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半导体

信息技术助力碳中和:功率半导体看过来

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,控制对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。晶闸管、IGBT、MOSFET是当前市面上最常见的三类功率半导体器件。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。

功率半导体4.png

基于其具备的结构和功能,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。例如用于发电的光伏逆变器、风电变流器等设备,用于输配电领域的直流换流阀、交直流断路器、统一潮流控制器设备,用电领域的电动汽车电驱、电力机车电驱设备、充电桩、储能换流器、工业变频器或变流器等设备中,均是功率半导体发挥着突出作用。作为用以控制功率的器件,降低能耗、提升能源转化效率本身即为功率半导体器件发展的主要方向。

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,国内厂商奋起直追

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,以实现精准调控的目的, 

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,掌握着全球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博士在接受《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四代、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布局。

双轮驱动:优化封装与应用宽禁带半导体

功率半导体1.jpg

数据来源:英飞凌中国IGBT慕课

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的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,成为宽禁带半导体布局的核心方向。借助双碳目标带来的新能源电力、电动汽车、工业电气化等降低碳排放产业的极大的促进,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。”

责任编辑:姬晓婷


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