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  • 功率半導體持續進化:碳化硅材料快速增長,汽車缺芯問題存在誤解

    作為新能源汽車、光伏等產品的關鍵部件,近年來功率半導體的重要性在明顯提高。

    功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心,通過利用半導體的單向導電性實現電源開關和電力轉換。大部分情況下,電能往往無法直接使用,需由功率半導體器件進行功率變換以后才能供設備使用。

    目前,國內生產功率半導體的企業包括士蘭微(600460.SH)和斯達半導(603290.SH)等。士蘭微董事會秘書辦人士于4月14日告訴記者,從普通的家電到高鐵都會用到功率半導體,不同產品應用的功率范圍不一樣。目前功率半導體的主要發展趨勢之一是耐壓越來越大。

    斯達半導在4月9日發布的2021年年報中表示,隨著世界各國對節能減排的需求越來越迫切,功率半導體器件已從傳統的工業控制和4C(通信、計算機、消費電子、汽車)領域邁向新能源、新能源汽車、軌道交通、智能電網、變頻家電等諸多產業。功率半導體的發展使得變頻設備廣泛的應用于日常的消費,促進了清潔能源、電力終端消費、以及終端消費電子的產品發展。

    近年來,汽車產業頻頻傳出“缺芯”的問題。而上述士蘭微人士認為,汽車“缺芯”的問題存在誤解。某些環節的芯片在某些時候會出現短暫的供不應求,不過這個問題被放大了。

    士蘭微2021年年報信息顯示,該公司2021年營業收入為71.94億元,同比增長68.07%;歸屬于上市公司股東的凈利潤為15.18億元,同比增長2145.25%。而根據斯達半導的年報,該公司2021年營業收入約為17.07億元,同比增長 77.22%;歸屬于上市公司股東的凈 3.98億元,同比增長120.49%。

    IGBT成為代表性產品 碳化硅材料快速增長

    上述士蘭微人士告訴記者,功率半導體的功能可以理解為主要用于調節電壓電流。功率半導體應用于不同的電子器件,包括從普通的家電到高鐵等。不同器件的功率范圍不一樣,而應用于家電的和用于高鐵的屬于不同的級別。

    斯達半導也在年報中介紹稱,功率半導體主要用于電力設備的電能變換和電路控制,是進行電能處理的核心器件,是弱電控制與強電運行間的橋梁,細分產品主要有MOSFET、IGBT、BJT等。(MOSFET:金屬氧化層半導體場效晶體管,是高輸入阻抗、電壓控制器件;BJT:雙極型晶體管,是低輸入阻抗、電流控制器件;IGBT:絕緣柵雙極型晶體管,是由 BJT和 MOSFET組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件)

    斯達半導表示,IGBT是目前發展最快的功率半導體器件之一。受益于工業控制、新能源、新能源汽車等領域的需求大幅增加,中國IGBT市場規模將持續增長。到2025年,預計中國IGBT市場規模將達到522億人民幣,年復合增長率達19.11%,是細分市場中發展最快的半導體功率器件。2021年,IGBT模塊的銷售收入占斯達半導主營業務收入的94%以上,是公司的主要產品。

    士蘭微人士向記者介紹稱,從形態上來看,功率半導體有芯片和模塊兩種形態,模塊是多個芯片和電子器件形成的組合。比如,IGBT是電源的輔助裝置,功耗往往都比較高,用于分配調節電壓電流。在新能源汽車中,每個電驅會用到一個IGBT模塊。

    斯達半導則表示,IGBT作為一種新型功率半導體器件,是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產品,是工業控制及自動化領域的核心元器件。其作用類似于人類的心臟,能夠根據裝置中的信號指令來調節電路中的電壓、電流、頻率、相位等,以實現精準調控的目的。因此,IGBT被稱為電力電子行業里的“CPU”,廣泛應用于新能源、新能源汽車、電機節能、軌道交通、智能電網、航空航天、家用電器、汽車電子等領域。

    功率半導體還應用于光伏的逆變器,光伏逆變器的主要功能為將太陽能電池組件產生的直流 電轉化為交流電,并入電網或供負載使用。安信證券分析師馬良在近日的研報中稱,IGBT 廣泛應用于光伏逆變器中,占逆變器價值量的20%-30%。以往光伏逆變器中的功率器件一般采用MOSFET,而MOSFET的通態電阻會隨著電壓的升高而增大,增加開關損耗,逐漸不適合使用于高壓大容量的系統中。IGBT因其通態電流大、耐高壓、電壓驅動等優良特性,在中、高壓容量的系統中更具優勢,目前已逐漸取代MOSFET作為光伏逆變器和風力發電逆變器的核心器件。

    功率半導體的材料也在發生變化。根據斯達半導的介紹,近年來,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等材料為代表的化合物半導體因其寬禁帶、高臨界擊穿電場等優異的性能而備受關注。其中碳化硅功率器件受下游新能源汽車等行業需求拉動,市場規模增長快速。(記者注:禁帶寬度是半導體的一個重要特征參量,反映了半導體中價電子被束縛強弱程度的一個物理量)

    根據馬良的介紹,碳化硅材料熱導率以及禁帶寬度高于硅材料,采用碳化硅器件可減小逆變器的體積和重量。碳化硅的導熱率是硅的3.3倍,且禁帶寬度為硅的3倍,保證碳化硅可以在更高溫度環境下工作。半導體材料的禁帶寬度決定其器件的工作溫度,材料禁帶寬度的值越大,器件的工作溫度也就越高。在高達600攝氏度的溫度下,碳化硅器件仍然可以正常工作。硅在175攝氏度左右就無法正常運行,在200攝氏度時會變成導體,而碳化硅直到1000攝氏度左右才發生這種情況。

    斯達半導表示,2021年該公司在機車牽引輔助供電系統、新能源汽車行業、光伏行業推出的各類碳化硅模塊得到進一步的推廣應用。士蘭微也表示,該公司碳化硅功率器件的中試線已在2021年上半年實現通線。目前,該公司已完成車規級SiC-MOSFET器件的研發,正在做全面的可靠性評估,將要送客戶評價并開始量產。士蘭微目前在廈門公司建設一條6英寸碳化硅功率器件芯片生產線,預計在2022年三季度實現通線。

    缺芯問題被誤解?相關產品研發生產擴張中

    自去年以來,汽車產業頻繁出現“缺芯”消息。而上述士蘭微人士卻向記者表示,大家對汽車缺芯的問題可能有些誤解。

    該人士認為,芯片分為很多種類,不同的芯片用于不同的場景和環節??赡苣承┉h節的芯片在某些時候會出現短暫的供不應求,不過這個問題被放大了。而且功率半導體的產線比較復雜,和普通產品的產線不同,每年產能并不是固定的。

    “整個芯片產業有上萬億元,首先要搞清楚缺的是什么‘芯’。只是泛泛地用‘缺芯’這樣一個詞語來形容目前汽車芯片產業的狀況其實沒有意義?!痹撊耸勘硎?。

    關于功率半導體的產線,斯達半導在年報中稱,生產環節主要分為芯片和模塊設計、芯片外協制造、模塊生產三個階段。比如,在芯片和模塊設計階段,公司完成IGBT等功率芯片和功率模塊的設計;在芯片外協制造階段,公司根據階段一完成的芯片設計方案委托第三方晶圓代工廠制造自主研發的芯片,公司在外協制造過程中提供芯片設計圖紙和工藝制作流程,不承擔芯片制造環節;在模塊生產階段,公司將單個或多個功率芯片用先進的封裝技術封裝在一個絕緣外殼內。

    而相比之下,士蘭微采用的是“設計制造一體” (IDM)的經營模式。士蘭微在年報中表示,作為 IDM 公司,該公司帶有資產相對偏重的特征,在外部經濟周期變化的壓力下,也會在一定程度上承受經營利潤波動的壓力。但是相對于輕資產型的設計公司,該公司在特色工藝和產品的研發上具有更突出的競爭優勢,實現了特色工藝技術與產品研發的緊密互動,以及集成電路、功率器件、功率模塊、微機電控制系統傳感器、光電器件和化合物芯片的協同發展。

    根據斯達半導的年報,2021年該公司生產的應用于主電機控制器的車規級IGBT模塊合計配套超過60萬輛新能源汽車,其中A級及以上車型配套超過15萬輛。同時,該公司的車用空調、充電樁、電子助力轉向等半導體器件份額也有所提高。

    “2021年公司生產的應用于主電機控制器的車規級IGBT模塊開始大批量配套海外市場,預計2022年海外市場份額將會進一步提高?!彼惯_半導表示。

    上述士蘭微人士告訴記者,功率半導體的主要發展趨勢之一是耐壓越來越高。斯達半導也在年報中表示,2021年該公司在650V、750V以及1200V車規級IGBT的研發生產上均有突破。士蘭微在年報中亦表示,2021年該公司自主研發的第五代IGBT和FRD芯片的電動汽車主電機驅動模塊,已在國內多家客戶通過測試,并已在部分客戶批量供貨。目前公司正在加快汽車級和工業級功率模塊產能的建設。(記者注:FRD指快恢復二極管,是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管)

    根據士蘭微的年報,2021年該公司分立器件(具有單獨功能且功能不能拆分的電子器件,功率半導體屬于分立器件的一類)產品的營業收入為38.13億元,較上年增長73.08%。分立器件產品中,MOSFET、IGBT、IGBT大功率模塊、肖特基管、穩壓管、開關管、TVS管(瞬態二極管)、快恢復管等產品的增長較快。

    除了新能源汽車、光伏領域之外,功率半導體還廣泛應用于家電中,比如IPM(智能功率模塊)。士蘭微介紹稱,2021年公司IPM模塊的營業收入突破8.6億元人民幣,較上年增長100%以上。目前,該公司IPM模塊已廣泛應用到下游家電及工業客戶的變頻產品上,包括空調、冰箱、洗衣機,油煙機、吊扇、家用風扇、工業風扇、水泵、電梯門機、縫紉機、電動工具,工業變頻器等。2021年國內多家主流的白色家電整機廠商在變頻空調等家電上使用了超過3800萬顆士蘭微的IPM模塊,較上年增加110%。


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