聯(lián)系我們
-
地址:深圳市寶安區(qū)松崗東方廣深路松崗段129號(大洋洲智能產(chǎn)業(yè)園F棟)
網(wǎng)址: sunnypsd.com
郵箱: sqe888@126.com
手機/QQ/微信: 18123980718
傳真: 0755- 27090266
風力發(fā)電成開拓新領地 功率器件領導廠商紛紛謀篇布局
內容
功率器件是電力電子器件的核心，特指轉換并控制電力的功率半導體器件。電力有直流電（DC）、交流電（AC）之分，存在電壓、電流大小和頻率的區(qū)別。電力轉換包括轉換一個或多個電壓、電流或頻率。“功率控制”指控制輸入和輸出的功率大小。核心是使用最小的輸入控制功率保證輸出功率的大小和時延。
全球功率器件市場規(guī)模
2018年全球功率器件市場規(guī)模為363億美元，同比增長11%，受益于折舊帶來的替換市場、電氣化程度加深帶來的新增市場以及供需格局帶來的價格增長，2016年-2018年全球功率器件市場增長迅速，但從2018年第四季度開始，半導體市場開始出現(xiàn)周期性下滑，2019年第一季度增速下滑的趨勢仍在延續(xù)。據(jù)Yole Développement相關測算，功率半導體市場在2019年、2020年由于價格的回落增長速度下降至5%、3%，在2021年以后由于物聯(lián)網(wǎng)應用的興起回升至4%的年化增長速度，至2022年實現(xiàn)約426億美元的市場規(guī)模。
從產(chǎn)品構成來看，目前在功率器件中最主要的產(chǎn)品是MOSFET、IGBT、二極管及整流橋。2017年，全球功率半導體市場規(guī)模超300億美元，其中MOSFET占比31%，IGBT占比19%，二極管及整流橋占比29%，其他占比21%。
MOSFET和IGBT為最常用的兩種功率半導體器件
功率半導體器件可以用來控制電路通斷，從而實現(xiàn)電力變換。一般將額定電流超過1A的半導體器件歸類為功率半導體器件，這類器件的阻斷電壓分布在幾伏到上萬伏。常見的功率半導體器件有金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管芯片（IGBT）及模塊、快恢復二極管（FRD）、垂直雙擴散金屬-氧化物場效應晶體管（VDMOS）、可控硅（SCR）、5英寸以上大功率晶閘管（GTO）、集成門極換流晶閘管（IGCT）等。
功率二極管是基礎性功率器件，結構簡單可靠性強，廣泛應用于工業(yè)、電子等各個領域，起到穩(wěn)壓、整流和開關的作用。二極管分為整流二極管，齊納二極管和高頻二極管。其中整流二極管和齊納二極管屬于功率半導體。整流二極管主要用作整流、開關、變換（肖特基二極管SBD）和逆變（快恢復二極管FRD）作用。
MOSFET：高頻率開關核心部件
MOSFET和IGBT是目前最常用的兩種功率半導體器件。金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），簡稱金氧半場效晶體管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。通過在柵極（G）上施加電壓，使得源極（S）和漏極（D）之間導通，當撤去電壓或施加負電壓，則使得源極（S）和漏極（D）之間斷開。N基極層是為了防止在關斷的情況下元件被高壓擊穿。因此需要承受的電壓越高，N基極層就越厚，電阻也就越大。
為了改善MOSFET的電壓耐受性，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在MOSFET的基礎上增加一層P+層，與N基極層形成了一個PN二極管。在關斷情況下，形成的PN結承受了絕大部份電壓，而結構中的MOSFET不需要承受高壓，因此提高了元件的耐壓性能。因此IGBT一般用在高壓功率產(chǎn)品上，電壓范圍一般600V-6500V；MOSFET應用電壓相對較低，從十幾伏到1000V。但是IGBT的延遲時間要大于MOSFET，因此IGBT應用在切換頻率低于25kHz的場景，而MOSFET可以應用于切換頻率大于100kHz的場景。
MOSFET是功率器件的細分產(chǎn)品之一，即MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。MOSFET功率器件是電能轉換和控制的核心半導體器件。MOSFET功率器件工作速度快，故障率低，開關損耗小，擴展性好。適合低壓、大電流的環(huán)境，要求的工作頻率高于其他功率器件。
據(jù)HIS統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，MOSFET市場主要份額被英飛凌占據(jù)，其所有產(chǎn)品綜合占率27%，第二、三位分別是安森美13%和瑞薩9%。而在價值量高的高壓MOSFET領域，英飛凌更是以36%的市占率領先所有對手。
IGBT：高壓高頻率電力電子的“心臟”
IGBT作為一種新型電力電子器件，是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動化領域的核心元器件，其作用類似于人類的心臟，能夠根據(jù)工業(yè)裝置中的信號指令來調節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現(xiàn)精準調控的目的。
自20世紀80年代末開始工業(yè)化應用以來發(fā)展迅速，IGBT不僅在工業(yè)應用中取代了MOSFET和GTR，甚至已擴展到SCR及GTO占優(yōu)勢的大功率應用領域，還在消費類電子應用中取代了BJT、MOSFET等功率器件的許多應用領域。
按照工作電壓的不同，IGBT在650V-6500V的電壓范圍內的各類應用場景廣泛應用。其中，工業(yè)IGBT應用一般為650V、1200V和6500V級別；新能源汽車和家電IGBT應用一般為650V和1200V級別；新能源發(fā)電IGBT應用一般為1200V和1700V級別；軌道交通所使用的IGBT電壓在3300V-6500V之間。
資料顯示，在全球IGBT市場中，英飛凌、三菱和富士電機處于領先位置，安森美主要集中在600V以下的低壓消費電子行業(yè)，而1700V以上中高壓的高鐵、汽車、智能電網(wǎng)等領域，基本被英飛凌、ABB和三菱產(chǎn)品壟斷。
IGBT技術演化路線：微型化與高功率成為趨勢
自20世紀80年代IGBT開啟工業(yè)化應用以來，IGBT技術經(jīng)歷了豐富的技術演變，涌現(xiàn)出六代不同的技術方案，但這些方案主要由英飛凌、三菱電機和富士電機等廠商主導。
在英飛凌、富士電機、ABB等廠商的推動下，IGBT的結構設計仍在不斷突破和創(chuàng)新，并涌現(xiàn)出了P-ring TS+Trench、超級結和SiC IGBT等全新技術，推動IGBT應用和市場的持續(xù)發(fā)展。
同時，IGBT的制造工藝也在持續(xù)革新，IGBT產(chǎn)品的差異化和性能的提升有賴于摻雜、擴散和薄片加工等多種工藝的應用，相關工藝的技術壁壘較高，制造技術也成為實現(xiàn)IGBT創(chuàng)新的關鍵。
風電行業(yè)IGBT功率器件產(chǎn)品
IGBT功率器件——風機平穩(wěn)運行之“芯”
風電起源于歐洲，當前在中國正蓬勃發(fā)展。通常風電設備需要以20-25年為運行生命周期，這對風機設備核心部件的可靠性提出了很高的要求，尤其是身處環(huán)境更惡劣的海上風電。
IGBT模塊作為風機能量轉換的心臟，通過一次次的脈動，將葉片捕獲的風能，在風電變流器里變換成電能，源源不斷地注入電網(wǎng)。因葉片的旋轉，對IGBT都是一次次功率循環(huán)，足夠強大的功率循環(huán)次數(shù)，也就是IGBT PC（Power Cycling）壽命，是完成海上風電漫長25年服役的基礎，是長期穩(wěn)定高效發(fā)電的保障，從而降低風電場度電成本，度電成本公式為：
同樣，不同地域海上風電的年度風速譜線走勢不盡相同。當風速逐漸增加甚至風機滿功率額定運行時，變流器和IGBT模塊都要全力以赴并經(jīng)歷嚴峻的高負荷考驗。下圖展示了某風場的全年風速分布概況，橫軸代表風速，縱軸代表風速概率密度函數(shù)。由圖可知，低風速占比較高，比如風速7m/s以下。高風速雖然占比較小，但是其對變流器和IGBT模塊的PC壽命影響很大。
某風場全年風速分布概況
對于海上風機，如果IGBT模塊在變流器中無法承受海上多次、長期的強風而失效，無法滿足20-25年的壽命要求，則風電場業(yè)主將很可能面臨中途更換變流器功率組件（IGBT模塊是功率組件的核心器件）的困境，從而增加風電場全生命周期的運維成本和由于停機更換備件而導致的發(fā)電量損失。因此，降低運維成本和提高發(fā)電量是提升海上風電場效益的關鍵措施。降低運維成本：高可靠，大功率IGBT模塊可以減少IGBT模塊及其附件（PCB板，驅動器，線纜等）數(shù)量，提高變流器的MTBF。提升發(fā)電量：MTBF提升，風機運行時間延長，發(fā)電損失減少。為此，針對風電嚴苛的工作環(huán)境和條件，功率器件廠商紛紛推出IGBT器件明星產(chǎn)品。
IGBT功率器件領導廠商動向
作為功率半導體行業(yè)的領導者，英飛凌（Infineon Technologies）是市場上較少提供覆蓋硅、碳化硅和氮化鎵等材料的全系列功率產(chǎn)品的企業(yè)，其擁有高性價比的第七代CoolMOS™、基于第三代寬禁帶半導體的高性能CoolSiC™與CoolGaN™、以及支持更高頻率應用的第六代OptiMOS™等豐富產(chǎn)品組合，從芯片技術層面提升電源效率。
2014年8月，英飛凌以30億美元現(xiàn)金并購美國國際整流器公司（International Rectifier），憑借此收購使得其高功率芯片與國際整流器公司的低功率高效芯片業(yè)務實現(xiàn)良好互補，也因此其市場份額在2015年出現(xiàn)大飛躍，進一步穩(wěn)固英飛凌在功率半導體全球市場的領先地位。
2015年6月，英飛凌推出新一代PrimePACK™功率模塊。據(jù)悉，IGBT5和創(chuàng)新的.XT技術結合，是IGBT芯片和模塊技術發(fā)展的一個重要里程碑。英飛凌的PrimePACK™功率模塊采用了IGBT5芯片和XT模塊工藝技術。XT技術涉及到了芯片正面的鍵合線、芯片背面的焊接(芯片至DCB)和DCB(直接鍵合銅)至基板的焊接等多項IGBT封裝關鍵技術點。XT技術的應用使得IGBT模塊靜態(tài)和動態(tài)損失更低，并具有更強的熱量和功率循環(huán)功能，操作溫度高達175℃。通過增強熱管理和功率循環(huán)周次，產(chǎn)品功率密度提高25%，使用壽命延長10倍。因此，當時推出PrimePACK™模塊成為了風電等應用大部分高功率逆變的絕佳選擇。
PrimePACK™2 IGBT5/.XT 內部示意圖：芯片銅金屬化，銅綁定線
作為新一代產(chǎn)品家族的明星—英飛凌PrimePACK™IGBT5/.XT，采用PrimePACK™2和PrimePACK™3+封裝，功率密度首屈一指，可輕松實現(xiàn)10MW 690V全功率變流器，且是690V（兩電平）和1140V（三電平）大功率海上風電變流器的又一力作。
在環(huán)保意識日益增強的大環(huán)境下，可再生能源來源對于清潔能源的需求在全球范圍內不斷增長。在世界范圍內，許多國家和地區(qū)正在興建越來越多的大規(guī)模風力發(fā)電廠，尤其是歐洲和中國。據(jù)GWEC數(shù)據(jù)預測，風力發(fā)電的全球市場總量2018年增長591GW，并在2023年前以每年8%的速度增長。
作為全球功率器件領導廠商之一，富士電機早在十多年前就涉足風電領域，和知名變流器廠商開展合作。隨著中國風電市場的發(fā)展壯大以及變流器國產(chǎn)化的不斷深化，目前國內外風電變流器的主流廠家大部分都在批量采用其功率器件代表性產(chǎn)品——IGBT模塊，主要應用在風電變流器主機和變槳控制系統(tǒng)上。
2015年富士電機推出了650伏和1,200伏電壓等級的第7代X系列IGBT模塊，為各類設備和工廠的節(jié)能和穩(wěn)定電力供應做支持，其中包括空調和電機控制逆變器、UPS和PCS。此后富士電機產(chǎn)品線持續(xù)擴容，旨在進一步提升第7代X系列IGBT模塊的銷售額。為此，2019年8月富士電機增加了1,700伏電壓等級產(chǎn)品線陣容，劍指規(guī)模巨大的風力發(fā)電市場。
富士電機第7代X系列1,700伏電壓等級
據(jù)悉，富士電機第七代產(chǎn)品，IGBT和FWD的晶圓越來越薄，IGBT表層結構越來越精細。相較于常規(guī)產(chǎn)品（第六代V系列），它可以使逆變器運行時產(chǎn)生的功率損耗降低約10%。同時，它也能幫助節(jié)約整機設備的能源和電力成本。該模塊應用了一種新開發(fā)的絕緣基板以提高散熱性能。由于損耗的降低，另外該基板也可提高散熱，從而將連續(xù)最高操作結溫從常規(guī)的150℃提高到175℃。在整機設備尺寸不變的情況下，輸出電流最高可增加30%。這有助于減小設備尺寸并降低總成本。模塊的結構和使用材料都進行了反復評估以提高在高溫操作中的穩(wěn)定性和耐久性。這一點有助于提高整機設備的可靠性。同時，據(jù)了解，富士電機IGBT芯片從第5代開始就采用溝槽柵的結構，后續(xù)結合場終止技術,產(chǎn)品將具有低損耗、低電磁干擾、小型化和高可靠性等優(yōu)點。
與富士電機一樣，三菱電機（Mitsubishi Electric）也是日本另一世界級功率半導體領導廠商。在三菱電機集團整體業(yè)務中，工業(yè)自動化和能源與電力系統(tǒng)兩個板塊在2017年市場銷售額中占比和超過50%。功率元器件隸屬于三菱電機電子元器件事業(yè)部，雖然占比不大，但卻是支撐集團旗下產(chǎn)品的其中一個重要的核心部件，功率元器件行業(yè)的核心正是IGBT芯片。
據(jù)悉，在新能源發(fā)電尤其是風力發(fā)電領域，三菱電機半導體（以下簡稱“三菱電機”）于2018年推出基于LV100封裝的新型IGBT模塊，其兼具提升風電變流器的功率密度和性能價格比；2019年針對高可靠性變流器等應用領域，三菱電機又推出功率密度更高的X系列HVIGBT，涵蓋傳統(tǒng)封裝、LV100封裝(6kV絕緣耐壓)、HV100封裝(10kV絕緣耐壓)三種封裝模式。
以風電變流器等為代表的應用需要大功率密度、高可靠性、可擴展功率范圍的標準化1200V和1700V功率模塊。為了滿足這些要求，三菱電機推出基于廣為熟知的HVIGBT LV100模塊的外形和內部布局理念開發(fā)了工業(yè)LV100封裝模塊。這一理念之所以令人信服，是因為它不但基于標準化封裝外形設計，同時還能夠具有最高的功率密度、易于并聯(lián)的可擴展性、低雜散電感、適用于高速開關器件(如SiC MOSFET)以及具有優(yōu)異的均流特性。結合最新的第7代IGBT和二極管高效芯片以及無熱循環(huán)失效SLC封裝技術，LV100模塊提供了最佳的整體性能。在1700V等級中，LV100模塊實現(xiàn)了1200A的額定電流�？紤]其緊湊的封裝面積僅為144×100mm2，這代表了杰出的電流密度。
三菱電機全新工業(yè)級LV100封裝功率模塊
三菱電機X系列HVIGBT進一步擴展3.3kV/4.5kV/6.5kV的電流等級，實現(xiàn)更大電流密度，該產(chǎn)品采用第7代CSTBTTM硅片技術和RFC二極管硅片技術，能夠降低功率損耗。此外，該產(chǎn)品采用LNFLR技術減小結-殼熱阻，全系列運行結溫范圍達到-50℃~150℃，安全工作區(qū)(SOA)裕量大，且無Snap-off反向恢復。通過優(yōu)化封裝內部結構，X系列HVIGBT提高散熱性、耐濕性和阻燃性，延長產(chǎn)品壽命。該系列采用傳統(tǒng)封裝，可兼容現(xiàn)有H系列和R系列HVIGBT，其中，LV100和HV100封裝，交直流分開的主端子布局，利于并聯(lián)應用；LV100和HV100封裝，全新的封裝結構，實現(xiàn)極低內部雜散電感。
目前，三菱電機主營功率器件包括IGBT、IPM、MOSFET和SiC等器件。由于增量市場需求持續(xù)擴大，三菱電機也在積極拓展產(chǎn)能。2020年6月，三菱電機株式會社宣布將收購夏普福山半導體有限公司的廠房和土地，該公司為夏普公司在日本廣島福山的全資子公司。收購后的廠房將用于加工三菱電機功率半導體器件生產(chǎn)所需的晶圓。新生產(chǎn)基地計劃在2021年11月投入運營。
總結：風電資本投入增加助推功率器件需求擴張
風電發(fā)電的逆變設備，可將蓄電池中的DC 12V直流電轉換為可并入市電的AC 220V交流電。逆變器主要是有MOS場效應管與電源變壓器為核心，通過模擬電路技術連接的。同時，在智能電網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)，整流器、逆變器和特高壓直流輸電中的FACTS柔性輸電技術都需要大量使用IGBT等功率器件。
隨著風電項目建設方案正式落地，2020-2025年我國陸上風電市場將逐步轉向以平價項目、分散式風電項目和換新項目為主。由于風電機組的壽命普遍為20-25年，2025年以后我國陸上風電有望借助大規(guī)模換新回暖。此外，風電運維市場規(guī)模的不斷擴大，這些都將為功率器件行業(yè)的未來成長提供有力支撐。