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乘风新能源 功率半导体行业快速发展(上)

发布时间:2022-07-06 来源:变频器世界 类型:独家原创 人浏览
关键字:

PCIM 电力电子 变频器世界

导  读:

8月,PCIM ASIA 2022即将在上海举办,《变频器世界》从本期开始,将与PCIM ASIA合作,共同打造全新的《电力电子专栏》。


为应对气候变化、解决环境保护与经济发展的矛盾,我国提出碳达峰、碳中和“3060”的目标。“双碳”战略的推进为各行各业注入了新的活力,不断改变着行业的竞争格局,也催生了新能源汽车、光伏、风电、储能等一批新型产业的兴起。
相关数据显示,我国新能源汽车累计销量从2012年底的2万辆,大幅攀升到今年5月底的1108万辆。自2015年起,产销量连续7年位居世界第一。在新能源发电领域,分析机构Wood Mac预计至2025年全球光伏和风电装机量有望分别达到146GW和86GW。作为功率器件应用的重要下游,全球新能源渗透率的快速提升有望持续带动功率器件下游需求,全行业景气度有望维持高位。
IGBT等功率器件作为光伏逆变器、风电变流器及储能变流器的核心半导体部件,对电流起到整流、逆变等作用,以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能。因此IGBT等功率器件将充分受益于绿电及储能的高速发展。根据相关机构测算,全球风电、光伏及储能对IGBT的需求价值量将由2021年的86.7亿元增长至2025年的182.50亿元,CAGR高达20.45%。
在碳中和背景下,以光伏、风电、储能为代表的新能源产业已显现出长远的发展价值,而电力转换是新能源的核心技术,随着碳化硅等新一代电力电子器件的出现,势必会改变新能源行业的发展格局。
8月,PCIM ASIA 2022即将在上海举办,《变频器世界》从本期开始,将与PCIM ASIA合作,共同打造全新的《电力电子专栏》。本期我们特邀请业内企业、专家、工程师围绕“面对新兴产业的发展和新兴领域的应用需求,电力电子将做出哪些改变,以更好地满足行业需求和促进电力电子技术的发展。”话题进行广泛参与讨论。

Q1

随着光伏补贴的取消,光伏产业降成本将成为一个重要的话题,对于功率半导体厂商,您认为光伏产业降本增效应该从哪些方面出发?


陈子颖
英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监
海上有丰富的风力资源,一般需要更大功率的风电机组,这对功率半导体的功率密度有更高的要求。海上风力发电机设计必须提供最大化的可用性,帮助保持电网的稳定性,所以同时需要更高的可靠性和寿命。
目前风电变流器的主流功率平台是PrimePACK™ 3和EconoDUAL™ 3 IGBT模块,在今年的PCIM展会上英飞凌将展出采用IGBT5.xt互联技术的1800A/1700V PrimePACK™ 3+模块和EconoDUAL™ 3 900A/750A配增强型二极管,1700V IGBT7。
采用IGBT5.xt的1700V PrimePACK™是未来几年内风电市场的领先产品,可提供出色的功率循坏能力,从而延长使用寿命。PrimePACK™ 3+是种先进的功率模块封装,非常适合风能应用。封装更适应严酷的环境,可实现高载流能力,产品的功率密度提高幅度高达25%,使用寿命增长10倍。
EconoDUAL™ 3有着不俗的温度周次能力,能够承受大的负载变化造成的封装机械应力,一直是风力发电,光伏发电和商用电动车等的首选。采用微沟槽技术的IGBT7,EconoDUAL™ 3 best-in-class可以做到900A,标称电流比IGBT4的600A大了50%,这样大大提高的功率密度。750A配增强型二极管更是为风电应用定制而生。

小田切 亨
富士电机(中国)有限公司副总经理、半导体营业本部 本部长
随着光伏各种补贴的取消,光伏行业成本上的竞争变得越来越激烈。目前逆变器成本已经被压缩到了一个非常低的空间,进一步的大幅降低成本是比较困难的。除了成本的抑制以外,进一步提升效率、提高系统可靠性也需要重点考虑。
从功率半导体器件的视点看,我认为可以从以下几个方面去考虑。
1. 使用更新一代的功率半导体器件来提升系统整体效率。例如富士最新的X系列IGBT模块的损耗大约较上一代模块可以降低10%左右。
2. 根据光伏的动作特点,例如开关速度快慢,电流能力高低的需求,灵活配置各IGBT和FWD芯片,例如使用高速和低速(低导通压降)的芯片的混合配置,或者IGBT和FWD非1:1的电流配置等。
3. 对于1500V系统,使用2.xkV等级耐压的器件搭建两电平结构替代NPC(中点钳位)三电平拓扑以减少模块数量和逆变器体积。
4. 在原有的封装基础上,通过RC-IGBT、SiC等先进器件,进一步扩大电流等级,使得同样的机型尺寸可以输出更大的电流,实现更高功率密度。
 
贾鹏
安森美(onsemi)全球方案中心应用市场工程师
功率器件在光伏(PV)产业的主要表现形式是光伏逆变器中的逆变单元,随着功率半导体产品的不断发展,拥有更大耐压的功率器件被大量采用在光伏逆变器中,这使得我们可以提高母线电压,同样也意味着相同功率下更小的电流,从而减小PV面板到逆变器中输电电缆的尺寸,降低布线成本。其次,一般功率器件在光伏逆变器的成本占比只有约10%-15%,而无源器件和安装运输成本可能占到40%-50%。采用更高效的电路拓扑结构,或更高效的半导体材料,如碳化硅(SiC),可以让逆变器高频运行,并且不牺牲散热能力,从而减少无源器件和散热器尺寸和重量,降低安装运输成本。最后,由高效拓扑和材料带来的,也是最直观的收益,即系统能效的上升,大大提高了发电量和用户收益。
 
胡少伟
南京芯长征科技有限公司市场部经理
从器件角度:功率器件早期主要使用欧美品牌,近两年国产品牌强势崛起,在清洁能源领域share了部分市场份额,国产品牌更具性价比优势。
从定制角度:国内品牌供应商,依据主流终端客户的技术发展路线,从拓扑、封装形式、器件规格等方面推出相应产品,降低系统成本。可靠性角度:产品可靠性关乎光伏企业的后期维护成本和品牌影响力,芯长征在产品可靠性方面做了大量布局(产业链、通用设备采购、定制设备开发、客户特定需求转化为可靠性的验证的方案等等),这些投入都是隐形的,但非常关键,也能为客户减少售后成本。
 
王思亮
成都森未科技有限公司COO
逆变是光伏产业中的关键环节,而光伏逆变器中的核心器件是IGBT等功率半导体器件。器件本身的性能和损耗很大程度上决定了转换效率和系统成本。因此,从IGBT等功率半导体方面考虑,提高器件的电流密度和开关频率,同时降低器件的开关损耗,能够同时达到降本增效的目的。

Doug Bailey
Power Integrations市场营销副总裁


光伏(PV)市场已经面临较高的成本压力,补贴的降低很可能会引起进一步的整合。因此,系统层面的成本节约将是必需的。Power Integrations正在研究两种方法:提高系统效率和采用新技术。
即插即用型SCALE-iFlex™ LT双通道门极驱动器可将多个并联EconoDUAL模块的性能提高20%,使用户可以从功率逆变器和变换器堆栈中节省每六个模块中的一个。除了节省驱动器和模块的成本外,这还降低了控制复杂性以及与模块、接线、硬件和散热有关的成本。 
在部分应用中,从IGBT转向SiC MOSFET可以实现显著的性能提升,从而降低系统成本。Power Integrations的SCALE-iDriver™系列高效率单通道SiC MOSFET门极驱动器,可提供最大峰值输出门极电流且无需外部推动级。这些器件经过设定后可支持不同的门极驱动电压

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