小小功率器件，节能减碳大帮手

小小功率器件，节能减碳大帮手 字体： 小 中 大 分享到： 小小功率器件，节能减碳大帮手 2021-12-08 08:45:08 来源：中国电子报

光伏/风力发电及储能系统、电动汽车及充电桩、工业变频控制系统等..许多节能和减碳应用已经成为在二氧化碳排放峰值时实现碳中和目标的利器。然而，在上述电子电力系统中，起功耗控制作用的是小功率半导体器件。

体积小，效果大

功率半导体是实现电能转换的核心器件，可以有效控制电压和电流的施加，通过开关状态的变化实现逆变、整流、变频等多种功能，控制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，从而实现合理的能源管理，降低能耗和碳排放。

功率半导体器件的不同结构决定了其不同的开关频率、功率水平和击穿场强，也因此决定了不同类型功率半导体的使用场景。IGBT和MOSFET是目前市场上最常见的功率半导体器件。由于驱动功率小和开关速度快，硅基MOSFET在600V V以下的应用中是主流..硅基IGBT因其导通损耗低、开关速度快、耐压高、结温高、驱动方便，占据600V~6500V高压应用市场。

基于其结构和功能特性，功率半导体已经成为发电、输配电和用电等诸多领域的核心器件。例如，功率半导体在光伏逆变器、风力发电变流器和其他发电设备、DC换流阀、交流/DC断路器和其他输配电领域的设备、电动汽车驱动、电力机车驱动、充电桩、储能变流器、工业变频器或变流器和其他用电领域的设备中发挥着突出的作用。

此外，功率半导体为节能减排带来了新的发展空。赛晶科技集团有限公司董事长项杰在接受《中国电子报》记者采访时表示:“功率半导体可以创造电能生产和应用的新方式，如电动汽车、风力发电、光伏发电、工业和民用领域的电气化，从而减少化石能源的使用；使用功率半导体可以提高能源效率，如频率转换和DC传输，从而节省能源消耗。”

IGBT成为主流

IGBT具有输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关速度快、通态电流大、导通电压低、损耗低等优点，在当前的市场环境中具有绝对优势。

IGBT是一种开关器件，其关断状态由栅源电压的变化以及电压、电流、频率、相位等控制。可以根据信号指令进行调节，从而达到精确调节的目的。因此，IGBT成为当前功率半导体市场最主流的器件，广泛应用于新能源发电、电动汽车及充电桩、电气化船舶、DC传输、储能、工业电控、节能等诸多领域。

然而，IGBT的全球份额仍然被海外头制造商英飞凌、三菱和富士所控制，三大巨头已经侵蚀了IGBT 70%的市场份额。虽然国内IGBT厂商已经有所布局，但要实现技术和市场的进一步过渡，仍有很大挑战。赛迪顾问IC中心负责人滕然在接受《中国电子报》采访时表示，IGBT的技术路线一直由英飞凌指导。目前，英飞凌的产品已经发展到第七代，而国内的IGBT技术只能达到英飞凌第四代和第五代的水平。

为了尽快缩短与海外先进水平的差距，国内功率半导体厂商正在加紧IGBT轨道的布局，正在努力提高产品性能，拓展市场空。在国内功率半导体企业中，比亚迪半导体、华润微电子、兰斯微电子、斯达半岛等企业表现突出。

比亚迪在全产业链布局IGBT产品，在汽车领域表现出色，占国内新能源汽车市场份额的18%~20%。嘉兴斯达半导体起步早，2008年开始，技术起点比较高。目前已经拥有600V/650V/1200V/1700V/3300V等多种规格的IGBT模块产品，以及MOSFET、IPM、FRD/整流模块、晶闸管等多种类型的产品，产品类型丰富。此外，株州CRRC在智能电网、汽车、新能源电控等领域都有规划，市场占整个汽车市场的1%左右，发展很大空天。此外，华润微和士兰威也将IGBT作为产品线之一进行布局。

双轮驱动宽带隙半导体的优化封装及应用

中国拥有全球最大的功率半导体市场，国内市场贡献了全球约500亿美元功率半导体市场的35%~40%。“十四五”期间，以云计算、移动互联网、大数据、人工智能为代表的新一代信息技术的演进，将对电源管理产品产生更大的需求。随着“二氧化碳排放峰值”和“碳中和”目标的提出，新能源发电、电动汽车和充电桩、工业电子控制等诸多领域进入快速发展，这将带动IGBT和MOSFET产业的增长。

对于国内企业来说，不断扩大的国内市场无疑为其发展提供了更广阔的发展空。至于如何抓住市场增长机遇，如何实现产业突破，如何提升产品性能，滕然认为可以采用器件结构优化和衬底材料创新的双轮驱动模式，这是国内企业的发展机遇。

比亚迪半导体有限公司副总经理杨在接受《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、芯片尺寸和模块尺寸是未来的技术发展方向。”在提高功率半导体产品性能的道路上，硅基器件面临着上升的极限。由于硅基材料的限制，半导体器件的功率水平和开关频率无法进一步提高。此时，SiC、GaN等宽禁带半导体材料将成为进一步提高功率半导体性能的新赛道。

目前宽禁带半导体制备难度大，生产率低，价格高，将主要应用于高可靠性要求的高附加值产品，如车辆。这些产品与“双碳”目标带来的新能源发电、电动汽车和充电桩、工业电控等诸多领域的发展高度契合。这类行业对电源管理的稳定性要求高，对功率半导体的频率要求高，将成为宽带隙半导体布局的核心方向。国内IGBT产业将有机会利用宽带隙半导体“换道超车”。

目前宽带隙半导体的制备难度大，产量低，价格高。对于那些对价格波动敏感、附加值低的产品，可以通过优化封装方式来提高功率半导体的性能。采用更先进的模块化封装，通过优化散热性能和提高结温来优化封装，提高模块的使用效率。

TrendForce集邦咨询分析师龚在接受《中国电子报》记者采访时也认为，国内企业在先进封装、宽禁带半导体等新材料领域有弯道超车的可能。他说:“从产业特性来看，功率半导体是特色科技产品，更侧重于工艺技术、封装设计和新材料迭代，不需要追赶摩尔定律。所以国内企业很有机会后来居上。”(记者纪晓婷)

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