IGBT多領域顯身手,降低成本是關鍵

作為半導體行業的細分領域,功率半導體的重要性不容忽視,而IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是新一代功率半導體器件的中流砥柱,被業內視為千亿体育技術第三次革命中最具代表性的產品。

近日,賽晶千亿体育公司表示,下半年將重點推進IGBT的研發和生產線建設。揚傑科技在IGBT領域也取得了重要進展,基於8英寸工藝的溝槽場終止1200V IGBT芯片係列及對應的模塊產品已開始風險量產。多方紛紛加碼IGBT產業,IGBT產業再引關注。

功率半導體的重要方向

在電子裝置中,功率半導體是電能轉換與電路控製的核心,主要用來改變電子裝置中的電壓、頻率和直流交流轉換,以提高能量的轉化效率。

功率半導體產品的種類和批次較多,IGBT是其中最具代表性的產品。從功率半導體的演進曆程來看,IGBT是當之無愧的新一代功率半導體。20世紀50年代,功率半導體二極管問世;20世紀60~70年代,晶閘管迎來了快速發展;20世紀80~90年代,功率器件MOSFET得到了進一步發展;21世紀以來,隨著市場需求持續增長,IGBT工藝也在不斷改進。

IGBT的主要功能是控製電池電機的交流、直流電轉化,將直流電壓逆變成頻率可調的交流電。此外,IGBT還可以穩定動力電池組的電壓,並控製電池組的輸出功率。

簡單來講,IGBT可被視為“非通即斷”的開關,導通時可被看做導線,斷開時可以充當開路。比亞迪功率器件產品總監楊欽耀此前接受《中國電子報》記者采訪時具體解釋了IGBT是如何作為“開關”發揮作用的。

“功率半導體器件是電流的開關,在關斷的時候,能夠保證漏電流和殘餘電流很小,且耐受電壓很高。在開通的時候,功率半導體器件能夠保證電阻小、電流大,並且開關的時間很短。” 楊欽耀說。

IGBT兼有MOSFET(金氧半場效晶體管)的高輸入阻抗和 GTR(電力晶體管)的低導通壓降兩方麵的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET 驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。作為MOSFET和GTR兩種器件優點的“集大成者”,IGBT的驅動功率小且飽和壓降低,開關速度快且開關損耗小,在高壓、大電流和高速等方麵具備其他功率器件不可比擬的優勢。因此,IGBT非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流係統,比如交流電機、開關電源、照明電路和牽引傳動等。

多個領域大有作為

基於自身的種種優勢和特性,現階段,IGBT被大規模應用於工業控製、變頻家電、軌道交通、智能電網和新能源汽車等多個關鍵領域。

其中,工業控製領域對IGBT的市場需求最大,呈現逐漸增長態勢。由於IGBT模塊是變頻器、逆變焊機等傳統工業控製及電源行業的核心元器件,隨著工業控製及電源行業市場的逐步回暖,IGBT模塊將發揮更為關鍵的作用。

IGBT以其高頻、低損耗的特性逐漸成為了變頻家電領域的關鍵器件,變頻家電中主要使用的就是集驅動電路、保護電路功能於一身的IGBT模塊。IGBT模塊在變頻器中不僅起到了傳統三極管的作用,還能起到整流的作用。隨著人們節能意識的逐步提高,變頻空調、變頻洗衣機、變頻冰箱和無火烹飪電磁爐等變頻家電在市場上日漸火爆,IGBT在該領域的重要作用日益凸顯。

IGBT在軌道交通領域也扮演著極其關鍵的角色,軌道交通對IGBT有著巨大的需求。以高速列車為例,大功率IGBT模塊是電力機車和高速動車組的核心組件。根據相關資料,電力機車一般需要500個IGBT模塊,動車組需要超過100個IGBT模塊,一節地鐵則需要50~80個IGBT模塊。

智能電網也離不開IGBT的加持。據悉,智能電網對IGBT的市場需求量每年可達4億元,在如此龐大的市場需求的驅動下,IGBT迎來了又一發展風口。

新能源汽車領域更是IGBT的用武之地。有關信息顯示,在新能源汽車中,IGBT模塊約占整車成本的7%~10%,是除電池之外所占成本第二高的元件,決定了整車的能源效率。

華潤微電子功率器件事業群、華潤華晶研發中心副總經理鄧小社表示,IGBT在新能源汽車中的應用較為普遍。

“在電動汽車的‘三電’方麵,特斯拉的Model S使用的是三相異步驅動電機。其中,每一相的驅動控製需要28顆塑封的IGBT芯片,三相共需要84顆IGBT芯片。由此可見,新能源汽車對IGBT芯片的需求非常龐大。此外,充電樁的核心部件也離不開IGBT芯片。”鄧小社說。

降低成本是突破關鍵

隨著新能源汽車行業的迅猛發展,IGBT在新能源汽車領域的應用受到了業內外的廣泛關注。不同於工業級IGBT,新能源汽車領域對IGBT提出了更加嚴苛的要求,因此車規級IGBT在迎來市場爆發式增長的同時,也不可避免地麵臨著挑戰。

IGBT現階段麵臨的最大挑戰來自成本。英飛淩新能源汽車千亿体育應用工程師何耀華指出,汽車應用對元器件的成本提出了更高的要求。

“大型水電站的發電機和輸配電的電力變換器最重要的特性是高可靠性和高性能,因為單台價值高、數量少,所以元器件的成本稍高些也可以被接受。但汽車應用作為大規模量產的高端工業消費品,終端客戶是個人,這就需要更好地控製終端售價,也對元器件的成本提出了更高的要求。”何耀華說。

針對如何應對來自成本方麵的挑戰,何耀華提出了四大應對策略。首先,要通過提升產品性能和優化產品設計來增強產品的競爭力。其次,要通過提升晶圓的切割效率和生產品的良率來實現成本的減少。

“晶片切割利用效率的提高可以有效降低IGBT晶片的成本。此外,提高生產品的良率也是降低成本、提升核心競爭力的關鍵。”何耀華表示。

再次,要針對汽車領域“獨家定製”相應的晶圓產品。何耀華指出,針對汽車“獨家定製”晶圓可以在不同程度上提升產品的性能。

最後,足夠的產能和良好的產品質量也十分關鍵。何耀華指出,全自動化產線等自動化設備能夠提升供貨能力和產品質量。

“全自動化產線能夠專門生產汽車級的功率電子IGBT模塊,因此能夠保證足夠的產能。與此同時,全自動化產線能夠避免因人為錯誤而造成的相關問題。生產質量控製體係以及產品出廠前的測試,也能夠將產品的失效率降到最低。”他說。

何耀華表示,未來,以IGBT為代表的汽車功率電子器件將會更加注重精細化設計、平台化設計、智能化設計和功能安全設計,驅動包括新能源汽車行業在內的多個電子電力領域實現跨越式發展。


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