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功率元素半导体火了,功率器件商场将大有作为

日期:2019-11-13编辑作者:澳门新葡8455手机版

原标题:Yole:功率器件市场将大有可为

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来源:内容来自「MEMS」,谢谢。

智东西(公众号:zhidxcom)编 | 司北

电动汽车/混合动力汽车(EV/HEV)、电机驱动器、计算和存储,推动了从器件到无源、封装和集成的电力电子市场增长。

根据国际半导体巨头英飞凌统计,一辆传统燃料汽车的电机驱动系统中功率半导体的价值为17美元,而一辆纯电动汽车中价值为265美元,增加了近15倍。新能源汽车为功率半导体带来了极大的增长潜力。

由应用驱动的电力电子市场

本期的智能内参,我们推荐来自天风证券的功率半导体行业报告,介绍了在新能源电动车热潮中,功率半导体行业的全球格局与市场新机遇。如果想收藏本文的报告(天风证券-电子行业:“技术推进 应用驱动”,功率半导体迎来新一轮发展机遇),可以在智东西公众号回复关键词“nc352”获取。

去年,我们看到主要逆变器领域的电力电子产品的年同比增长高达8.4%,包括EV/HEV、电机驱动器和不间断电源(UPS)。要了解电力电子市场,重要的是要认识到电力电子不像其它“超越摩尔(More than Moore)”电子领域,它是应用驱动型市场,而不是技术驱动型。近年来,得益于数字时代的到来或环境问题等大趋势,这个市场已经获得了大幅增长。我们可以直接将环境问题与不同国家提供的用于提高能效、促进新电力电子系统销售的政府资金联系起来。

以下为智能内参整理呈现的干货:

例如,EV/HEV细分市场在技术上主要受到二氧化碳(CO2)减排目标、更高的效率要求或更少依赖石油行业的驱动。目前,纯电动汽车在EV/HEV销量中的占比略高于5%,而到了2023年它们将增长至21%。总体而言,Yole分析师预计,2017~2023年期间EV/HEV电力电子市场的复合年增长率(CAGR)将达到惊人的20.7%。

一、功率半导体:电能转换核心器件

补贴对可再生能源市场影响巨大。2017年中国太阳能装机量占到了全球总量的约50%,因为中国政府的补贴大幅减少,2018年光伏市场预期将显著萎缩。尽管如此,得益于印度、南美洲或非洲等世界其他地区的装机成本下降和装机量的提高,Yole预计该市场将在中期内复苏。

功率半导体器件是实现电能转换的核心器件,广泛应用于消费电子、新能源交通、轨道交通、发电与配电等电力电子领域。

另一方面,为了扩展其它现有的电力电子市场,需要重点开发一些新的细分领域。直流充电或固定能量存储市场便是如此。实际上,需要快速开发直流充电解决方案,以实现快速高效的充电,来跟随EV/HEV市场的增长。同样,为了进一步发展光伏和风能市场,需要扩展固定式储能系统。

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本报告总结了驱动电力电子市场增长的应用及其不同趋势,以及每种应用的主要技术发展。

根据载流子类型,功率半导体可以分为双极型功率半导体和单极型功率半导体。

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双极型功率半导体包括功率二极管、双极结型晶体管、电力晶体管、晶闸管、绝缘栅双极型晶体管等。

哪些应用在驱动电力电子产业?

单极型功率半导体包括功率MOSFET、肖特基势垒功率二极管等。

2016~2017年电力电子半导体器件市场增长了11.7%

从市场格局来看,目前国外功率半导体厂商制造水平较高,已经形成了较高的专业壁垒。

2017年,电力电子市场总规模为327亿美元,其中电源IC约占了一半。去年电力电子半导体市场蓬勃发展,同比增长率达到了喜人的11.7%,这主要得益于EV/HEV和电机驱动器应用的IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件的销售增长。计算和存储以及汽车领域的需求,也使MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)器件市场在2017年增长了8.3%。

欧美日厂商凭借其技术和品牌优势,占据了全球功率半导体器件市场的70%。其中,英飞凌器以18.6%的市场占有率排名世界第一(2017年英飞凌财报数据)。

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我国开展功率半导体的研究工作比较晚,目前大陆、台湾地区主要集中在二极管、低压MOSFET等低端功率器件市场,IGBT、中高压MOSFET等高端器件市场主要由欧美日厂商占据。

功率模块封装趋势

不过,国际功率半导体厂商尚未形成专利和标准的垄断。相比国外厂商,国内厂商在服务客户需求、降低成本等方面具有竞争优势。

Yole预计未来五年,功率器件市场前景可期,2017~2023年的复合年增长率将超过4%。这将主要由EV/HEV市场驱动,该应用市场将带来超过19亿美元的IGBT市场和近18亿美元的MOSFET市场,包括分立器件和模块。MOSFET的市场需求也将受到网络和电信应用的推动,得益于5G网络基础设施的建设,2017~2023年期间网络和电信应用的MOSFET市场将以8.3%的复合年增长率增长。

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因此,许多制造商正在扩大产能,以缩短供货周期,满足这些市场需求。例如,英飞凌(Infineon)正在扩大其300毫米晶圆厂的产能,用于包括IGBT在内的电力电子器件。中国由于国内巨大的需求推动,正在投入大量精力和资金,开发国内的电力电子器件和制造技术,以在供应链中向下游不断延伸。

根据中商产业研究院数据,2022年全球功率半导体市场规模将达426亿美元,其中国产代替空间十分广阔。

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二、电动汽车崛起,点燃全球功率半导体市场

2017~2023年IGBT和MOSFET分立器件及模块的市场预测(按电力电子市场驱动应用细分)

功率半导体是电动汽车的重要部件,比如特斯拉Model S车型使用的三相异步电机驱动,其中每一相的驱动控制都需要使用28颗IGBT(绝缘栅双极型晶体管)芯片,三相共需要使用84颗IGBT芯片。

技术仍很重要

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由于大功率负载系统的处理需求,电力电子市场需要在效率和热管理方面发展。市场主要厂商需要加大投资技术开发,在不影响热管理或可靠性的前提下,降低器件和系统成本,减小重量和尺寸。器件、封装、模块、功率堆栈或逆变器层级的优化解决方案正在得到应用。无源元件必须改进以充分利用新型半导体材料、器件和系统设计的潜力。

因此,新能源汽车产业的崛起为功率半导体带来了极大的增长潜力。电机控制系统和充电桩是车用IGBT的主要增长点。

Yole看到了一个依赖于器件开发的强大改进轴,无论是硅还是宽带隙材料(如SiC或GaN)。 因此,终端用户可以通过使用尺寸更紧凑的系统,甚至将它们集成在单个芯片中,实现更高的系统效率、更高的频率和更高的功率密度。然而,即使SiC能够渗透到各种不同的应用中,硅解决方案仍将进一步开发并针对高效系统进行优化。作为一个例子,我们看到英飞凌的新一代IGBT已于去年上市。

IGBT在电力驱动系统中属于逆变器模块,将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。

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IGBT约占新能源汽车电机驱动系统及车载充电系统成本的40%,折合到整车上约占总成本的7~10%,其性能直接决定了整车的能源利用率。

不同的组装方案

1、IGBT:硅基功率半导体核心

在本报告中,Yole的分析师总结了全逆变器组件的不同技术改进和趋势。其中包括挑战型新材料SiC和GaN,这些材料仍然需要极力提高产能。本报告展示了技术进步与应用需求之间的关联性,例如EV/HEV所需要的功率模块创新。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT和MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

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IGBT可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率,有逆变和变频的作用。

不同系统组件的改善趋势

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第1692期内容,欢迎关注。返回搜狐,查看更多

在结构方面,IGBT比MOSFET多一层P 区,通过P层空穴的注入能够降低器件的导通电阻。

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随着电压的增大,MOSFET的导通电阻也变大,因而其传导损耗比较大,尤其是在高压应用场合中。相较而言,IGBT的导通电阻较小。

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IGBT多应用于高压领域,MOSFET主要应用在高频领域。IGBT集中应用在逆变器、变频器等高压产品;而MOSFET主要应用在镇流器、高频感应加热等高频产品。

2、IGBT市场格局

按电压分布来看,消费电子领域运用的IGBT产品主要在600V以下,如数码相机闪光灯等。1200V以上的IGBT多用于电力设备、汽车电子、高铁及动车中。动车组常用的IGBT模块为3300V和6500V。智能电网使用的IGBT通常为3300V。

全球IGBT市场主要竞争者包括德国英飞凌、日本三菱、富士电机、美国安森美、瑞士ABB等,前五大企业的市场份额超过70%。

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