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【功率器件】IGBT多领域显身手 降低成本是关键

来源:中国电子报    原作者:张依依    

作为半导体行业的细分领域,功率半导体的重要性不容忽视,而IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是新一代功率半导体器件的中流砥柱,被业内视为电力电子技术第三次革命中最具代表性的产品。

近日,赛晶电力电子公司表示,下半年将重点推进IGBT的研发和生产线建设。扬杰科技在IGBT领域也取得了重要进展,基于8英寸工艺的沟槽场终止1200V IGBT芯片系列及对应的模块产品已开始风险量产。多方纷纷加码IGBT产业,IGBT产业再引关注。

功率半导体的重要方向

在电子装置中,功率半导体是电能转换与电路控制的核心,主要用来改变电子装置中的电压、频率和直流交流转换,以提高能量的转化效率。

功率半导体产品的种类和批次较多,IGBT是其中最具代表性的产品。从功率半导体的演进历程来看,IGBT是当之无愧的新一代功率半导体。20世纪50年代,功率半导体二极管问世;20世纪60~70年代,晶闸管迎来了快速发展;20世纪80~90年代,功率器件MOSFET得到了进一步发展;21世纪以来,随着市场需求持续增长,IGBT工艺也在不断改进。

IGBT的主要功能是控制电池电机的交流、直流电转化,将直流电压逆变成频率可调的交流电。此外,IGBT还可以稳定动力电池组的电压,并控制电池组的输出功率。

简单来讲,IGBT可被视为“非通即断”的开关,导通时可被看做导线,断开时可以充当开路。比亚迪功率器件产品总监杨钦耀此前接受《中国电子报》记者采访时具体解释了IGBT是如何作为“开关”发挥作用的。

“功率半导体器件是电流的开关,在关断的时候,能够保证漏电流和残余电流很小,且耐受电压很高。在开通的时候,功率半导体器件能够保证电阻小、电流大,并且开关的时间很短。” 杨钦耀说。

IGBT兼有MOSFET(金氧半场效晶体管)的高输入阻抗和 GTR(电力晶体管)的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。作为MOSFET和GTR两种器件优点的“集大成者”,IGBT的驱动功率小且饱和压降低,开关速度快且开关损耗小,在高压、大电流和高速等方面具备其他功率器件不可比拟的优势。因此,IGBT非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统,比如交流电机、开关电源、照明电路和牵引传动等。

多个领域大有作为

基于自身的种种优势和特性,现阶段,IGBT被大规模应用于工业控制、变频家电、轨道交通、智能电网和新能源汽车等多个关键领域。

其中,工业控制领域对IGBT的市场需求最大,呈现逐渐增长态势。由于IGBT模块是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件,随着工业控制及电源行业市场的逐步回暖,IGBT模块将发挥更为关键的作用。

IGBT以其高频、低损耗的特性逐渐成为了变频家电领域的关键器件,变频家电中主要使用的就是集驱动电路、保护电路功能于一身的IGBT模块。IGBT模块在变频器中不仅起到了传统三极管的作用,还能起到整流的作用。随着人们节能意识的逐步提高,变频空调、变频洗衣机、变频冰箱和无火烹饪电磁炉等变频家电在市场上日渐火爆,IGBT在该领域的重要作用日益凸显。

IGBT在轨道交通领域也扮演着极其关键的角色,轨道交通对IGBT有着巨大的需求。以高速列车为例,大功率IGBT模块是电力机车和高速动车组的核心组件。根据相关资料,电力机车一般需要500个IGBT模块,动车组需要超过100个IGBT模块,一节地铁则需要50~80个IGBT模块。

智能电网也离不开IGBT的加持。据悉,智能电网对IGBT的市场需求量每年可达4亿元,在如此庞大的市场需求的驱动下,IGBT迎来了又一发展风口。

新能源汽车领域更是IGBT的用武之地。有关信息显示,在新能源汽车中,IGBT模块约占整车成本的7%~10%,是除电池之外所占成本第二高的元件,决定了整车的能源效率。

华润微电子功率器件事业群、华润华晶研发中心副总经理邓小社表示,IGBT在新能源汽车中的应用较为普遍。

“在电动汽车的‘三电’方面,特斯拉的Model S使用的是三相异步驱动电机。其中,每一相的驱动控制需要28颗塑封的IGBT芯片,三相共需要84颗IGBT芯片。由此可见,新能源汽车对IGBT芯片的需求非常庞大。此外,充电桩的核心部件也离不开IGBT芯片。”邓小社说。

降低成本是突破关键

随着新能源汽车行业的迅猛发展,IGBT在新能源汽车领域的应用受到了业内外的广泛关注。不同于工业级IGBT,新能源汽车领域对IGBT提出了更加严苛的要求,因此车规级IGBT在迎来市场爆发式增长的同时,也不可避免地面临着挑战。

IGBT现阶段面临的最大挑战来自成本。英飞凌新能源汽车电力电子应用工程师何耀华指出,汽车应用对元器件的成本提出了更高的要求。

“大型水电站的发电机和输配电的电力变换器最重要的特性是高可靠性和高性能,因为单台价值高、数量少,所以元器件的成本稍高些也可以被接受。但汽车应用作为大规模量产的高端工业消费品,终端客户是个人,这就需要更好地控制终端售价,也对元器件的成本提出了更高的要求。”何耀华说。

针对如何应对来自成本方面的挑战,何耀华提出了四大应对策略。首先,要通过提升产品性能和优化产品设计来增强产品的竞争力。其次,要通过提升晶圆的切割效率和生产品的良率来实现成本的减少。

“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,提高生产品的良率也是降低成本、提升核心竞争力的关键。”何耀华表示。

再次,要针对汽车领域“独家定制”相应的晶圆产品。何耀华指出,针对汽车“独家定制”晶圆可以在不同程度上提升产品的性能。

最后,足够的产能和良好的产品质量也十分关键。何耀华指出,全自动化产线等自动化设备能够提升供货能力和产品质量。

“全自动化产线能够专门生产汽车级的功率电子IGBT模块,因此能够保证足够的产能。与此同时,全自动化产线能够避免因人为错误而造成的相关问题。生产质量控制体系以及产品出厂前的测试,也能够将产品的失效率降到最低。”他说。

何耀华表示,未来,以IGBT为代表的汽车功率电子器件将会更加注重精细化设计、平台化设计、智能化设计和功能安全设计,驱动包括新能源汽车行业在内的多个电子电力领域实现跨越式发展。

封面图片来源:拍信网