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風(fēng)力發(fā)電成開拓新領(lǐng)地 功率器件領(lǐng)導(dǎo)廠商紛紛謀篇布局
英文內(nèi)容
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(jià)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(dǎo)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(guān)測算，功率半導(dǎo)體市場在2019年、2020年由于價(jià)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(yīng)用的興起回升至4%的年化增長速度，至2022年實(shí)現(xiàn)約426億美元的市場規(guī)模。
從產(chǎn)品構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)體器件
功率半導(dǎo)體器件可以用來控制電路通斷，從而實(shí)現(xiàn)電力變換。一般將額定電流超過1A的半導(dǎo)體器件歸類為功率半導(dǎo)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(dǎo)體器件有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管芯片（IGBT）及模塊、快恢復(fù)二極管（FRD）、垂直雙擴(kuò)散金屬-氧化物場效應(yīng)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(chǔ)性功率器件，結(jié)構(gòu)簡單可靠性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電子等各個(gè)領(lǐng)域，起到穩(wěn)壓、整流和開關(guān)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(dǎo)體。整流二極管主要用作整流、開關(guān)、變換（肖特基二極管SBD）和逆變（快恢復(fù)二極管FRD）作用。
MOSFET：高頻率開關(guān)核心部件
MOSFET和IGBT是目前最常用的兩種功率半導(dǎo)體器件。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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(dǎo)通，當(dāng)撤去電壓或施加負(fù)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(guān)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(chǔ)上增加一層P+層，與N基極層形成了一個(gè)PN二極管。在關(guān)斷情況下，形成的PN結(jié)承受了絕大部份電壓，而結(jié)構(gòu)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(yīng)用電壓相對較低，從十幾伏到1000V。但是IGBT的延遲時(shí)間要大于MOSFET，因此IGBT應(yīng)用在切換頻率低于25kHz的場景，而MOSFET可以應(yīng)用于切換頻率大于100kHz的場景。
MOSFET是功率器件的細(xì)分產(chǎn)品之一，即MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場效應(yīng)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(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場效應(yīng)晶體管。MOSFET功率器件是電能轉(zhuǎn)換和控制的核心半導(dǎo)體器件。MOSFET功率器件工作速度快，故障率低，開關(guān)損耗小，擴(kuò)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(jì)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(jià)值量高的高壓MOSFET領(lǐng)域，英飛凌更是以36%的市占率領(lǐng)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(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動(dòng)化領(lǐng)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(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的。
自20世紀(jì)80年代末開始工業(yè)化應(yīng)用以來發(fā)展迅速，IGBT不僅在工業(yè)應(yīng)用中取代了MOSFET和GTR，甚至已擴(kuò)展到SCR及GTO占優(yōu)勢的大功率應(yīng)用領(lǐng)域，還在消費(fèi)類電子應(yīng)用中取代了BJT、MOSFET等功率器件的許多應(yīng)用領(lǐng)域。
按照工作電壓的不同，IGBT在650V-6500V的電壓范圍內(nèi)的各類應(yīng)用場景廣泛應(yīng)用。其中，工業(yè)IGBT應(yīng)用一般為650V、1200V和6500V級別；新能源汽車和家電IGBT應(yīng)用一般為650V和1200V級別；新能源發(fā)電IGBT應(yīng)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(jī)處于領(lǐng)先位置，安森美主要集中在600V以下的低壓消費(fèi)電子行業(yè)，而1700V以上中高壓的高鐵、汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，基本被英飛凌、ABB和三菱產(chǎn)品壟斷。
IGBT技術(shù)演化路線：微型化與高功率成為趨勢
自20世紀(jì)80年代IGBT開啟工業(yè)化應(yīng)用以來，IGBT技術(shù)經(jīng)歷了豐富的技術(shù)演變，涌現(xiàn)出六代不同的技術(shù)方案，但這些方案主要由英飛凌、三菱電機(jī)和富士電機(jī)等廠商主導(dǎo)。
在英飛凌、富士電機(jī)、ABB等廠商的推動(dòng)下，IGBT的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍在不斷突破和創(chuàng)新，并涌現(xiàn)出了P-ring TS+Trench、超級結(jié)和SiC IGBT等全新技術(shù)，推動(dòng)IGBT應(yīng)用和市場的持續(xù)發(fā)展。
同時(shí)，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(kuò)散和薄片加工等多種工藝的應(yīng)用，相關(guān)工藝的技術(shù)壁壘較高，制造技術(shù)也成為實(shí)現(xiàn)IGBT創(chuàng)新的關(guān)鍵。
風(fēng)電行業(yè)IGBT功率器件產(chǎn)品
IGBT功率器件——風(fēng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行之“芯”
風(fēng)電起源于歐洲，當(dāng)前在中國正蓬勃發(fā)展。通常風(fēng)電設(shè)備需要以20-25年為運(yùn)行生命周期，這對風(fēng)機(jī)設(shè)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(fēng)電。
IGBT模塊作為風(fēng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換的心臟，通過一次次的脈動(dòng)，將葉片捕獲的風(fēng)能，在風(fēng)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(zhuǎn)，對IGBT都是一次次功率循環(huán)，足夠強(qiáng)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(fēng)電漫長25年服役的基礎(chǔ)，是長期穩(wěn)定高效發(fā)電的保障，從而降低風(fēng)電場度電成本，度電成本公式為：
同樣，不同地域海上風(fēng)電的年度風(fēng)速譜線走勢不盡相同。當(dāng)風(fēng)速逐漸增加甚至風(fēng)機(jī)滿功率額定運(yùn)行時(shí)，變流器和IGBT模塊都要全力以赴并經(jīng)歷嚴(yán)峻的高負(fù)荷考驗(yàn)。下圖展示了某風(fēng)場的全年風(fēng)速分布概況，橫軸代表風(fēng)速，縱軸代表風(fēng)速概率密度函數(shù)。由圖可知，低風(fēng)速占比較高，比如風(fēng)速7m/s以下。高風(fēng)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(fēng)場全年風(fēng)速分布概況
對于海上風(fēng)機(jī)，如果IGBT模塊在變流器中無法承受海上多次、長期的強(qiáng)風(fēng)而失效，無法滿足20-25年的壽命要求，則風(fēng)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(fēng)電場全生命周期的運(yùn)維成本和由于停機(jī)更換備件而導(dǎo)致的發(fā)電量損失。因此，降低運(yùn)維成本和提高發(fā)電量是提升海上風(fēng)電場效益的關(guān)鍵措施。降低運(yùn)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(qū)動(dòng)器，線纜等）數(shù)量，提高變流器的MTBF。提升發(fā)電量：MTBF提升，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間延長，發(fā)電損失減少。為此，針對風(fēng)電嚴(yán)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(lǐng)導(dǎo)廠商動(dòng)向
作為功率半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)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(jià)比的第七代CoolMOS™、基于第三代寬禁帶半導(dǎo)體的高性能CoolSiC™與CoolGaN™、以及支持更高頻率應(yīng)用的第六代OptiMOS™等豐富產(chǎn)品組合，從芯片技術(shù)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(wù)實(shí)現(xiàn)良好互補(bǔ)，也因此其市場份額在2015年出現(xiàn)大飛躍，進(jìn)一步穩(wěn)固英飛凌在功率半導(dǎo)體全球市場的領(lǐng)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(shù)結(jié)合，是IGBT芯片和模塊技術(shù)發(fā)展的一個(gè)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(shù)。XT技術(shù)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(xiàng)IGBT封裝關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。XT技術(shù)的應(yīng)用使得IGBT模塊靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損失更低，并具有更強(qiáng)的熱量和功率循環(huán)功能，操作溫度高達(dá)175℃。通過增強(qiáng)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(dāng)時(shí)推出PrimePACK™模塊成為了風(fēng)電等應(yīng)用大部分高功率逆變的絕佳選擇。
PrimePACK™2 IGBT5/.XT 內(nèi)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(shí)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(fēng)電變流器的又一力作。
在環(huán)保意識日益增強(qiáng)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(nèi)不斷增長。在世界范圍內(nèi)，許多國家和地區(qū)正在興建越來越多的大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電廠，尤其是歐洲和中國。據(jù)GWEC數(shù)據(jù)預(yù)測，風(fēng)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(lǐng)導(dǎo)廠商之一，富士電機(jī)早在十多年前就涉足風(fēng)電領(lǐng)域，和知名變流器廠商開展合作。隨著中國風(fēng)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(nèi)外風(fēng)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(yīng)用在風(fēng)電變流器主機(jī)和變槳控制系統(tǒng)上。
2015年富士電機(jī)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(shè)備和工廠的節(jié)能和穩(wěn)定電力供應(yīng)做支持，其中包括空調(diào)和電機(jī)控制逆變器、UPS和PCS。此后富士電機(jī)產(chǎn)品線持續(xù)擴(kuò)容，旨在進(jìn)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(jī)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(fēng)力發(fā)電市場。
富士電機(jī)第7代X系列1,700伏電壓等級
據(jù)悉，富士電機(jī)第七代產(chǎn)品，IGBT和FWD的晶圓越來越薄，IGBT表層結(jié)構(gòu)越來越精細(xì)。相較于常規(guī)產(chǎn)品（第六代V系列），它可以使逆變器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的功率損耗降低約10%。同時(shí)，它也能幫助節(jié)約整機(jī)設(shè)備的能源和電力成本。該模塊應(yīng)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(jié)溫從常規(guī)的150℃提高到175℃。在整機(jī)設(shè)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(shè)備尺寸并降低總成本。模塊的結(jié)構(gòu)和使用材料都進(jìn)行了反復(fù)評估以提高在高溫操作中的穩(wěn)定性和耐久性。這一點(diǎn)有助于提高整機(jī)設(shè)備的可靠性。同時(shí)，據(jù)了解，富士電機(jī)IGBT芯片從第5代開始就采用溝槽柵的結(jié)構(gòu)，后續(xù)結(jié)合場終止技術(shù),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(diǎn)。
與富士電機(jī)一樣，三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）也是日本另一世界級功率半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)廠商。在三菱電機(jī)集團(tuán)整體業(yè)務(wù)中，工業(yè)自動(dòng)化和能源與電力系統(tǒng)兩個(gè)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(jī)電子元器件事業(yè)部，雖然占比不大，但卻是支撐集團(tuán)旗下產(chǎn)品的其中一個(gè)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(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，三菱電機(jī)半導(dǎo)體（以下簡稱“三菱電機(jī)”）于2018年推出基于LV100封裝的新型IGBT模塊，其兼具提升風(fēng)電變流器的功率密度和性能價(jià)格比；2019年針對高可靠性變流器等應(yīng)用領(lǐng)域，三菱電機(jī)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(fēng)電變流器等為代表的應(yīng)用需要大功率密度、高可靠性、可擴(kuò)展功率范圍的標(biāo)準(zhǔn)化1200V和1700V功率模塊。為了滿足這些要求，三菱電機(jī)推出基于廣為熟知的HVIGBT LV100模塊的外形和內(nèi)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?yàn)樗坏跇?biāo)準(zhǔn)化封裝外形設(shè)計(jì)，同時(shí)還能夠具有最高的功率密度、易于并聯(lián)的可擴(kuò)展性、低雜散電感、適用于高速開關(guān)器件(如SiC MOSFET)以及具有優(yōu)異的均流特性。結(jié)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(shù)，LV100模塊提供了最佳的整體性能。在1700V等級中，LV100模塊實(shí)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(jī)全新工業(yè)級LV100封裝功率模塊
三菱電機(jī)X系列HVIGBT進(jìn)一步擴(kuò)展3.3kV/4.5kV/6.5kV的電流等級，實(shí)現(xiàn)更大電流密度，該產(chǎn)品采用第7代CSTBTTM硅片技術(shù)和RFC二極管硅片技術(shù)，能夠降低功率損耗。此外，該產(chǎn)品采用LNFLR技術(shù)減小結(jié)-殼熱阻，全系列運(yùn)行結(jié)溫范圍達(dá)到-50℃~150℃，安全工作區(qū)(SOA)裕量大，且無Snap-off反向恢復(fù)。通過優(yōu)化封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(yīng)用；LV100和HV100封裝，全新的封裝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)極低內(nèi)部雜散電感。
目前，三菱電機(jī)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(kuò)大，三菱電機(jī)也在積極拓展產(chǎn)能。2020年6月，三菱電機(jī)株式會(huì)社宣布將收購夏普福山半導(dǎo)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(jī)功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)所需的晶圓。新生產(chǎn)基地計(jì)劃在2021年11月投入運(yùn)營。
總結(jié)：風(fēng)電資本投入增加助推功率器件需求擴(kuò)張
風(fēng)電發(fā)電的逆變設(shè)備，可將蓄電池中的DC 12V直流電轉(zhuǎn)換為可并入市電的AC 220V交流電。逆變器主要是有MOS場效應(yīng)管與電源變壓器為核心，通過模擬電路技術(shù)連接的。同時(shí)，在智能電網(wǎng)的各個(gè)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(shù)都需要大量使用IGBT等功率器件。
隨著風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)方案正式落地，2020-2025年我國陸上風(fēng)電市場將逐步轉(zhuǎn)向以平價(jià)項(xiàng)目、分散式風(fēng)電項(xiàng)目和換新項(xiàng)目為主。由于風(fēng)電機(jī)組的壽命普遍為20-25年，2025年以后我國陸上風(fēng)電有望借助大規(guī)模換新回暖。此外，風(fēng)電運(yùn)維市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這些都將為功率器件行業(yè)的未來成長提供有力支撐。
功率器件是電力電子器件的核心，特指轉(zhuǎn)換并控制電力的功率半導(dǎo)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(zhuǎn)換包括轉(zhuǎn)換一個(gè)或多個(gè)電壓、電流或頻率�！肮β士刂啤敝缚刂戚斎牒洼敵龅墓β蚀笮 ：诵氖鞘褂米钚〉妮斎肟刂乒β时ＷC輸出功率的大小和時(shí)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(jià)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(dǎo)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(guān)測算，功率半導(dǎo)體市場在2019年、2020年由于價(jià)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(yīng)用的興起回升至4%的年化增長速度，至2022年實(shí)現(xiàn)約426億美元的市場規(guī)模。
從產(chǎn)品構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)體器件
功率半導(dǎo)體器件可以用來控制電路通斷，從而實(shí)現(xiàn)電力變換。一般將額定電流超過1A的半導(dǎo)體器件歸類為功率半導(dǎo)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(dǎo)體器件有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管芯片（IGBT）及模塊、快恢復(fù)二極管（FRD）、垂直雙擴(kuò)散金屬-氧化物場效應(yīng)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(chǔ)性功率器件，結(jié)構(gòu)簡單可靠性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電子等各個(gè)領(lǐng)域，起到穩(wěn)壓、整流和開關(guān)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(dǎo)體。整流二極管主要用作整流、開關(guān)、變換（肖特基二極管SBD）和逆變（快恢復(fù)二極管FRD）作用。
MOSFET：高頻率開關(guān)核心部件
MOSFET和IGBT是目前最常用的兩種功率半導(dǎo)體器件。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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(dǎo)通，當(dāng)撤去電壓或施加負(fù)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(guān)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(chǔ)上增加一層P+層，與N基極層形成了一個(gè)PN二極管。在關(guān)斷情況下，形成的PN結(jié)承受了絕大部份電壓，而結(jié)構(gòu)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(yīng)用電壓相對較低，從十幾伏到1000V。但是IGBT的延遲時(shí)間要大于MOSFET，因此IGBT應(yīng)用在切換頻率低于25kHz的場景，而MOSFET可以應(yīng)用于切換頻率大于100kHz的場景。
MOSFET是功率器件的細(xì)分產(chǎn)品之一，即MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場效應(yīng)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(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場效應(yīng)晶體管。MOSFET功率器件是電能轉(zhuǎn)換和控制的核心半導(dǎo)體器件。MOSFET功率器件工作速度快，故障率低，開關(guān)損耗小，擴(kuò)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(jì)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(jià)值量高的高壓MOSFET領(lǐng)域，英飛凌更是以36%的市占率領(lǐng)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(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動(dòng)化領(lǐng)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(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的。
自20世紀(jì)80年代末開始工業(yè)化應(yīng)用以來發(fā)展迅速，IGBT不僅在工業(yè)應(yīng)用中取代了MOSFET和GTR，甚至已擴(kuò)展到SCR及GTO占優(yōu)勢的大功率應(yīng)用領(lǐng)域，還在消費(fèi)類電子應(yīng)用中取代了BJT、MOSFET等功率器件的許多應(yīng)用領(lǐng)域。
按照工作電壓的不同，IGBT在650V-6500V的電壓范圍內(nèi)的各類應(yīng)用場景廣泛應(yīng)用。其中，工業(yè)IGBT應(yīng)用一般為650V、1200V和6500V級別；新能源汽車和家電IGBT應(yīng)用一般為650V和1200V級別；新能源發(fā)電IGBT應(yīng)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(jī)處于領(lǐng)先位置，安森美主要集中在600V以下的低壓消費(fèi)電子行業(yè)，而1700V以上中高壓的高鐵、汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，基本被英飛凌、ABB和三菱產(chǎn)品壟斷。
IGBT技術(shù)演化路線：微型化與高功率成為趨勢
自20世紀(jì)80年代IGBT開啟工業(yè)化應(yīng)用以來，IGBT技術(shù)經(jīng)歷了豐富的技術(shù)演變，涌現(xiàn)出六代不同的技術(shù)方案，但這些方案主要由英飛凌、三菱電機(jī)和富士電機(jī)等廠商主導(dǎo)。
在英飛凌、富士電機(jī)、ABB等廠商的推動(dòng)下，IGBT的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍在不斷突破和創(chuàng)新，并涌現(xiàn)出了P-ring TS+Trench、超級結(jié)和SiC IGBT等全新技術(shù)，推動(dòng)IGBT應(yīng)用和市場的持續(xù)發(fā)展。
同時(shí)，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(kuò)散和薄片加工等多種工藝的應(yīng)用，相關(guān)工藝的技術(shù)壁壘較高，制造技術(shù)也成為實(shí)現(xiàn)IGBT創(chuàng)新的關(guān)鍵。
風(fēng)電行業(yè)IGBT功率器件產(chǎn)品
IGBT功率器件——風(fēng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行之“芯”
風(fēng)電起源于歐洲，當(dāng)前在中國正蓬勃發(fā)展。通常風(fēng)電設(shè)備需要以20-25年為運(yùn)行生命周期，這對風(fēng)機(jī)設(shè)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(fēng)電。
IGBT模塊作為風(fēng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換的心臟，通過一次次的脈動(dòng)，將葉片捕獲的風(fēng)能，在風(fēng)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(zhuǎn)，對IGBT都是一次次功率循環(huán)，足夠強(qiáng)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(fēng)電漫長25年服役的基礎(chǔ)，是長期穩(wěn)定高效發(fā)電的保障，從而降低風(fēng)電場度電成本，度電成本公式為：
同樣，不同地域海上風(fēng)電的年度風(fēng)速譜線走勢不盡相同。當(dāng)風(fēng)速逐漸增加甚至風(fēng)機(jī)滿功率額定運(yùn)行時(shí)，變流器和IGBT模塊都要全力以赴并經(jīng)歷嚴(yán)峻的高負(fù)荷考驗(yàn)。下圖展示了某風(fēng)場的全年風(fēng)速分布概況，橫軸代表風(fēng)速，縱軸代表風(fēng)速概率密度函數(shù)。由圖可知，低風(fēng)速占比較高，比如風(fēng)速7m/s以下。高風(fēng)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(fēng)場全年風(fēng)速分布概況
對于海上風(fēng)機(jī)，如果IGBT模塊在變流器中無法承受海上多次、長期的強(qiáng)風(fēng)而失效，無法滿足20-25年的壽命要求，則風(fēng)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(fēng)電場全生命周期的運(yùn)維成本和由于停機(jī)更換備件而導(dǎo)致的發(fā)電量損失。因此，降低運(yùn)維成本和提高發(fā)電量是提升海上風(fēng)電場效益的關(guān)鍵措施。降低運(yùn)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(qū)動(dòng)器，線纜等）數(shù)量，提高變流器的MTBF。提升發(fā)電量：MTBF提升，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間延長，發(fā)電損失減少。為此，針對風(fēng)電嚴(yán)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(lǐng)導(dǎo)廠商動(dòng)向
作為功率半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)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(jià)比的第七代CoolMOS™、基于第三代寬禁帶半導(dǎo)體的高性能CoolSiC™與CoolGaN™、以及支持更高頻率應(yīng)用的第六代OptiMOS™等豐富產(chǎn)品組合，從芯片技術(shù)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(wù)實(shí)現(xiàn)良好互補(bǔ)，也因此其市場份額在2015年出現(xiàn)大飛躍，進(jìn)一步穩(wěn)固英飛凌在功率半導(dǎo)體全球市場的領(lǐng)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(shù)結(jié)合，是IGBT芯片和模塊技術(shù)發(fā)展的一個(gè)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(shù)。XT技術(shù)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(xiàng)IGBT封裝關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。XT技術(shù)的應(yīng)用使得IGBT模塊靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損失更低，并具有更強(qiáng)的熱量和功率循環(huán)功能，操作溫度高達(dá)175℃。通過增強(qiáng)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(dāng)時(shí)推出PrimePACK™模塊成為了風(fēng)電等應(yīng)用大部分高功率逆變的絕佳選擇。
PrimePACK™2 IGBT5/.XT 內(nèi)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(shí)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(fēng)電變流器的又一力作。
在環(huán)保意識日益增強(qiáng)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(nèi)不斷增長。在世界范圍內(nèi)，許多國家和地區(qū)正在興建越來越多的大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電廠，尤其是歐洲和中國。據(jù)GWEC數(shù)據(jù)預(yù)測，風(fēng)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(lǐng)導(dǎo)廠商之一，富士電機(jī)早在十多年前就涉足風(fēng)電領(lǐng)域，和知名變流器廠商開展合作。隨著中國風(fēng)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(nèi)外風(fēng)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(yīng)用在風(fēng)電變流器主機(jī)和變槳控制系統(tǒng)上。
2015年富士電機(jī)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(shè)備和工廠的節(jié)能和穩(wěn)定電力供應(yīng)做支持，其中包括空調(diào)和電機(jī)控制逆變器、UPS和PCS。此后富士電機(jī)產(chǎn)品線持續(xù)擴(kuò)容，旨在進(jìn)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(jī)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(fēng)力發(fā)電市場。
富士電機(jī)第7代X系列1,700伏電壓等級
據(jù)悉，富士電機(jī)第七代產(chǎn)品，IGBT和FWD的晶圓越來越薄，IGBT表層結(jié)構(gòu)越來越精細(xì)。相較于常規(guī)產(chǎn)品（第六代V系列），它可以使逆變器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的功率損耗降低約10%。同時(shí)，它也能幫助節(jié)約整機(jī)設(shè)備的能源和電力成本。該模塊應(yīng)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(jié)溫從常規(guī)的150℃提高到175℃。在整機(jī)設(shè)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(shè)備尺寸并降低總成本。模塊的結(jié)構(gòu)和使用材料都進(jìn)行了反復(fù)評估以提高在高溫操作中的穩(wěn)定性和耐久性。這一點(diǎn)有助于提高整機(jī)設(shè)備的可靠性。同時(shí)，據(jù)了解，富士電機(jī)IGBT芯片從第5代開始就采用溝槽柵的結(jié)構(gòu)，后續(xù)結(jié)合場終止技術(shù),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(diǎn)。
與富士電機(jī)一樣，三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）也是日本另一世界級功率半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)廠商。在三菱電機(jī)集團(tuán)整體業(yè)務(wù)中，工業(yè)自動(dòng)化和能源與電力系統(tǒng)兩個(gè)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(jī)電子元器件事業(yè)部，雖然占比不大，但卻是支撐集團(tuán)旗下產(chǎn)品的其中一個(gè)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(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，三菱電機(jī)半導(dǎo)體（以下簡稱“三菱電機(jī)”）于2018年推出基于LV100封裝的新型IGBT模塊，其兼具提升風(fēng)電變流器的功率密度和性能價(jià)格比；2019年針對高可靠性變流器等應(yīng)用領(lǐng)域，三菱電機(jī)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(fēng)電變流器等為代表的應(yīng)用需要大功率密度、高可靠性、可擴(kuò)展功率范圍的標(biāo)準(zhǔn)化1200V和1700V功率模塊。為了滿足這些要求，三菱電機(jī)推出基于廣為熟知的HVIGBT LV100模塊的外形和內(nèi)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?yàn)樗坏跇?biāo)準(zhǔn)化封裝外形設(shè)計(jì)，同時(shí)還能夠具有最高的功率密度、易于并聯(lián)的可擴(kuò)展性、低雜散電感、適用于高速開關(guān)器件(如SiC MOSFET)以及具有優(yōu)異的均流特性。結(jié)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(shù)，LV100模塊提供了最佳的整體性能。在1700V等級中，LV100模塊實(shí)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(jī)全新工業(yè)級LV100封裝功率模塊
三菱電機(jī)X系列HVIGBT進(jìn)一步擴(kuò)展3.3kV/4.5kV/6.5kV的電流等級，實(shí)現(xiàn)更大電流密度，該產(chǎn)品采用第7代CSTBTTM硅片技術(shù)和RFC二極管硅片技術(shù)，能夠降低功率損耗。此外，該產(chǎn)品采用LNFLR技術(shù)減小結(jié)-殼熱阻，全系列運(yùn)行結(jié)溫范圍達(dá)到-50℃~150℃，安全工作區(qū)(SOA)裕量大，且無Snap-off反向恢復(fù)。通過優(yōu)化封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(yīng)用；LV100和HV100封裝，全新的封裝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)極低內(nèi)部雜散電感。
目前，三菱電機(jī)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(kuò)大，三菱電機(jī)也在積極拓展產(chǎn)能。2020年6月，三菱電機(jī)株式會(huì)社宣布將收購夏普福山半導(dǎo)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(jī)功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)所需的晶圓。新生產(chǎn)基地計(jì)劃在2021年11月投入運(yùn)營。
總結(jié)：風(fēng)電資本投入增加助推功率器件需求擴(kuò)張
風(fēng)電發(fā)電的逆變設(shè)備，可將蓄電池中的DC 12V直流電轉(zhuǎn)換為可并入市電的AC 220V交流電。逆變器主要是有MOS場效應(yīng)管與電源變壓器為核心，通過模擬電路技術(shù)連接的。同時(shí)，在智能電網(wǎng)的各個(gè)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(shù)都需要大量使用IGBT等功率器件。
隨著風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)方案正式落地，2020-2025年我國陸上風(fēng)電市場將逐步轉(zhuǎn)向以平價(jià)項(xiàng)目、分散式風(fēng)電項(xiàng)目和換新項(xiàng)目為主。由于風(fēng)電機(jī)組的壽命普遍為20-25年，2025年以后我國陸上風(fēng)電有望借助大規(guī)模換新回暖。此外，風(fēng)電運(yùn)維市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這些都將為功率器件行業(yè)的未來成長提供有力支撐。