源利用效率,也需要基于智能传感器的信息采集高准确度。

长期以来,电力网络管理系统建设智能化程度较低,用于该领域的传感器数量少,使得国内该领域的传感器技术发展相对滞后。加之传感器市场本身存在单件产品附加值低、产品类型多样化的特点,国内生产企业大多规模较小,覆盖到的产品类型也较为有限。相比之下,海外大厂的产品类型则更为丰富,其资产规模也更大。

汉威科技集团研究院常务副院长武传伟在接受《中国电子报》记者采访时亦表示,传感器领域存在行业松散、体系不全、检测认证机构稀缺等问题。

为解决此类问题,李国强认为,应该发挥规模效益。一方面,鼓励设计公司提高产品质量和性能,在把握国内市场的基础上开拓全球市场,进而实现以高营收支持企业长期发展;另一方面,为拓展企业产品类型,降低单一企业研发成本,鼓励企业通过合作、并购等方式组成更大的经济实体,从而提高公司整体效益。

制定标准,系统调控

“如果能源管理是离散的,没有完整的体系、统一的标准,则能源管理效果无从谈起。” 中国传感器与物联网产业联盟常务副理事长郭源生在接受《中国电子报》记者采访时表达了这样的观点,“相关部门应当从能源信息化问题入手,针对能源产生、输送、管理和使用四个环节,进行系统性诊断,分析与判断,提供完整的信息化战略定位与顶层设计,以问题为导向,制定全产业链技术创新方案与智能化发展路线图,避免形成新的信息‘孤岛化’、‘碎片化’问题,以实现基础产业发展的市场有效性和技术创新的可持续性。”

对于能源电子相关功率半导体与传感器产业来说,同样要保持系统思维,以目标为导向,协调各方发展。以功率半导体产业为例,当前高品质功率半导体产品国产化率低是业界公认的现存问题。提高国内产品产量仅能够解决供应的问题,而要提高终端市场对国产功率半导体产品的认可度,还需要借助给予终端厂商相应补贴等措施,提高其对国内产品的信心,从而为国内产品迭代提供更多空间。

在郭源生看来,行业主管部门作为协调者、管理者,要对能源的数字化信息化进行明确的战略定位和顶层设计,同时要建立系统规范的标准体系,从而指导企业进行有序的、科学的、精准的面向市场的创新。标准不统一是以传感器为代表的行业最为突出的问题,给行业发展带来很大阻力。因此,郭源生认为应该在明确市场战略定位的基础上,联合政府部门与相关企业,制定技术路线与技术标准,制定产品目录清单。由此,既可以给优质产品以认证肯定,又可以将不符合标准的、劣质的产品“拒之门外”。

《指导意见》涉及多种类型的元器件,覆盖推进重点终端市场应用、高度重视产业安全规范和有序发展、强化组织保障措施等多个方面。郭源生强调,《指导意见》为推动能源产业与电子信息产业深度融合与协同发展提供了政策性指导,在《指导意见》具体落地时,相关部门要发挥好主体作用和协同作用,避免在政策设计、标准制定与完善、产业化应用和市场对接中的错位、和缺失问题。

责任编辑:姬晓婷


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