光伏/風(fēng)能發(fā)電儲能系統(tǒng)、電動汽車及充電樁、工業(yè)變頻控制系統(tǒng)……諸多節(jié)能降碳應(yīng)用成為實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)的利器。而在上述應(yīng)用的電子電力系統(tǒng)中發(fā)揮功耗控制作用的，就是小小的功率半導(dǎo)體器件。
小體積，大功效
功率半導(dǎo)體是實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的核心器件，能夠?qū)﹄妷弘娏鞯倪\用進行有效控制，通過開關(guān)狀態(tài)的變化，實現(xiàn)逆變、整流、變頻等多種的功能，控制電子電力系統(tǒng)的能量輸出，將整個電子電力系統(tǒng)的能耗控制在最低范圍內(nèi)，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(dǎo)體器件的不同結(jié)構(gòu)決定著其不同的開關(guān)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(dǎo)體的使用場景。IGBT、MOSFET是當(dāng)前市面上最常見的功率半導(dǎo)體器件。由于所需驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快，硅基的MOSFET在600V以下的應(yīng)用中占據(jù)主流。由于導(dǎo)通損耗低、開關(guān)速度較快、耐壓等級高、工作結(jié)溫高、驅(qū)動方便，硅基的IGBT占據(jù)了600V~6500V高壓應(yīng)用市場。
基于其結(jié)構(gòu)和功能的特性，功率半導(dǎo)體已經(jīng)成為發(fā)電、輸配電、用電等多個領(lǐng)域的核心器件。例如在發(fā)電的光伏逆變器、風(fēng)電變流器等設(shè)備，在輸配電領(lǐng)域的直流換流閥、交直流斷路器等設(shè)備，用電領(lǐng)域的電動汽車電驅(qū)、電力機車電驅(qū)、充電樁、儲能換流器、工業(yè)變頻器或變流器等設(shè)備里，功率半導(dǎo)體均發(fā)揮著突出作用。
此外，功率半導(dǎo)體還為節(jié)能降碳帶來了新的發(fā)展空間。賽晶科技集團有限公司董事長項頡在接受采訪時表示：“功率半導(dǎo)體能夠創(chuàng)造新的電能生產(chǎn)和應(yīng)用方式，比如電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、工業(yè)和民用領(lǐng)域電氣化，從而減少化石能源的使用；功率半導(dǎo)體的使用可以提高能源效率，比如變頻節(jié)能、直流輸電，從而節(jié)約能源損耗。”
IGBT成主流
IGBT具備包括輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)速度快、通態(tài)電流大、導(dǎo)通壓降低、損耗小等諸多優(yōu)點，因此在當(dāng)前市場環(huán)境中具有絕對優(yōu)勢。
IGBT是一個非通即斷的開關(guān)器件，通過柵源極電壓的變化控制其關(guān)斷狀態(tài)，能夠根據(jù)信號指令來調(diào)節(jié)電壓、電流、頻率、相位等，以達到精準調(diào)控的目的。因此，IGBT成為當(dāng)前功率半導(dǎo)體市場最主流的器件，在新能源發(fā)電、電動汽車及充電樁、電氣化船舶、直流輸電、儲能、工業(yè)電控和節(jié)能等眾多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)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(nèi)IGBT廠商雖已有布局，但要實現(xiàn)技術(shù)與市場的進一步躍遷，還存在較大的挑戰(zhàn)。賽迪顧問集成電路中心負責(zé)人滕冉在接受采訪時表示，IGBT的技術(shù)路線一直由英飛凌引導(dǎo)，當(dāng)前英飛凌的產(chǎn)品已發(fā)展到第七代，而國內(nèi)的IGBT技術(shù)現(xiàn)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(nèi)的功率半導(dǎo)體廠商加緊布局IGBT賽道，正努力提升其產(chǎn)品性能、拓展其市場空間。在國內(nèi)的功率半導(dǎo)體企業(yè)中，比亞迪半導(dǎo)體、華潤微電子、士蘭微電子、斯達半島等企業(yè)的表現(xiàn)較為突出。
比亞迪半導(dǎo)體已布局IGBT的全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品，在汽車領(lǐng)域的表現(xiàn)出色，占到國內(nèi)新能源汽車市場份額的18%~20%。嘉興斯達半導(dǎo)起步較早，2008年開始起步，技術(shù)起點比較高，當(dāng)前已具備600V/650V/1200V/1700V/3300V等多種規(guī)格IGBT模塊產(chǎn)品，又有MOSFET、IPM、FRD/整流模塊、晶閘管等多種類型產(chǎn)品，產(chǎn)品類型較為豐富。此外，株洲中車時代在智能電網(wǎng)、汽車、新能源電控等領(lǐng)域做了規(guī)劃，其市場約占整個汽車市場的1%左右，具備很大的發(fā)展空間。此外，華潤微和士蘭微也將IGBT作為產(chǎn)品線中的一支進行布局。
雙輪驅(qū)動優(yōu)化封裝與應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo)體
我國擁有全球最大的功率半導(dǎo)體市場，在約500億美元的全球功率半導(dǎo)體市場中，國內(nèi)市場貢獻了35%~40%的份額。“十四五”期間，以云計算、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的新一代信息技術(shù)演進，將對電源管理產(chǎn)品產(chǎn)生更大量的需求。“碳達峰”、“碳中和”目標(biāo)的提出，新能源發(fā)電、電動汽車及充電樁、工業(yè)電控等眾多領(lǐng)域進入快速發(fā)展，將帶動IGBT、MOSFET產(chǎn)業(yè)的增長。
對于國內(nèi)企業(yè)而言，日益擴大的國內(nèi)市場，無疑為其發(fā)展提供了更為廣闊的發(fā)展空間。而關(guān)于如何抓住市場增長機會、如何借勢實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)突破、如何實現(xiàn)產(chǎn)品性能提升，滕冉認為可以借助器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化與襯底材料創(chuàng)新的雙輪驅(qū)動方式，這是國內(nèi)企業(yè)的發(fā)展機會。
比亞迪半導(dǎo)體股份有限公司副總經(jīng)理楊欽耀在接受采訪時表示：“更高的功率密度、開關(guān)頻率、更小的導(dǎo)通壓降、開關(guān)損耗、芯片尺寸、模塊體積是未來IGBT的技術(shù)發(fā)展方向。”而在提升功率半導(dǎo)體產(chǎn)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(dǎo)體器件的功率水平和開關(guān)頻率無法進一步提升。此時，SiC、GaN等寬禁帶半導(dǎo)體材料便成為進一步提升的功率半導(dǎo)體性能的新賽道。
由于現(xiàn)階段寬禁帶半導(dǎo)體制備難度大、產(chǎn)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(chǎn)品中，這些產(chǎn)品與“雙碳”目標(biāo)帶來的新能源發(fā)電、電動汽車及充電樁、工業(yè)電控等眾多領(lǐng)域的發(fā)展高度契合。此類行業(yè)對電源管理穩(wěn)定性要求高、對功率半導(dǎo)體頻率要求高，將成為寬禁帶半導(dǎo)體布局的核心方向，國內(nèi)IGBT行業(yè)將有機會借助寬禁帶半導(dǎo)體實現(xiàn)“變道超車”。
寬禁帶半導(dǎo)體當(dāng)前制備難度大、良率低、價格高，對于那些對產(chǎn)品價格浮動敏感、附加值較低的產(chǎn)品，功率半導(dǎo)體性能的提升則可以從優(yōu)化封裝方式著手。采用更加先進的模塊化封裝，通過優(yōu)化散熱性能、提高結(jié)溫等方式優(yōu)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采訪時同樣認為，國內(nèi)企業(yè)具備在先進封裝、寬禁帶半導(dǎo)體等新材料方面實現(xiàn)超車的可能。他表示：“從產(chǎn)業(yè)特性來看，功率半導(dǎo)體屬于特色工藝產(chǎn)品，更側(cè)重于制程工藝、封裝設(shè)計和新材料迭代，而不需要追趕摩爾定律，因此國內(nèi)企業(yè)非常有機會后來居上。”
