IGBT在工業(yè)控制及自動化領(lǐng)域的應(yīng)用介紹

IGBT，即絕緣柵雙極型晶體管，被視為電力領(lǐng)域的“CPU”，對新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、節(jié)能環(huán)保等眾多國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。國家“十四五”規(guī)劃，將IGBT列為了亟待攻關(guān)的科技前沿領(lǐng)域之一。IGBT作為工業(yè)控制及自動化領(lǐng)域的核心器件，在電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用：

1）工業(yè)控制

目前，隨著工業(yè)控制及電源行業(yè)市場的逐步回暖，預(yù)計IGBT模塊在此領(lǐng)域的市場規(guī)模亦將得到逐步擴(kuò)大。與此同時，伺服驅(qū)動器和電機(jī)作為IGBT模塊另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，隨著我國工業(yè)自動化發(fā)展，預(yù)計將保持18%以上的市場增速，到2020年中國市場需求量達(dá)到1400 萬臺，規(guī)模超200億元。

2）新能源汽車

新能源汽車母線電壓通常在400V左右，而IGBT是一種耐高壓、高頻的電力電子開關(guān)器件，其額定電壓通常在600V以上，因此IGBT在汽車上的應(yīng)用主要以高壓電能變換為主，最核心的應(yīng)用為主驅(qū)逆變。主驅(qū)逆變是IGBT在新能源汽車上價值量最大的應(yīng)用。IGBT是新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)的核心、直接影響到新能源汽車的行駛性能。純電動汽車和混合動力汽車中動力電池輸出的是直流電，目前市場上絕大多數(shù)驅(qū)動電機(jī)需要使用交流電驅(qū)動,IGBT在電驅(qū)系統(tǒng)中的作用就是DC-AC逆變、將動力電池輸出的直流電逆變成可供交流電機(jī)使用的交流電。其余應(yīng)用也包括車載OBC及電池管理/車載空調(diào)/轉(zhuǎn)向助力等高壓輔助系統(tǒng)、此外也應(yīng)用于各類直流和交流充電樁。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2019年傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車中的半導(dǎo)體成本合計金額為338美元，其中功率半導(dǎo)體價值量為71美元，占比約21%；而純電動汽車中的半導(dǎo)體成本合計金額為704美元，其中功率半導(dǎo)體價值量高達(dá)387美元，占比顯著提升至55%，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車，其單車價值量提升了近5.5倍。

2015年11月，工業(yè)和信息化部等四個部委聯(lián)合發(fā)布了《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南》的通知，其中明確提到，為滿足全國500萬輛電動汽車的充電需求，新建了超過12,000個集中式電池充電站。其中，IGBT約占充電樁成本的 20％，預(yù)測到 2025年，全球充電樁用IGBT的市場規(guī)模將達(dá)到100億元人民幣。

3）工業(yè)變頻

變頻家電相比普通家電具備節(jié)能、高效、降噪、智能控制的優(yōu)勢，目前主要用于空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等耗電較多的家電。英飛凌的資料顯示，功率半導(dǎo)體作為家電變頻的核心器件，在變頻家電中的單機(jī)價值量為9.5歐元，相比普通家電中的0.7歐元提升了十倍以上。全球變頻家電銷量占比將從2017年的34%增長到2022年的65%。以家用空調(diào)為例，根據(jù)產(chǎn)業(yè)在線的數(shù)據(jù)，2020年我國家用空調(diào)產(chǎn)量達(dá)14490.6萬臺，其中變頻空調(diào)達(dá)8336.3萬臺，滲透率達(dá)57.5%，而2021年上半年滲透率進(jìn)一步提升至66.1%。隨著節(jié)能環(huán)保提效意識的普及和增強(qiáng)，預(yù)計變頻家電滲透率將繼續(xù)穩(wěn)中有升，支撐功率半導(dǎo)體市場持續(xù)擴(kuò)張

4）風(fēng)力和光伏發(fā)電

由于需要輸出符合電網(wǎng)要求的交流電，新能源發(fā)電增加了大量對于整流器、逆變器及變壓器的需求，二極管、MOSFET、IGBT等功率半導(dǎo)體因此應(yīng)用廣泛。在光伏逆變器和風(fēng)力發(fā)電逆變器中，功率半導(dǎo)體分立器件和模組作為電力轉(zhuǎn)換和控制的核心器件，能起到提高轉(zhuǎn)換效率和電流密度的作用。隨著節(jié)能減排需求的提升以及可再生能源發(fā)電成本的降低，我國的太陽能光伏、風(fēng)能等新能源發(fā)電行業(yè)快速發(fā)展。根據(jù)國家能源局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截止2020年底，我國光伏發(fā)電累計裝機(jī)容量254GW，新增裝機(jī)49.3GW；風(fēng)力發(fā)電累計裝機(jī)容量282GW，新增裝機(jī)72.4GW。新能源裝機(jī)容量的快速提升，將持續(xù)拉動對功率半導(dǎo)體器件的市場需求。

IGBT功率器件主要玩家為英飛凌、富士電機(jī)、安森美等歐美日大廠，集中度較高。英飛凌是全球最大的IGBT器件廠商，2019年英飛凌市占率為32.50%，CR5為63.90%，市場集中度很高。從產(chǎn)品來看，英飛凌、安森美等廠商在1700V 以下的中低電壓 IGBT 領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位，三菱則主宰了2500V以上的高電壓 IGBT領(lǐng)域。中國坐擁全球最大IGBT市場，自給率逐年提升仍存在較大提升空間。斯達(dá)半導(dǎo)為國內(nèi)IGB龍頭。

 IGBT模塊清洗

汽車IGBT模塊、功率器件和半導(dǎo)體封裝前通常會使用助焊劑和錫膏等作為焊接輔料，這些輔料在焊接過程或多或少都會有部分殘留物，還包括制程中沾污的指印、汗液、角質(zhì)和塵埃等污染物。同時，汽車IGBT模塊、功率器件和半導(dǎo)體的引線框架組裝了鋁、銅、鉑、鎳等敏感金屬等相當(dāng)脆弱的功能材料。這些敏感金屬和特殊功能材料對清洗劑的兼容性提出了很高的要求。一般情況下，材料兼容性不好的清洗劑容易使敏感材料氧化變色或溶脹變形或脫落等產(chǎn)生不良現(xiàn)象。合明科技自主研發(fā)的汽車IGBT模塊、功率器件和半導(dǎo)體水基清洗劑則是針對引線框架、汽車IGBT模塊、功率半導(dǎo)體器件焊后清洗開發(fā)的材料兼容性好、清洗效率高的環(huán)保水基清洗劑。將汽車IGBT模塊焊錫膏清洗干凈的情況下避免敏感材料的損傷。

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