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          乘風新能源 功率半導體行業快速發展(下)

          發布時間:2022-07-07 來源:變頻器世界 類型:產業分析 人瀏覽
          關鍵字:

          風電 電力電子 新能源 光伏 儲能

          導  讀:

          以光伏、風電、儲能為代表的新能源產業已顯現出長遠的發展價值,而電力轉換是新能源的核心技術,隨著碳化硅等新一代電力電子器件的出現,勢必會改變新能源行業的發展格局。


          為應對氣候變化、解決環境保護與經濟發展的矛盾,我國提出碳達峰、碳中和“3060”的目標。“雙碳”戰略的推進為各行各業注入了新的活力,不斷改變著行業的競爭格局,也催生了新能源汽車、光伏、風電、儲能等一批新型產業的興起。

          相關數據顯示,我國新能源汽車累計銷量從2012年底的2萬輛,大幅攀升到今年5月底的1108萬輛。自2015年起,產銷量連續7年位居世界第一。在新能源發電領域,分析機構Wood Mac預計至2025年全球光伏和風電裝機量有望分別達到146GW和86GW。作為功率器件應用的重要下游,全球新能源滲透率的快速提升有望持續帶動功率器件下游需求,全行業景氣度有望維持高位。

          IGBT等功率器件作為光伏逆變器、風電變流器及儲能變流器的核心半導體部件,對電流起到整流、逆變等作用,以實現新能源發電的交流并網、儲能電池的充放電等功能。因此IGBT等功率器件將充分受益于綠電及儲能的高速發展。根據相關機構測算,全球風電、光伏及儲能對IGBT的需求價值量將由2021年的86.7億元增長至2025年的182.50億元,CAGR高達20.45%。

          在碳中和背景下,以光伏、風電、儲能為代表的新能源產業已顯現出長遠的發展價值,而電力轉換是新能源的核心技術,隨著碳化硅等新一代電力電子器件的出現,勢必會改變新能源行業的發展格局。

          8月,PCIM ASIA 2022即將在上海舉辦,《變頻器世界》從本期開始,將與PCIM ASIA合作,共同打造全新的《電力電子專欄》。本期我們特邀請業內企業、專家、工程師圍繞“面對新興產業的發展和新興領域的應用需求,電力電子將做出哪些改變,以更好地滿足行業需求和促進電力電子技術的發展?!痹掝}進行廣泛參與討論。


          Q4


          海上風電變流器對產品功率、可靠性、穩定性以及抗鹽霧性能有著苛刻的要求,請問貴公司方的最優解決案是什么?如何助力客戶提升產品品質?



          陸思清

          大中國區三菱電機半導體應用技術中心副經理

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子


          針對海上風電變流器,三菱電機在不斷豐富X系列標準封裝產品。目前4500V器件最大電流等級可達到1500A。較之前系列相同封裝尺寸產品,額定電流增加了25%。模塊內部芯片采用了新的邊緣終止技術,大大增加了有效導電面積,從而實現減少結殼熱阻,增大輸出電流的目的。同時,新的內部封裝提高了器件散熱、耐濕和防火性能,與海上風電變流器高可靠性的要求相吻合。

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子

          X系列標準封裝IGBT模塊


          Doug Bailey

          Power Integrations市場營銷副總裁

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子

          Power Integrations擁有多年經驗,在海上風電行業處于領先地位,因此我們的產品旨在滿足該市場的挑戰性需求,我們還可以幫助客戶改進設計。

          我們的產品基于SCALE和SCALE-2技術設計而成,該項技術將許多功能集成到成熟的ASIC中。這樣可減少BOM元件數,提高可靠性。許多保護功能,例如高級有源鉗位(短路)和過壓保護,都已是標準配置。三防漆用于防止鹽霧等環境影響。我們的產品經過多種環境測試,廣泛適用于高可靠性應用,適合20至30年使用壽命的系統要求。我們還在研究能夠使用預測性維護技術的解決方案。


          Q5


          在儲能產業中,其電力轉換裝置與風電或者光伏有什么不同之處?貴公司主要的方案是什么,有什么優勢?您認為儲能變流器的未來趨勢是什么?



          陳子穎

          英飛凌科技工業功率控制事業部市場總監

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子

          儲能系統在能源供應鏈中有著廣泛應用,尤其可再生能源發電占比增加,提高電網的供電穩定性,隨時隨地按需提供電力更具挑戰性。

          電池型儲能系統(ESS)技術用于配合太陽能或風能設施提供清潔能源,可以平衡發電和用電量,對停電情況瞬間作出相應。儲能系統可以是按裝的用戶側的分布式儲能,也可以安裝在發電和輸配電側。功率范圍從千瓦級到兆瓦級,能源需要充放雙向流動,采用的功率變換技術不盡相同。

          儲能系統的功率變換系統(PCS)需要進行交流/直流和直流/交流雙向轉換,儲能狀態,電網對電池進行充電,饋能狀態,電池對電網放電。

          英飛凌在能源生產、傳輸、功率轉換和電池管理方面擁有獨一無二的豐富經驗,在效率、創新、性能和最優成本方面是推動儲能解決方案(ESS)的優選合作伙伴。英飛凌分立式OptiMOS?、CoolMOS?、CoolSiC? MOSFET和IGBT模塊、功能集成式EiceDRIVER?柵極驅動器IC、XMC?控制器和安全解決方案是各種儲能系統設計中的優選產品。

          同時我們與客戶一起創新,為客戶創新的電路拓撲和功率半導體配置,設計定制化產品,我們為客戶,為應用開發最適合,最高效和最具性價比的產品。

           

          賈鵬

          安森美(onsemi)全球方案中心應用市場工程師

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子

          儲能變流器和光伏逆變器的最大的不同之處在于輸電方向,儲能變流器工作在電網或負載和電池之間,在需要的時候給蓄電池進行雙向充放電,而光伏逆變器是將太陽能輸出的直流電轉化為交流電的單向設備。本質上兩者都是基于電能轉換的電氣設備,對于功率器件的使用和要求也大致類似,所以兩者的發展趨勢也類似,都是往高能效方向發展。不過儲能變流器需要時刻關注電網狀態,所以在功率轉換部分會需要更復雜的控制策略。我認為碳化硅器件的使用是儲能變流器中功率器件的未來趨勢,碳化硅作為新一代半導體材料具有耐高壓、耐高溫、低損耗的特點,非常適合類似儲能變流器這樣的高頻大功率場景。安森美能夠為客戶提供端到端的碳化硅產品供應支持,以支持快速增長的市場。

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子

          圖:儲能方案框圖(橙色表示安森美可提供)

           

          吳毅鋒

          珠海稼未來科技有限公司CEO&CTO

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子

          風電由于其安裝方式等原因,機械部分成本非常高,只有在MW級別才具有綜合成本優勢,因此很難建設配套的儲能電站,多是采用直接并網的方式。光伏鋪設面積靈活,5-10kW就可以覆蓋家庭應用。光伏逆變器+雙向儲能變換器+電池系統,除了能夠利用光伏發電給電網供電,也能夠利用電池儲能特性,在電網斷電時實現家庭用電的自給自足。光伏儲能發電系統可以完全脫離對電網的依賴;如果利用鎵未來基于氮化鎵的雙向儲能逆變器方案可以智能的控制光伏發電在電網與電池端的功率分配,可實現能量在電網與電池間的雙向流動,平衡電網-光伏-用戶的供求差異,最終降低輸變電系統的傳輸損耗,實現錯峰用電,同時為用戶帶來最優的經濟效益。這也是未來實現雙碳目標的重要一環。

          采用珠海鎵未來大功率氮化鎵的雙向儲能逆變系統,支持2kW~32kW的分布式儲能,且逆變轉換效率比IGBT方案高3-4%,提升了儲能系統的續航能力,保障家庭用電安全。


          Doug Bailey

          Power Integrations市場營銷副總裁

          我們的經驗是,客戶重復使用現有的光伏或風電變流器。Power Integrations的解決方案與客戶首選的功率模塊和拓撲結構相匹配。例如,SCALE-iFlex產品系列適合100mmx140mm的新型雙通道模塊。

          儲能解決方案(ESS)正與可再生能源系統同步發展,即使在沒有陽光或無風的情況下也能提供恒定的能量。如何儲存能量仍然是一個挑戰。由于對稀有材料的依賴,電池很昂貴,而且其壽命有限。因此,必須找到其他解決方案。氫儲能系統(Hydro-ESS)僅在有適當地形的情況下才可以安裝。目前,氫儲能系統具有非常大的吸引力。


          Q6


          由于缺芯現象,功率芯片面臨漲價以及產能不足的挑戰,貴公司對此有何應對措施?面對當嚴峻的待業環境,是否還有必要加大產品研發的投入?



          陳子穎

          英飛凌科技工業功率控制事業部市場總監

          高能效和互聯世界對半導體的需求持續存在。我們正在大幅增加投資,2021財年投資16億歐元,2022財年計劃投資24億歐元。這些投資主要集中在擴大產能上,除了硅晶圓制造外,我們還在擴大SiC和GaN晶圓的產能,以便為快速增長的需求做好準備。

           

          陸思清

          大中國區三菱電機半導體應用技術中心副經理

          針對需求暴增的SiC晶圓,三菱電機已全面實現4英寸到6英寸的切換,可以一定程度的緩解產能問題,并且對第三代SiC產品,也正在緊張有序地開發中。面對產能不足的挑戰,三菱電機在內部工廠持續進行產能擴增,同時與上游供應商進行多方面的合作。

           

          蘇勇錦

          羅姆半導體(深圳)有限公司技術中心高級經理

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子

          隨著全球能源問題的突顯,采取相應的對策已成為當務之急。SiC功率元器件有望成為電動汽車和工業設備節能的關鍵器件。羅姆自2010年開始量產SiC功率元器件(SiC SBD、SiC MOSFET)以來,一直在推進業內先進的技術開發,并較早實現了全SiC功率模塊和溝槽結構SiC MOSFET的量產。不僅如此,在制造方面,還建立了羅姆集團引以為豪的垂直統合型生產體制,并通過擴大晶圓的口徑和引進新設備來提高生產效率,同時還致力于減輕生產過程中造成的環境負荷。2021年,在ROHM Apollo Co.,Ltd.(總部位于日本福岡縣)筑后工廠投建了新廠房,進一步增強SiC功率元器件的產能。

           

          小田切 亨

          富士電機(中國)有限公司副總經理、半導體營業本部 本部長

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子

          我司的芯片制成及封裝生產都是自主完成的。但是由于上游供應商(晶圓廠商以及封裝材料廠商)的漲價和產能限制等影響,我司也面臨著成本上升的壓力和擴產計劃受限等挑戰。

          但越是在困境中,就越不能放緩新產品的研發。只有在保證產品特性等不變甚至進一步提升的前提下,通過不斷地設計創新,工藝改良,成本優化等,開發出更具有競爭力的產品,企業才能得到健康發展并回饋給終端用戶。

           

          胡少偉

          南京芯長征科技有限公司市場部經理

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子

          首先,芯長征作為一家功率半導體芯片設計、模組封測、檢測設備自主可控的Virtual-IDM企業,在芯片制造環節上,我們是通過與國內一流代工廠達成戰略合作的方式實現了產業鏈的整合。正因為芯長征采用了該模式,所以缺芯現象對我們的沖擊會小一些。隨著不斷加強與戰略合作伙伴關系,芯長征今年的芯片產能將會比去年增長20%,采購成本的漲幅也會在可控范圍之內。

          其次,通過技術的升級與迭代,也可以緩解當前大環境給企業帶來影響。先進技術的研發,不僅是為了在拓展應用領域的時候,使產品在不同的使用環境下滿足客戶需求, 也是為了采用新一代技術的產品在保證性能的前提下,減小芯片面積,從而提高芯片產量,降低產品成本。

          不管是在多么嚴峻的環境下,芯長征在產品和技術上會不斷地尋求突破與完善,盡全力滿足客戶需求、市場需求。這也應了我們的那句口號,《一往無前長征路,自強不息中國芯》。

           

          王思亮

          成都森未科技有限公司COO

          新能源,儲能,光伏,風電,電力電子

          首先,從供應角度,森未科技在此前對新能源市場有一定預判,所以產能儲備,尤其是晶圓流片的產能,相對比較充分,可以很好地滿足當前以及潛在客戶對IGBT器件的需求。其次,從研發角度,森未科技作為設計公司,一直堅持以市場為導向,持續增加研發力度,雖然疫情對整個宏觀經濟帶來負面影響,但是我們堅持認為長期來看,新能源市場對高端功率半導體器件的需求一定會持續上漲,因此作為本土企業,我們有熱情也有使命加大對新能源市場的研發資源投入,以最快速度和最高要求向更多客戶提供高性能的國產化IGBT等功率半導體器件。

            

          吳毅鋒

          珠海稼未來科技有限公司CEO&CTO

          隨著新能源的蓬勃發展,電動汽車及充電樁的需求進一步加大。近年大功率MOSFET、IGBT都處于短缺中,個別型號交期拉長到一年以上。對于以上困境,鎵未來持續擴充GaN HEMT產能,包括對晶圓廠追加投資,預計3年內GaN晶圓產能擴大4倍以上;同時與國內頭部封測代工廠深化合作,提升封測產能。另外,鎵未來已經啟動開發新一代技術平臺的方案,每張氮化鎵晶圓的芯片數量進一步提高從而顯著降低成本。我們認為只有持續的研發投入,才能保證鎵未來在大功率氮化鎵市場的領先地位,用性能更強的氮化鎵方案替代硅超級結方案,幫助客戶提升產品競爭力。


          Doug Bailey

          Power Integrations市場營銷副總裁

          Power Integrations的生產有序進行,產能正常,我們不存在明顯的缺芯問題,并且我們相信我們有足夠的能力來滿足市場需求。

          在電路板級別,Power Integrations絕不會使用劣質元件損害我們產品的質量和可靠性,而且由于我們采用自研ASIC技術,我們的BOM數量遠低于同行產品,從而在質量、性能和供應安全方面具有優勢。


          Q7

          隨著越來越多的功率半導體廠商加入新能源市場,行業競爭將進一步加劇,請問貴公采取怎么樣的發路線?請從技術、產品和市場定位方面談一下公司的戰略面局。



          陳子穎

          英飛凌科技工業功率控制事業部市場總監

          我們持續在開發新一代的芯片技術,采用微溝槽技術的TRENCHSTOP? IGBT7產品系列已經全面建立,從單管封裝到大中小功率模塊全面覆蓋,在PCIM的展會上你能感覺到IGBT7的時代已經到來。

          這是為各類應用定義的芯片,譬如按照電機驅動的過載條件定義,使得產品的輸出電流能力充分得到利用,系統的功率密度可以相應提高,降低系統成本。

          英飛凌引領著SiC的工業應用市場,并以業界最廣泛和最可擴展的產品組合成功地推動SiC在汽車領域的應用。公司直接或通過分銷向3,000多個客戶供貨。20多年來,碳化硅(SiC)對英飛凌來說一直很重要。我們預計,本財年碳化硅業務將增長90%,到2025年左右銷售額將達到10億美元,占有30%的市場份額。


          陸思清

          大中國區三菱電機半導體應用技術中心副經理 

          隨著功率半導體市場競爭加劇,三菱電機將利用現有技術的優勢,致力于低功耗和高功率密度的模塊開發。


          蘇勇錦

          羅姆半導體(深圳)有限公司技術中心高級經理

          在功率半導體方面,相比硅,碳化硅具有高效率等特性,因而可以更有效地利用電動汽車電池的電能。這將非常有助于延長電動汽車的續航里程并削減電池體積和成本。

          作為碳化硅元器件的領軍企業之一,羅姆一直致力于先進產品的開發,早在2010年便于業界首次量產SiC MOSFET。在車載領域,羅姆于2012年推出了支持AEC-Q101認證的車載品,并在車載充電器(OBC)領域擁有很高的市場份額。此外,羅姆碳化硅產品還應用于車載DC/DC轉換器等領域。2020年6月,羅姆發布了業界先進的第4代低導通阻抗碳化硅MOSFET。與以往產品相比,在不犧牲短路耐受時間的前提下,成功實現業界較高水平的低導通電阻。此產品非常適用于包括主機逆變器在內的車載動力總成系統和工業設備的電源。業界預計2023年開始碳化硅在主機逆變器上的應用需求會增加,現在是重要的時間窗口,羅姆第四代碳化硅MOSFET已經獲得很多廠商的評估和詢價。

          與此同時,以SiC功率器件為核心,羅姆提供各種充分發揮功率器件性能的模擬IC(絕緣柵極驅動器和電源IC等),提供適合各個應用的更佳解決方案。


          小田切 亨

          富士電機(中國)有限公司副總經理、半導體營業本部 本部長

          良性的競爭對企業來說既是一種挑戰,也是一種激勵。在政府提出的“雙碳”戰略目標的指引下,新能源市場長期利好的背景下,憑借著多年的技術積累,豐富的行業應用經驗和良好的客戶口碑,我相信我司的產品在追求高可靠性及高效率的中高端市場有良好的應用前景。


          賈鵬

          安森美(onsemi)全球方案中心應用市場工程師

          功率半導體市場加速發展,是受可持續發展和抗擊氣候變化的大趨勢所推動的。新能源也是安森美重點關注的細分領域之一,我們的戰略是以高度差異化的智能電源和智能感知技術,推動顛覆性創新,賦能可持續的生態系統。安森美的智能電源和智能感知方案提供相輔相成的力量和最先進的功能以達至最佳效果。我們的智能電源方案使客戶以更輕的重量超越功率范圍目標,以無與倫比的能效降低系統成本,以實現最高能效的太陽能電池組、工業電源、儲能系統和推進汽車功能電子化,賦能高能效的快速充電系統。

          第三代半導體SiC技術,進入的門檻很高,安森美是全球屈指可數的少數幾家具備從晶體生長到晶圓制造再到成品封裝全產業鏈整合的供應商之一,這賦予了我們獨特的競爭優勢。此外,安森美正進一步優化供應鏈和制造網絡,包括對300mm晶圓廠和SiC的不斷擴產,以為戰略客戶提供長期的供應保證。


          胡少偉

          南京芯長征科技有限公司市場部經理

          功率器件是否成功應用于特定系統,至少包含兩個維度:參數特性(“能不能用”)和可靠性特性(“能不能長期用”)。在解決”能不能用”的問題上,芯長征有一套成熟的研發體系,按照生產一代、研發一代、預演一代的體系進行產品的代際更新;比如目前采用G3技術開發的用于汽車的IGBT模塊,參數特性可直接對標業界主流的第七代產品;同時,我們在研發中的G4技術,功率密度將進一步提升,通過我們市場搜集,該技術目前國外同行均處于研發階段,在IGBT技術層面我們走在了前列。

          在“能不能長期用”的問題上,芯長征做了以下布局,首先,劃分了不同等級的可靠性標準(分別針對車歸類、工規類、消費類),實施分類管理;其次,在可靠性設備上做了大量通用設備的采購以及專用設備的開發;再次,更為重要的是,芯長征結合特定領域對可靠性的要求,以及標桿客戶的特定需求,制定可靠性項目和實驗方法,保證產品的長期可靠性。補充說明一點,第三代半導體SiC產品,芯長征也一直在布局,目前在芯片端以及產品的可靠性方面也取得了一定突破,待信息可以披露,及時分享給大家。


          王思亮

          成都森未科技有限公司COO

          作為以芯片設計和銷售為主營業務的公司,森未科技的特點在于:首先,具有自主設計開發的芯片,截止目前已超過100款,適用于新能源市場的各個方面,目前已經應用于光伏、儲能、充電樁、電機驅動等各個細分領域。豐富的自主芯片庫使我們具備了應對市場競爭的最基礎和最關鍵的要素。其次,芯片技術的快速迭代。森未科技團隊專注于IGBT等功率半導體芯片研發,迄今已超過10年,從平面柵&NPT到現在的溝槽柵&FS,持續不斷地進行芯片技術迭代。針對新能源市場,森未科技已經開發完成并正在優化高速H系列和U系列產品,并有強有力的應用團隊協助與支持,將為新能源客戶提供更適合的解決方案和專業服務。


          吳毅鋒

          珠海稼未來科技有限公司CEO&CTO

          在新能源市場,新興的功率半導體廠商還是以硅基為主,其產品主要是MOSFET和IGBT。我們堅信提高轉換效率和功率密度是新能源產業永恒的追求。氮化鎵方案的轉換效率和工作頻率比MOSFET高,遠超IGBT,符合行業發展趨勢。因此鎵未來從一開始的定位就是大功率氮化鎵器件制造商及高功率密度應用服務商。我們用柵極高可靠性、易于驅動的氮化鎵HEMT來滿足客戶對設計魯棒性的要求。在雙向儲能市場,大部分的氮化鎵方案采用的都是鎵未來的器件。我們也跟國內頭部的光伏企業、充電樁企業合作,發揮氮化鎵的高頻性能,開發更高功率密度的電源產品。


          Doug Bailey

          Power Integrations市場營銷副總裁

          PI的理念是不斷提高自身產品的集成度。這不僅有利于提高產品性能、質量和可靠性,而且對于供應鏈管理中的組件分配也特別有益。Power Integrations將繼續開發具有定制功能集的市場特定產品,以滿足注重成本優勢的大批量市場以及高端應用的需求。


          結語

          在碳達峰、碳中和的雙碳目標指導下,新能源汽車、光伏、風電、儲能等新能源應用開始崛起,隨著電動汽車滲透率的快速提升、智能化領域需求的擴大以及新能源光伏、風電、儲能等產品的推廣普及,功率半導體業務有望進入較長時間的高速增長階段。

          IGBT、SiC是新能源產業關鍵零部件逆變器的核心元件,隨著新能源市場的不斷發展落實,以IGBT、SiC為代表的功率半導體市場空間得以進一步打開。

          當下,功率半導體已經成了風口,行業內一些技術領先的企業正在強勢崛起。

          “路漫漫其修遠兮,吾將上下而求索”,我們相信,在功率半導體廠商最好的時代,國內外廠商必將披荊斬棘,通過創新技術以及更高品質的產品打開廣闊的應用市場,迎來新的發展契機。

          免責聲明:本文僅代表作者個人觀點,與中國自動化網無關。其原創性以及文中陳述文字和內容未經本站證實,對本文以及其中全部或者部分內容、文字的真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾,請讀者僅作參考,并請自行核實相關內容!來源網絡如有誤有侵權則刪。

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            2021年中國低壓變頻器整體市場需求增長19.9%,市場規模為283億元(含風電),不含風電市場規模為245億元,同比增長25.0%。

          • 眾城卓越:要走多久,才能到達風場

            一條制造業產業鏈從上游、中游到下游,要經歷原材料、元器件、整機、維護等環節,才算是一個完整的生態鏈。風電作為一個近十年才在中國快速發展的新能源產業,其產業鏈及所涉及到的主要元器件、材料如下圖所示:

          • 2022年國內低壓變頻器行業市場趨勢分析

            受原材料價格上漲的影響,低壓變頻器迎來了一波漲價潮。2021年中國低壓變頻器市場規模達到245億元(不含風電),同比增長達到25.0%(不含風電)。包括風電市場規模為283億元,同比增長達到19.9%。

          • 2022年國內低壓變頻器市場機會分析

            2021年中國低壓變頻器整體市場需求增長19.9%,市場規模為283億元(含風電),不含風電市場規模為245億元,同比增長25.0%。2021年,整體經濟快速恢復,投資穩步增長,制造業不斷升級,中國低壓變頻器市場在上半年就迎來高速增長,從下半年開始,受環保高壓、限電限產、能源雙控政策等影響,低壓變頻器增速有所減緩。

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          • 經緯恒潤榮獲2024中國汽車供應鏈大會創新成果獎

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          • 2024 工博會第三天,倍福助力行業打造新質生產力!

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