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功率器件市场四处狼烟 细分领域竞争加剧

日期:2019-11-17 08:13
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摘要: 根据IC Insights*新的调查报告,全球分立式功率晶体管市场在2012年受到整体经济形势的影响出现大幅下滑之后,2013年在低谷基础上强势反弹,至2017年,全球分立式功率晶体管市场的营收将每年以8.5%左右的速度成长。   功率器件市场之所以能够重新步入高速发展的轨道,主要是由于在节能减排、绿色环保的新产业政策下,迫切要求对能源的利用率实现进一步的提升,功率器件作为提高能源转换效率的关键部件,将在当中发挥重要的作用。但与此同时,这一变化激烈的替代能源市场让过去一直十分稳定的功率器件市场产生了动荡。 ...

根据IC Insights*新的调查报告,全球分立式功率晶体管市场在2012年受到整体经济形势的影响出现大幅下滑之后,2013年在低谷基础上强势反弹,至2017年,全球分立式功率晶体管市场的营收将每年以8.5%左右的速度成长。

  功率器件市场之所以能够重新步入高速发展的轨道,主要是由于在节能减排、绿色环保的新产业政策下,迫切要求对能源的利用率实现进一步的提升,功率器件作为提高能源转换效率的关键部件,将在当中发挥重要的作用。但与此同时,这一变化激烈的替代能源市场让过去一直十分稳定的功率器件市场产生了动荡。

 

  2006~2020年全球功率器件市场趋势(单位:百万美元)

  各细分应用市场增长不一

  三菱电机大中国区半导体市场总监钱宇峰估计,功率器件市场在整体经历了2012年的业绩下滑后,市场正在逐渐恢复并升温,预计到2014年整体业绩可以恢复并超越2011年的历史高峰。他指出,在中国政府2014年推行的“治污染促消费”政策下,受益行业包括保障性安居工程、铁路、信息技术、新能源、节能设备以及城市基础设施项目。为了满足市场需要,三菱电机持续每年投入产品研发,降低产品的重量、尺寸和损耗,*终实现提升性能和降低成本。现阶段集中发展第7代IGBT模块、混合SiC产品、工业用DIPIPM以及新的IPM系列。

  “变频空调在2013年的变频率达到30%,2014年仍有5%的递增,同时随着2013年6月"节能惠民政策"正式推出,以及10月变频空调新能效标准的实施,变频率将逐年递增,其DIPIPM的需求也会相应提升。”钱宇峰指出,“三菱电机在中国市场*主要是白色家电和传统工业,特别是在变频空调领域,目前三菱电机的DIPIPM产品在中国市场份额接近60%,采用压铸模技术生产的小型DIPIPM智能功率模块,已经成为行业标准。”

在传统工业领域中,三菱电机的DIPIPM,以小型化、集成化、高性价比在市场竞争中胜出,主要用于通用变频器、伺服、数控等马达驱动和运动控制领域,同时随着中国的经济结构调整,小功率产品的应用,特别是机器人和工厂自动化产品可能每年都有30%,甚至50%的提升。

  在大功率电力牵引领域,钱宇峰指出*近二至三年内中国政府仍然将维持每年7千亿元的投入来发展大铁路项目,包括高铁、和谐号货车、客货两运车等,再加上地方政府每年投入3千亿元建造地铁,整个牵引市场的投入近1万亿元,其中约1,300亿元用于采购和更新机车,所以市场前景保持乐观。

  对于新能源市场,三菱电机则持乐观谨慎态度。钱宇峰解释,政府希望引导太阳能市场从集中式大型电站慢慢向分布式小型电站发展,因此在年初制定了今年14GW的装机容量目标,但半年过后效果不理想,估计*后目标会回归到2013年的10GW水平,市场将以大型电站(单台1MW)分布式安装为主;同时配合推出三电平的方案,以提高发电效率,作为今后太阳能光伏发电技术发展的前端产品。

  在电动汽车方面,据发改委的数据,在2015年将有50万台,到2020年达到500万台的量,虽然目前的业绩离此目标还很远,但是相信其市场潜能是巨大的。至于风电,他指出目前厂家更多的研发已经从陆上风电转向了海上风电,容量将从3兆瓦到6兆瓦,以HVIGBT三电平方案为主,估计未来五年总的市场容量将在500兆瓦至1GW,但和陆上风电每年13GW到高峰期的17GW是不可同日而语的,因此市场潜力有限。

  IGBT、SiC器件继续技术演进

  IGBT是节能与新能源领域核心电子元器件,被公认为是电力电子技术第三次***具代表性的产品。

  “根据IGBT电流容量和市场需求,功率器件分成四大类,包括用于家电变频器的小功率器件,用于工业的较大功率器件,应用在电动汽车的中 功率器件,以及用于电力和牵引的大功率器件。今后将朝高电流密度、小型化封装及低损耗方向前进。”钱宇峰指出。目前600~900V的IGBT产品依然是市场的主流。虽然近期有IGBT厂商正积极抢进600V以下的低压应用以开创成长新契机,但600~1200V的应用市场依然是各大IGBT厂商竞争的焦点,并且各大厂商更多是通过技术**、工艺**来提高竞争力,以抢占更多市场份额。

  IGBT芯片始于19世纪80年代中期,30年以来,就FOM(优点指数)来说,今日的IGBT芯片比**代的性能提升了20倍左右,其中改良技术包括:精细化加工工艺、栅式IGBT的开发(如CSTBTTM),以及薄晶圆的开发等等。钱宇峰表示,三菱电机的IGBT芯片已经踏入第7代,还将朝第8代迈进。随着产品的更新换代,功耗越来越低,尺寸越来越小,从80年代中期至今,芯片尺寸只是原来的四分之一。

  实际上,在**方面,各大企业从来都没有止步。为了增强自己竞争力,各大企业几乎都在不遗余力地推陈出新。已连续十年稳居功率半导体市场榜首的英飞凌,在IGBT领域是强有力的竞争者之一。例如其全新的650 CoolMOS C7和TRENCHSTOP 5 IGBT技术,英飞凌科技(中国)有限公司工业功率控制业务部经理陈子颖介绍说:“CoolMOS C7系列是技术上的一次**性飞跃,在硬开关应用的所有标准封装中都实现了全球*低RDS(on),TO-247中为19m,TO-220和D2PAK中为45m,达到同类*佳等级。C7的快速开关性能可实现超过100kHz的开关频率,同时在服务器PFC等级上实现了钛金级效率,提供了提高功率密度的新方法。”

 

他继续表示:“而TRENCHSTOP 5 IGBT技术重新定义了"同类*佳IGBT"的含义,可提供无可比拟的效率性能。在要求高效率、低系统成本和高可靠性的应用中,TRENCHSTOP 5是唯壹的*佳选择。全新TRENCHSTOP 5 IGBT极大地降低了开关和导通损耗—与竞争对手的IGBT相比,其系统效率提升了将近1%—同时具有高达650V的击穿电压。”

  东芝的IEGT则是在IGBT的基础上成功研发出“注入增强”(IE:Injection Enhanced)技术,用于高电压大电流级别的IGBT使其性能得到大幅提升。随后,针对100kW到MW级别的超大功率电力转换设备的应用,开发出东芝砖利产品IEGT。IEGT通过采取“注入增强结构”实现了低通态电压,使大功率电力电子器件取得了飞跃性的发展。

  东芝公司表示,IGBT系列电力电子器件具有良好的发展前景,其具有低损耗、高速开关、高耐压、有源栅驱动智能化等特点,并采用沟槽结构和多芯片并联均流等技术,使其在进一步及扩大电流容量方面颇具潜力。目前,东芝的IEGT主要应用于新能源、太阳能、风能、高压直流输电(HVDC)、牵引用特种电源等特大功率电力领域。随着电力市场项目功率等级和电压等级的不断提高,IEGT的优势逐步得到了体现和认可。现在国内市场上已经有以东芝的IEGT作为核心器件成功运行项目。

  另外,IGBT厂商还将通过把现在的150mm和200mm晶圆增至300mm来削减成本。功率器件的封装技术决定其散热性能。为了保护裸晶圆不受外界干扰,所有IGBT及IPM模块都要封装起来,甚至把功能集成起来,这样使用起来更方便及安全,也缩短客户产品开发周期。在*新一代的封装技术中,采用针型散热器,结合到铜基板或铝基板上,系统将更小型化。

  作为功率器件中的新星,SiC仍然朝着更低功耗、更低成本的方向改善。钱宇峰表示,三菱电机已开始引入混合SiC产品,即IGBT芯片用传统的单晶硅,续流二极管用SiC,恢复特性特别好,开关频率高,节能效果更好。在30kHz的应用条件下,混合SiC产品的功耗可以降低50%,适合应用在医疗设备,如核磁共振和CT彩超等应用中。

  在全SiC产品的研发上,因为比单晶硅的价钱贵好几倍,只能针对如日本新干线这种对产品要求极高,同时愿意承担费用的客户设计。在研发混合SiC产品时,三菱电机会把价格控制在同等电流等级单晶硅产品的两倍以内。他表示,目前制约因素确实是价格,预计至少5至8年才能商品化。

 

总体来看,三菱电机展望功率模块技术的发展方向,归结为三点:一是芯片薄,能降低功耗;二是封装散热性好,包括能承受更高的温度或提升电流密度,以拓展产品覆盖面;三是集成度高,如嵌入驱动电路,以提高使用可靠性。

  国产功率器件加快发展步伐

  在中国,为了适应大环境的需求,扶持相关企业的健康发展,国家在新能源、节能环保方面出台了一系列支持性的政策措施,在政府和市场的双重推动下,功率半导体行业正面临着重要的发展机遇。国内IGBT市场近年呈现出持续快速增长的势头,据不完全统计,至2013年末国内IGBT功率器件的市场规模将近70亿元人民币,同比增长大约15%左右;2013年至2015年,国内IGBT功率器件市场规模的年均复合增长率将达到18%左右。

  意识到技术突破的重要性,对于国内本土功率器件厂商来说,实现尖端产品的国产化进程,打破国外技术的垄断显得尤为重要。值得一提的是,近日国内靠前自主研发生产的“001号”8英寸IGBT专业芯片,在中国南车(601766,股吧)株洲所下线,并移交中国科技馆收藏。据透露,这条国内首条、世界上第二条8英寸IGBT专业芯片线将于今年下半年投产,标志着我国开始打破英飞凌、ABB、三菱电机等国外公司在优异IGBT芯片技术上的垄断,对保障国民经济安全和推动节能减排具有重大战略意义。

  这条投资近15亿元的8英寸IGBT生产线首期将实现年产12万片8英寸IGBT芯片,配套生产100万只IGBT模块,真正实现IGBT的国产化。从全产业链来看,IGBT及其应用产业链价值高达万亿元。而且,它还涉及到电子材料(比如硅片)、电工材料、陶瓷结构件、散热器等相关配套产业,具有极强的产业拉动作用。据初步估算,如果将IGBT等电力电子技术应用到国内20%的电机中,每年可节约用电两千亿千瓦时,相当于两个三峡电站的年发电量。

  展望未来中国功率器件市场整体发展,钱宇峰强调2014年以后,这个市场肯定是向上。“中国经济的发展正朝消费类型转变,为了出行便利,带来对高铁和地铁的需求。政府也大力推动节能环保,倡导电动车,随着个别受欢迎车型出现后,相信电动汽车在中国的发展还是有希望的。在民生层面,特别是变频家电、变频空调的发展,仍然会给三菱电机的功率模块带来业务提升。对于太阳能领域的发展,不管产能过剩否,仍然会拉动内需。总的来说,功率器件会在电力牵引、变频家电、新能源,特别是电动汽车以及机器人或运动控制等市场有长足的发展。

 

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