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中国IGBT行业发展现状及发展前景分析【图】

北极星输配电网  来源:中国产业信息网    2018/7/18 9:15:46  我要投稿  

三、IGBT行业投资机会及趋势

1、新能源汽车领域

近几年来,各国都在大力推行新能源汽车的发展,而电动汽车的投入是最大的。截止到目前,已经有不少国家推出了禁止燃油车销售时间表,其中最为激进的是挪威和荷兰,他们要求2025年起禁止燃油车销售;接下来是德国和印度,其中德国是2030年禁止销售传统内燃机汽车,而印度宣称到2030年只卖电动汽车;法国计划2040年开始全面停止出售燃油车;此外,中国和英国也十分可能会加入禁售行列。

IGBT在新能源汽车领域应用供不应求

可以说,各个大国都在强力推行新能源汽车的发展,目前业界也一致认为,电动化、智能化、网联化和共享化是未来汽车的发展趋势,而电动化平台是这些技术的基础。IGBT作为新能源汽车动力、电源系统中的核心器件,需求量瞬间变大。

由于IGBT的重要性和需求量的增加,使得不少厂商都纷纷涌入。就连三菱电机这个主要关注高铁等电动机车领域内IGBT的厂商也看上了电动汽车IGBT这个“香饽饽”。

而且他们已经推出了针对汽车市场的通用型IGBT模块解决方案:J系列和J1A系列。J系列TPM模块采用了三菱电机独有的压注模式模块封装技术,是一种二合一IGBT模块,具有很高的可靠性,适合汽车严酷的运行对IGBT高强度的寿命密切相关的要求,有650V/300A和600A两款产品。J1系列EV PM采用了紧凑型Pin-fin结构模块封装,是一种六合一IGBT模块,具有很高的功率密度,有650V/1200V、300A~1000A等数款产品,可覆盖30kW~150kW的电机峰值功率要求,这也是三菱电机在中国市场力推的一个系列。

随着未来电动汽车内部功率单元的集成度越来越高,IGBT电流密度将成为制约整车一体化结构设计的关键,而J1A系列EV-PM的6in1模块封装,可通过改进模块内部构造和绑定线技术,以及底板冷却结构,达到减少热阻和封装尺寸的目的,从而提高功率密度,满足电动汽车的一体化设计需求。

三菱电机汽车级IGBT模块的四大技术特点:

一是安全性。IGBT保护主要是对电流和温度的保护。与传统的间接保护方式不同,三菱电机采取了在硅片上集成温度传感器和发射极电流检测,实现了快速、安全的过温和短路检测。

二是高功率密度。三菱电机采用了比竞争对手更加紧凑的封装,是的功率密度更高。未来三菱电机还会继续开发一些新的技术,利用同样的封装,改材料,增加IGBT的散热性能,提高电流能力。此外,还可以借鉴现在新的材料,比如碳化硅,进一步提高电流密度。

三是高可靠性,故障率是10fit。

四是直接端子绑定技术(Direct Lead Bond,DLB)。其车载级的IGBT模块使用DLB代替传统的铝绑定技术,增大了硅片接触面积,热力分布更均匀,降低了硅片的峰值温度,降低热应力。由于没有传统IGBT端子的两个绑定点和焊接点,降低了脱落的可能性,提高了寿命期

2、轨道交通领域

IGBT 在轨交领域已经实现了技术突破和全面的国产化。2015 年 10 月 22 日,隶属中国中车的永济新时速电机电器表示,国内首个具有完全知识产权的 6500V 高铁机车用 IGBT 芯片通过高铁系统上车试验,实现产品化应用。2016 年底,中车株洲电力机车研究所研发的 8 英寸 IGBT 高铁控制系统成功中标印度机车市场,这是我国高铁装备核心器件首次获得海外批量订单。

动车组最核心的部件之一是“牵引变流器”,它负责将超高电流转化为列车的动力。以 CRH3 为例,每辆列车装有 4 台牵引变流器,每台搭载了 32 个 IGBT 模块,共 128 个,这些 IGBT 模块为整个列车提供了约 10 兆瓦的功率。

IGBT被誉为功率变流产品的“CPU”,是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式器件,具有易驱动、控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等特点。IGBT系统技术中最关键则是功率半导体器件的芯片技术。

IGBT(中文名全称绝缘栅双极型晶体管)是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品,由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式器件,具有驱动容易、控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等特点。它付出较小的功率就能控制高电压和大电流,并且能够根据实际需求进行变化,采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,节能效果十分明显,在家电领域,可比普通的变频家电节电30%,在轨道交通、智能电网、航空航天、船舶驱动、新能源装备等行业采用IGBT的大型功率变流装置,节电和节能效果也十分明显。因此IGBT被称为功率变流产品的“CPU”、“绿色经济之核”。据介绍,作为轨道交通牵引主流器件,3300伏等级的IGBT器件在大功率电力机车、城市轨道交通领域具有广泛的应用前景,未来十年中国轨道交通牵引市场每年对3300伏等级的IGBT模块需求量为10到20万只/年,年市场容量15个亿左右。

IGBT系统技术分为IGBT芯片技术、模块封装技术及应用测试技术三大部分。其中最关键的是IGBT芯片技术,以7200千瓦大功率交流电力机车用IGBT为例,一块成人巴掌大小IGBT模块内共有36块指甲大小的芯片,每块芯片并联摆放5万个被称作为“元胞”的电子单元。这些“元胞”相当于IGBT的“细胞”,他们能够在百万分之一秒的时间内实现电流的快速转化。而要在指甲大小上均匀刻画5万个细如发丝的“元胞”,对原材料的品质、温度、湿度等环境的精确控制和掌握、无异于在“针尖上绣花”,因此, IGBT芯片技术被誉为功率半导体器件技术的“哥德巴赫猜想”,谁掌握了该项技术,谁就打开了通往IGBT系统集成技术的“阿里巴巴之门。”

由于我国IGBT技术及产业化发展较晚,加之技术门槛难度之高、投入之大,目前中国市场的IGBT产品基本依赖进口,国内有数家从事中小功率IGBT产品组装企业,且未形成产业规模,在大功率IGBT模块封装技术上,也只有包括中国南车在内的少数企业所掌握,而在IGBT芯片技术及后期系统运用上,国内仅有中国南车独家掌握。中国南车也因此成为国内唯一一家全面掌握IGBT芯片技术研发、模块封装测试和系统应用的企业。

作为城市轨道交通牵引主流器件,轨道交通用3000伏电压等级IGBT芯片应用前景广泛。

3、智能电网领域

以输电端为例:“柔性直流输电技术”是 20 世纪 90 年代发展起来的一种新型直流输电技术,它将半控型电力电子器件升级为全控型电力电子器件(IGBT),具有响应速度快、可控性好、可向无源网络供电、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点,在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市配电网增容改造等领域具有独特的优势。柔性直流输电技术可整合来自多个站点的清洁能源,通过大容量、长距离的电力传输通道,到达多个城市的负荷中心,为新能源或者分布式能源的并网提供有效的解决方案。

IGBT器件作为电压控制型器件,具有容量大、损耗小、易于控制等优点,可使换流器拓扑结构更加简单、损耗更小,因此成为高压柔性直流输电领域核心器件。近年来,我国长距离高压柔性直流输电领域发展迅猛,IGBT器件也因此具备十分广阔的应用前景。

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