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乘风新能源 功率半导体行业快速发展(下)

发布时间:2022-07-07 来源:变频器世界 类型:产业分析 人浏览
关键字:

风电 电力电子 新能源 光伏 储能

导  读:

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。


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。


Q4


海上风电变流器对产品功率、可靠性、稳定性以及抗盐雾性能有着苛刻的要求,请问贵公司方的最优解决案是什么?如何助力客户提升产品品质?



陆思清

大中国区三菱电机半导体应用技术中心副经理

新能源,储能,光伏,风电,电力电子


针对海上风电变流器,三菱电机在不断丰富X系列标准封装产品。目前4500V器件最大电流等级可达到1500A。较之前系列相同封装尺寸产品,额定电流增加了25%。模块内部芯片采用了新的边缘终止技术,大大增加了有效导电面积,从而实现减少结壳热阻,增大输出电流的目的。同时,新的内部封装提高了器件散热、耐湿和防火性能,与海上风电变流器高可靠性的要求相吻合。

新能源,储能,光伏,风电,电力电子

X系列标准封装IGBT模块


Doug Bailey

Power Integrations市场营销副总裁

新能源,储能,光伏,风电,电力电子

Power Integrations拥有多年经验,在海上风电行业处于领先地位,因此我们的产品旨在满足该市场的挑战性需求,我们还可以帮助客户改进设计。

我们的产品基于SCALE和SCALE-2技术设计而成,该项技术将许多功能集成到成熟的ASIC中。这样可减少BOM元件数,提高可靠性。许多保护功能,例如高级有源钳位(短路)和过压保护,都已是标准配置。三防漆用于防止盐雾等环境影响。我们的产品经过多种环境测试,广泛适用于高可靠性应用,适合20至30年使用寿命的系统要求。我们还在研究能够使用预测性维护技术的解决方案。


Q5


在储能产业中,其电力转换装置与风电或者光伏有什么不同之处?贵公司主要的方案是什么,有什么优势?您认为储能变流器的未来趋势是什么?



陈子颖

英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监

新能源,储能,光伏,风电,电力电子

储能系统在能源供应链中有着广泛应用,尤其可再生能源发电占比增加,提高电网的供电稳定性,随时随地按需提供电力更具挑战性。

电池型储能系统(ESS)技术用于配合太阳能或风能设施提供清洁能源,可以平衡发电和用电量,对停电情况瞬间作出相应。储能系统可以是按装的用户侧的分布式储能,也可以安装在发电和输配电侧。功率范围从千瓦级到兆瓦级,能源需要充放双向流动,采用的功率变换技术不尽相同。

储能系统的功率变换系统(PCS)需要进行交流/直流和直流/交流双向转换,储能状态,电网对电池进行充电,馈能状态,电池对电网放电。

英飞凌在能源生产、传输、功率转换和电池管理方面拥有独一无二的丰富经验,在效率、创新、性能和最优成本方面是推动储能解决方案(ESS)的优选合作伙伴。英飞凌分立式OptiMOS™、CoolMOS™、CoolSiC™ MOSFET和IGBT模块、功能集成式EiceDRIVER™栅极驱动器IC、XMC™控制器和安全解决方案是各种储能系统设计中的优选产品。

同时我们与客户一起创新,为客户创新的电路拓扑和功率半导体配置,设计定制化产品,我们为客户,为应用开发最适合,最高效和最具性价比的产品。

 

贾鹏

安森美(onsemi)全球方案中心应用市场工程师

新能源,储能,光伏,风电,电力电子

储能变流器和光伏逆变器的最大的不同之处在于输电方向,储能变流器工作在电网或负载和电池之间,在需要的时候给蓄电池进行双向充放电,而光伏逆变器是将太阳能输出的直流电转化为交流电的单向设备。本质上两者都是基于电能转换的电气设备,对于功率器件的使用和要求也大致类似,所以两者的发展趋势也类似,都是往高能效方向发展。不过储能变流器需要时刻关注电网状态,所以在功率转换部分会需要更复杂的控制策略。我认为碳化硅器件的使用是储能变流器中功率器件的未来趋势,碳化硅作为新一代半导体材料具有耐高压、耐高温、低损耗的特点,非常适合类似储能变流器这样的高频大功率场景。安森美能够为客户提供端到端的碳化硅产品供应支持,以支持快速增长的市场。

新能源,储能,光伏,风电,电力电子

图:储能方案框图(橙色表示安森美可提供)

 

吴毅锋

珠海稼未来科技有限公司CEO&CTO

新能源,储能,光伏,风电,电力电子

风电由于其安装方式等原因,机械部分成本非常高,只有在MW级别才具有综合成本优势,因此很难建设配套的储能电站,多是采用直接并网的方式。光伏铺设面积灵活,5-10kW就可以覆盖家庭应用。光伏逆变器+双向储能变换器+电池系统,除了能够利用光伏发电给电网供电,也能够利用电池储能特性,在电网断电时实现家庭用电的自给自足。光伏储能发电系统可以完全脱离对电网的依赖;如果利用镓未来基于氮化镓的双向储能逆变器方案可以智能的控制光伏发电在电网与电池端的功率分配,可实现能量在电网与电池间的双向流动,平衡电网-光伏-用户的供求差异,最终降低输变电系统的传输损耗,实现错峰用电,同时为用户带来最优的经济效益。这也是未来实现双碳目标的重要一环。

采用珠海镓未来大功率氮化镓的双向储能逆变系统,支持2kW~32kW的分布式储能,且逆变转换效率比IGBT方案高3-4%,提升了储能系统的续航能力,保障家庭用电安全。


Doug Bailey

Power Integrations市场营销副总裁

我们的经验是,客户重复使用现有的光伏或风电变流器。Power Integrations的解决方案与客户首选的功率模块和拓扑结构相匹配。例如,SCALE-iFlex产品系列适合100mmx140mm的新型双通道模块。

储能解决方案(ESS)正与可再生能源系统同步发展,即使在没有阳光或无风的情况下也能提供恒定的能量。如何储存能量仍然是一个挑战。由于对稀有材料的依赖,电池很昂贵,而且其寿命有限。因此,必须找到其他解决方案。氢储能系统(Hydro-ESS)仅在有适当地形的情况下才可以安装。目前,氢储能系统具有非常大的吸引力。


Q6


由于缺芯现象,功率芯片面临涨价以及产能不足的挑战,贵公司对此有何应对措施?面对当严峻的待业环境,是否还有必要加大产品研发的投入?



陈子颖

英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监

高能效和互联世界对半导体的需求持续存在。我们正在大幅增加投资,2021财年投资16亿欧元,2022财年计划投资24亿欧元。这些投资主要集中在扩大产能上,除了硅晶圆制造外,我们还在扩大SiC和GaN晶圆的产能,以便为快速增长的需求做好准备。

 

陆思清

大中国区三菱电机半导体应用技术中心副经理

针对需求暴增的SiC晶圆,三菱电机已全面实现4英寸到6英寸的切换,可以一定程度的缓解产能问题,并且对第三代SiC产品,也正在紧张有序地开发中。面对产能不足的挑战,三菱电机在内部工厂持续进行产能扩增,同时与上游供应商进行多方面的合作。

 

苏勇锦

罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心高级经理

新能源,储能,光伏,风电,电力电子

随着全球能源问题的突显,采取相应的对策已成为当务之急。SiC功率元器件有望成为电动汽车和工业设备节能的关键器件。罗姆自2010年开始量产SiC功率元器件(SiC SBD、SiC MOSFET)以来,一直在推进业内先进的技术开发,并较早实现了全SiC功率模块和沟槽结构SiC MOSFET的量产。不仅如此,在制造方面,还建立了罗姆集团引以为豪的垂直统合型生产体制,并通过扩大晶圆的口径和引进新设备来提高生产效率,同时还致力于减轻生产过程中造成的环境负荷。2021年,在ROHM Apollo Co.,Ltd.(总部位于日本福冈县)筑后工厂投建了新厂房,进一步增强SiC功率元器件的产能。

 

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

新能源,储能,光伏,风电,电力电子

我司的芯片制成及封装生产都是自主完成的。但是由于上游供应商(晶圆厂商以及封装材料厂商)的涨价和产能限制等影响,我司也面临着成本上升的压力和扩产计划受限等挑战。

但越是在困境中,就越不能放缓新产品的研发。只有在保证产品特性等不变甚至进一步提升的前提下,通过不断地设计创新,工艺改良,成本优化等,开发出更具有竞争力的产品,企业才能得到健康发展并回馈给终端用户。

 

胡少伟

南京芯长征科技有限公司市场部经理

新能源,储能,光伏,风电,电力电子

首先,芯长征作为一家功率半导体芯片设计、模组封测、检测设备自主可控的Virtual-IDM企业,在芯片制造环节上,我们是通过与国内一流代工厂达成战略合作的方式实现了产业链的整合。正因为芯长征采用了该模式,所以缺芯现象对我们的冲击会小一些。随着不断加强与战略合作伙伴关系,芯长征今年的芯片产能将会比去年增长20%,采购成本的涨幅也会在可控范围之内。

其次,通过技术的升级与迭代,也可以缓解当前大环境给企业带来影响。先进技术的研发,不仅是为了在拓展应用领域的时候,使产品在不同的使用环境下满足客户需求, 也是为了采用新一代技术的产品在保证性能的前提下,减小芯片面积,从而提高芯片产量,降低产品成本。

不管是在多么严峻的环境下,芯长征在产品和技术上会不断地寻求突破与完善,尽全力满足客户需求、市场需求。这也应了我们的那句口号,《一往无前长征路,自强不息中国芯》。

 

王思亮

成都森未科技有限公司COO

新能源,储能,光伏,风电,电力电子

首先,从供应角度,森未科技在此前对新能源市场有一定预判,所以产能储备,尤其是晶圆流片的产能,相对比较充分,可以很好地满足当前以及潜在客户对IGBT器件的需求。其次,从研发角度,森未科技作为设计公司,一直坚持以市场为导向,持续增加研发力度,虽然疫情对整个宏观经济带来负面影响,但是我们坚持认为长期来看,新能源市场对高端功率半导体器件的需求一定会持续上涨,因此作为本土企业,我们有热情也有使命加大对新能源市场的研发资源投入,以最快速度和最高要求向更多客户提供高性能的国产化IGBT等功率半导体器件。

  

吴毅锋

珠海稼未来科技有限公司CEO&CTO

随着新能源的蓬勃发展,电动汽车及充电桩的需求进一步加大。近年大功率MOSFET、IGBT都处于短缺中,个别型号交期拉长到一年以上。对于以上困境,镓未来持续扩充GaN HEMT产能,包括对晶圆厂追加投资,预计3年内GaN晶圆产能扩大4倍以上;同时与国内头部封测代工厂深化合作,提升封测产能。另外,镓未来已经启动开发新一代技术平台的方案,每张氮化镓晶圆的芯片数量进一步提高从而显著降低成本。我们认为只有持续的研发投入,才能保证镓未来在大功率氮化镓市场的领先地位,用性能更强的氮化镓方案替代硅超级结方案,帮助客户提升产品竞争力。


Doug Bailey

Power Integrations市场营销副总裁

Power Integrations的生产有序进行,产能正常,我们不存在明显的缺芯问题,并且我们相信我们有足够的能力来满足市场需求。

在电路板级别,Power Integrations绝不会使用劣质元件损害我们产品的质量和可靠性,而且由于我们采用自研ASIC技术,我们的BOM数量远低于同行产品,从而在质量、性能和供应安全方面具有优势。


Q7

随着越来越多的功率半导体厂商加入新能源市场,行业竞争将进一步加剧,请问贵公采取怎么样的发路线?请从技术、产品和市场定位方面谈一下公司的战略面局。



陈子颖

英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监

我们持续在开发新一代的芯片技术,采用微沟槽技术的TRENCHSTOP™ IGBT7产品系列已经全面建立,从单管封装到大中小功率模块全面覆盖,在PCIM的展会上你能感觉到IGBT7的时代已经到来。

这是为各类应用定义的芯片,譬如按照电机驱动的过载条件定义,使得产品的输出电流能力充分得到利用,系统的功率密度可以相应提高,降低系统成本。

英飞凌引领着SiC的工业应用市场,并以业界最广泛和最可扩展的产品组合成功地推动SiC在汽车领域的应用。公司直接或通过分销向3,000多个客户供货。20多年来,碳化硅(SiC)对英飞凌来说一直很重要。我们预计,本财年碳化硅业务将增长90%,到2025年左右销售额将达到10亿美元,占有30%的市场份额。


陆思清

大中国区三菱电机半导体应用技术中心副经理 

随着功率半导体市场竞争加剧,三菱电机将利用现有技术的优势,致力于低功耗和高功率密度的模块开发。


苏勇锦

罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心高级经理

在功率半导体方面,相比硅,碳化硅具有高效率等特性,因而可以更有效地利用电动汽车电池的电能。这将非常有助于延长电动汽车的续航里程并削减电池体积和成本。

作为碳化硅元器件的领军企业之一,罗姆一直致力于先进产品的开发,早在2010年便于业界首次量产SiC MOSFET。在车载领域,罗姆于2012年推出了支持AEC-Q101认证的车载品,并在车载充电器(OBC)领域拥有很高的市场份额。此外,罗姆碳化硅产品还应用于车载DC/DC转换器等领域。2020年6月,罗姆发布了业界先进的第4代低导通阻抗碳化硅MOSFET。与以往产品相比,在不牺牲短路耐受时间的前提下,成功实现业界较高水平的低导通电阻。此产品非常适用于包括主机逆变器在内的车载动力总成系统和工业设备的电源。业界预计2023年开始碳化硅在主机逆变器上的应用需求会增加,现在是重要的时间窗口,罗姆第四代碳化硅MOSFET已经获得很多厂商的评估和询价。

与此同时,以SiC功率器件为核心,罗姆提供各种充分发挥功率器件性能的模拟IC(绝缘栅极驱动器和电源IC等),提供适合各个应用的更佳解决方案。


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

良性的竞争对企业来说既是一种挑战,也是一种激励。在政府提出的“双碳”战略目标的指引下,新能源市场长期利好的背景下,凭借着多年的技术积累,丰富的行业应用经验和良好的客户口碑,我相信我司的产品在追求高可靠性及高效率的中高端市场有良好的应用前景。


贾鹏

安森美(onsemi)全球方案中心应用市场工程师

功率半导体市场加速发展,是受可持续发展和抗击气候变化的大趋势所推动的。新能源也是安森美重点关注的细分领域之一,我们的战略是以高度差异化的智能电源和智能感知技术,推动颠覆性创新,赋能可持续的生态系统。安森美的智能电源和智能感知方案提供相辅相成的力量和最先进的功能以达至最佳效果。我们的智能电源方案使客户以更轻的重量超越功率范围目标,以无与伦比的能效降低系统成本,以实现最高能效的太阳能电池组、工业电源、储能系统和推进汽车功能电子化,赋能高能效的快速充电系统。

第三代半导体SiC技术,进入的门槛很高,安森美是全球屈指可数的少数几家具备从晶体生长到晶圆制造再到成品封装全产业链整合的供应商之一,这赋予了我们独特的竞争优势。此外,安森美正进一步优化供应链和制造网络,包括对300mm晶圆厂和SiC的不断扩产,以为战略客户提供长期的供应保证。


胡少伟

南京芯长征科技有限公司市场部经理

功率器件是否成功应用于特定系统,至少包含两个维度:参数特性(“能不能用”)和可靠性特性(“能不能长期用”)。在解决”能不能用”的问题上,芯长征有一套成熟的研发体系,按照生产一代、研发一代、预演一代的体系进行产品的代际更新;比如目前采用G3技术开发的用于汽车的IGBT模块,参数特性可直接对标业界主流的第七代产品;同时,我们在研发中的G4技术,功率密度将进一步提升,通过我们市场搜集,该技术目前国外同行均处于研发阶段,在IGBT技术层面我们走在了前列。

在“能不能长期用”的问题上,芯长征做了以下布局,首先,划分了不同等级的可靠性标准(分别针对车归类、工规类、消费类),实施分类管理;其次,在可靠性设备上做了大量通用设备的采购以及专用设备的开发;再次,更为重要的是,芯长征结合特定领域对可靠性的要求,以及标杆客户的特定需求,制定可靠性项目和实验方法,保证产品的长期可靠性。补充说明一点,第三代半导体SiC产品,芯长征也一直在布局,目前在芯片端以及产品的可靠性方面也取得了一定突破,待信息可以披露,及时分享给大家。


王思亮

成都森未科技有限公司COO

作为以芯片设计和销售为主营业务的公司,森未科技的特点在于:首先,具有自主设计开发的芯片,截止目前已超过100款,适用于新能源市场的各个方面,目前已经应用于光伏、储能、充电桩、电机驱动等各个细分领域。丰富的自主芯片库使我们具备了应对市场竞争的最基础和最关键的要素。其次,芯片技术的快速迭代。森未科技团队专注于IGBT等功率半导体芯片研发,迄今已超过10年,从平面栅&NPT到现在的沟槽栅&FS,持续不断地进行芯片技术迭代。针对新能源市场,森未科技已经开发完成并正在优化高速H系列和U系列产品,并有强有力的应用团队协助与支持,将为新能源客户提供更适合的解决方案和专业服务。


吴毅锋

珠海稼未来科技有限公司CEO&CTO

在新能源市场,新兴的功率半导体厂商还是以硅基为主,其产品主要是MOSFET和IGBT。我们坚信提高转换效率和功率密度是新能源产业永恒的追求。氮化镓方案的转换效率和工作频率比MOSFET高,远超IGBT,符合行业发展趋势。因此镓未来从一开始的定位就是大功率氮化镓器件制造商及高功率密度应用服务商。我们用栅极高可靠性、易于驱动的氮化镓HEMT来满足客户对设计鲁棒性的要求。在双向储能市场,大部分的氮化镓方案采用的都是镓未来的器件。我们也跟国内头部的光伏企业、充电桩企业合作,发挥氮化镓的高频性能,开发更高功率密度的电源产品。


Doug Bailey

Power Integrations市场营销副总裁

PI的理念是不断提高自身产品的集成度。这不仅有利于提高产品性能、质量和可靠性,而且对于供应链管理中的组件分配也特别有益。Power Integrations将继续开发具有定制功能集的市场特定产品,以满足注重成本优势的大批量市场以及高端应用的需求。


结语

在碳达峰、碳中和的双碳目标指导下,新能源汽车、光伏、风电、储能等新能源应用开始崛起,随着电动汽车渗透率的快速提升、智能化领域需求的扩大以及新能源光伏、风电、储能等产品的推广普及,功率半导体业务有望进入较长时间的高速增长阶段。

IGBT、SiC是新能源产业关键零部件逆变器的核心元件,随着新能源市场的不断发展落实,以IGBT、SiC为代表的功率半导体市场空间得以进一步打开。

当下,功率半导体已经成了风口,行业内一些技术领先的企业正在强势崛起。

“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,我们相信,在功率半导体厂商最好的时代,国内外厂商必将披荆斩棘,通过创新技术以及更高品质的产品打开广阔的应用市场,迎来新的发展契机。

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