乘风新能源 功率半导体行业快速发展（上） - pcim展览会

2022上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于8月31日至9月2日在上海新国际博览中心举行，邀您关注今日上海电子展新资讯：

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。

2022年8月，PCIM Asia 国际电力元件、可再生能源展览会即将在上海举办，PCIM Asia将与《变频器世界》合作，共同打造全新的《电力电子专栏》，增值展商的推广服务。本期我们特邀请英飞凌、富士电机、三菱电机、安森美、Power Integration、芯长征、森未科技和镓未来的专家、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，来满足市售SiC-MOSFET的需求。除了这些IC，Power Integrations还提供经过全面配置、测试和认证的SiC门极驱动板。

Q2
光电转化效率是光伏降本的关键之一，贵公司如何通过新一代功率半导体帮助客户解决当前困境，目前贵公司能为光伏行业提供怎么样的解决方案，该方案的优势如何体现？

陆思清
大中国区三菱电机半导体应用技术中心副经理

针对光伏行业，三菱电机新研发了工业LV100封装IGBT模块产品，电压等级有1200V、1700V和2000V，电流等级有800A和1200A。模块优化了内部芯片布局和外部端子排列，有利于模块的并联应用，使其可广泛应用于逆变器的各自配置和容量。模块搭载了三菱第7代IGBT和RFC二极管，有助于降低功率损耗。同时，模块优化了内部电极结构，大大降低了内部封装电感，提高了可靠性。

工业LV100封装IGBT模块

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

富士电机于2021年推出了基于X系列IGBT技术的新一代工业RC-IGBT（Reverse-Conducting IGBT)模块产品系列。通过X系列芯片技术的低损耗和基于RC-IGBT的散热性能的提高，逆变器的输出功率密度得以进一步提升一个等级。先进的宽禁带半导体器件也有助于系统效率的提升。

富士电机于2018年就推出了基于第一代沟槽栅结构的全碳化硅模块。今年将会量产第二代SiC-Mosfet，通过芯片减薄和沟槽间距微细化技术单位面积的导通电阻比第一代降低了23%。整体损耗相对于富士电机最新的硅模块可以降低百分之六十以上，可以大大提升逆变器的整体效率。

贾鹏
安森美(onsemi)全球方案中心应用市场工程师

安森美是领先的功率器件厂商，能够提供适用于目前光伏市场的低中高压IGBT、MOSFET单管和模块产品及先进的高能效封装。同时，安森美也是唯一能提供从碳化硅衬底到模块的端到端供应商。凭借我们的碳化硅产品整合的端到端供应链和领先市场的效率，我们为客户提供所需的供应保证，以支持未来快速增长的市场。

安森美提供宽广的功率器件阵容让设计人员选择最适合应用尺寸、成本和能效要求的电源拓扑，我们基于SiC的太阳能逆变器模块能效超过99%，我们的SiC MOSFET实现更快速的开关和更小巧的终端产品，如1200V M3S SiC MOSFET在硬开关应用中比领先行业的竞争对手减少达20%的功率损耗；我们新的D3 1200V SiC二极管系列最小化导通损耗和开关损耗，提高终端应用能效；我们的全SiC和混合SiC模块经优化提供卓越的性能，比分立器件热阻更低，易于安装，有行业标准的封装和引脚，如将在本次PCIM Asia展出的全SiC功率集成模块(PIM) NXH010P120MNF1非常适用于3相太阳能逆变器和储能系统，采用2-PACK半桥架构，集成2个1200V SiC MOSFET，RDS(ON)低至10mΩ，高能效和高功率密度，它的较大裸芯片与沟槽式MOSFET相比，降低了热阻，从而在相同的工作温度下降低了裸芯片温度，嵌入的一个负温系数(NTC)热敏电阻有助于温度监测，灵活的散热接口提供高可靠性。

图：全SiC模块NXH010P120MNF1

此外，安森美也提供除功率器件以外的门极驱动、隔离、检测、联接等方案，如下面的框图所示。在系统方面安森美也有很强的技术和系统知识，为客户提供全球的应用支援。

吴毅锋
珠海稼未来科技有限公司CEO&CTO

镓未来已量产650V氮化镓大功率器件，具有极低的开关损耗和导通内阻。

在户用光伏的MPPT升压线路中使用氮化镓器件代替硅MOSFET，而后级DC-AC逆变线路当中，采用氮化镓器件取代IGBT，整体的转换效率可提升3%，等价于单位面积发电量的提升。使用氮化镓器件，变换器的开关频率可以提升2-3倍，降低了磁性器件的尺寸，另一方面功率损耗的降低也大大降低了散热片的体积，从而使得整机体积和重量能减少30%，方便安装。

Doug Bailey
Power Integrations市场营销副总裁

对于光伏中心区域应用，例如能量通过一个中央变换器（也即SCALE-iFlex LT双门极驱动器）进行路由的大型装置，优化硅是必不可少的，并且需要高性能的并联。动态和静态均流性于并联模块的稳定工作至关重要。对于相同的功率输出，使用SCALE-iFlex LT的系统只需要五个并联模块，而其他厂商的方案则需要六个。实现成本和复杂性显著降低的技术原因在于，保证模块之间的开通和关断指令的延迟差异小于20ns，在导通600A额定电流时模块之间的电流差异小于20A。这使得各模块能够可靠地运行，而无需进行电流降额，而电流降额在不太先进的驱动器解决方案中是必不可少的。

最多6个EconoDUAL 3或同等的功率模块可以从同一个绝缘主控制(IMC)单元进行并联，其外形比传统产品更加紧凑。模块适配门极驱动器(MAG)的外形尺寸与EconoDUAL模块相匹配，每个EconoDUAL模块具有两个SCALE-2 ASIC（每个通道一个），以优化并联对称性、提高效率并增强保护。

对于较小的光伏组串装置，SCALE-iDriver高效率单通道门极驱动器支持高达1200V和数百千瓦的IGBT和SiC-MOSFET逆变器设计，无需推动级。这样将提高系统效率，客户只需完成一个设计即可覆盖整个产品阵容中不同额定功率的逆变器。开关频率高达150kHz，可支持多种应用。

SCALE-iDriver门极驱动器采用Power Integrations的高速FluxLink™通信技术，可大幅增强绝缘性能。FluxLink是一项革新性的信号传输技术，它可取代光耦器和电容性或硅基方案，显著提高可靠性并提供1200V加强绝缘。

器件还可在开关操作期间提供完整的短路保护(≤2µs)和过压保护。

Q3
随着风机价值的普遍下降，风电变流器将承担巨大的压力，作为功率器件厂商，将如何帮助风电行业客户越过鸿沟？

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

我们认为风电变流器的大容量，高电压化的趋势不会改变。如之前所述，富士的RC-IGBT可以大幅降低结-壳热阻，因此特别适用于具有低频工况的机侧变流器。例如富士2合1封装的1700V/800A RC-IGBT模块，在两电平拓扑下，4并联就可以实现1.5MW以上的输出能力，在业界收到广泛的欢迎。

从国外的风电市场看，950V系统的普及率越来越高，在未来使用2.xkV等级模块的两电平系统可能会有更大成本上的优势。

Doug Bailey
Power Integrations市场营销副总裁

与光伏市场一样，风电行业也在提高现有硬件的利用率。因此，对于集中式和分散式部署，我们的SCALE-iFlex LT和 SCALE-iDriver解决方案可分别提供巨大的优势，如前面两个问题的回答中说述。对于集中式部署，即插即用型SCALE-iFlex™ LT双门极驱动器允许用户从功率逆变器和变换器堆栈中节省每六个模块中的一个；在分散式部署中，SCALE-iDriver门极驱动器使用户能够受益于最新的SiC技术，从而实现性能优化。

PCIM Asia国际电力元件、可再生能源展览会

一直致力于构建可再生能源功率器件的展示平台，PCIM Asia将于2022年8月21日至9月2日在上海举行。届时，各大电力电子品牌企业首发最新研发成果，分享行业发展趋势，吸引工业电子、汽车电子、可再生能源管理、超大功率应用等领域采购商莅临参观采购。

目前，已经报名参展的知名企业包括：普乐华、士兰微、纳芯微、宏微、莱姆、华特力科、轩田、Soitec、愿力创、楼世、格律、东芝、科威尔、开尔文、维通利、赛晶、台芯、诺德森、泰昕、镓未来、新创椿树、曼特、泰克、圣达电子、Sabic、嘉一、飞仕得、维联传热、AVX、英飞凌、中车、罗姆、富士电机、安森美、万国半导体、晶佰源、高坤、意杰、威斯派尔、三菱电机、Power Integrations、赛米控、青铜剑、韩国展团、贺利氏、派恩杰、丹佛斯、MD Alpha、爱微、多维、稳利达、GTS、三下、百识、鹰峰、岩崎通信会社、瑞迪、芯长征、微瞬、正天、安泰天龙、世椿、日立高新、兆东、华显、VAC、森未科技、西安明科、Hitachi、IVWorks、力钛科、普赛斯、CeramTec、普森美和思开半导体等。
同时，展会现场邀请企业参加双碳目标的新能源开发利用，邀请光伏、风能、氢能和电力储能等领域的专家、学者和企业作演讲报告，共同分享交流最新研究进展、企业具体解决方案。现正接受企业报名，可联系主办方获取申请表格。

    文章来源：PCIM电力元件可再生能源管理展

2022上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于2022年8月31日至9月2日在上海新国际博览中心举行；上海电子展更多资讯，详情请登陆官网 https://pcim.gymf.com.cn

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