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未来IGBT有向缩小电压范围发展的趋势
发布日期:2013-09-16   浏览次数:370次

       IGBT已经是非常成熟的产品,目前在中高电压领域的市场规模达16亿美元。未来IGBT有向缩小电压范围发展的趋势,以满足电视机、计算机适配器和照相机等消费类目标应用需求,从而抢占更多市场。与此同时,在上述应用中的SJMOSFET可提供更快的开关频率和具有竞争力的价格,2012年年底,SJMOSFET市场规模将达5.67亿美元。
  功率电子领域主要负责DC-DC转换、AC-DC转换、电机驱动等工作。需要更轻更小更高效率更便宜,目前有4种技术来对应这些要求,分别是silicon IGBT,Super Junction(SJ) MOSFETs,Gallium Nitride(GaN)and Silicon Carbide(SiC)-baseddevices.
  GaN和SiC对功率电子市场来说还不成熟。前者要求在制造工艺上做技术改进,特别是外延厚度;而后者,目前是一种昂贵的材料,不适合在消费类市场使用。
  从功率处理能力来分,功率半导体分立器件可分为四大类,包括低压小功率分立器件(电压低于200V,电流小于200mA)、中功率分立器件(电压低于200V,电流小于5A)、大功率分立器件(电压低于500V,电流小于40A)、高压特大功率分立器件(电压低于2,000V,电流小于40A)。
  IGBT是RCA公司和GE公司在1982年提出并于1986年开始正式生产并逐渐系列化的器件,是继双极晶体管(GTR)和MOSFET后的第三代功率半导体分立器件,其综合GTR和MOSFET的优点,具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高的特点,广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS以及逆变焊机当中,是目前发展最为迅速的新一代功率器件。
  IGBT下游应用领域也非常广阔,从IGBT的耐压范围上来分,600V-1200V的IGBT主要用于电磁炉、电源、变频家电等产品,现阶段这部分市场的IGBT用量最大;低于600V的IGBT主要用于数码相机闪光灯和汽车点火器上;电压大于1200V的IGBT主要以1700V的IGBT为主,这部分产品主要用在高压变频器等工业产品上。
  未来推动IGBT市场增长的最主要领域是变频器、变频家电、轨道交通产业、太阳能及风能可再生能源、混合动力车和纯电动车。出汽车外的市场都集中在中国。
  变频器产业:变频器对电机转速和转矩进行实时调节,由此可以节约不必要的能源浪费。应用变频器的电动机节能效果明显,一般节能率在20%-30%,较高的可以超过50%,节能潜力巨大。由于变频器广泛应用到机械、油气钻采、冶金、石化、电力和市政等领域,具有广泛的下游应用需求,未来市场将有望保持持续增长,其中,我们预计高压变频器未来三年将保持40%以上的增速,而中低压变频器未来三年也将保持20%以上的增速。变频器市场快速的增长,将保证作为变频器主要原材料的IGBT的需求快速增长。
  目前国内基本都是只能做到封装IGBT管,完全自主生产我没有看到,虽然南车说自己有8英寸线,但未听说正式投产。
  更先进的SIC和GAN,中国是完全空白,基本是日本\美\德的天下。
  SiC比GaN最佳工作电压更高,最佳工作功率更高。其应用范围比较窄,局限在轨道交通、海上风电、PV和工业驱动领域。对于HEV、EV和PHEV市场,SiC比GaN缺乏竞争力。HEV是目前市场主流,被丰田垄断,而丰田倾向于采用GaN而非SiC,当然了2015年之前IGBT还是主流。
  丰田第二代普瑞斯PCU中采用的逆变器IGBT为平面型,从第三代开始采用沟道型,因此后者的IGBT尺寸和厚度均小于第二代PCU.其中,芯片面积减小约17%,为11.7mm×9.4mm,厚度从380μm减至165μm.还提高了耐压,从850V增至1250V.另外,第三代PCU中配备的IGBT,每枚芯片流过的电流为200A左右。
  由于与SiC-MOSFET为纵向型元器件不同,GaN-MOSFET为横向型元器件,因而容易将外围芯片集成在同一底板上。这一点很有吸引力。由于可采用硅底板,因此不会像SiC那样受到底板尺寸的限制。将来在汽车领域,有可能分为SiC-MOSFET及GaN-MOSFET分别采用。某些大马力的HEV、EV、PHEV可能使用SiC-MOSFET,但HEV、EV、PHEV的卖点就是环保而非大马力,与汽油机轿车相比,HEV、EV、PHEV的马力肯定不足。
  轨道交通将是SiC最主要的市场,日本三大SiC厂家三菱、东芝和日立都是全力以赴开发此市场,三菱动作最迅速。
  GaN是具备高电子迁移速率的晶体管,主要在Si、SiC和蓝宝石基板上制造,SiC是一种异常坚硬的材料,铅锌矿纤维水晶结构,适合化合物半导体。
  采用GaN技术,可以做到更小、更低温度(Cooler)和更低成本。其他GaN市场还包括D类音频放大器、PV微逆变器、低压无刷直流马达和LED照明,这些需要高效、小体积、高频的市场。
  在GaN市场上,Transphorm无疑是投资人的关注焦点,该公司从2009年开始,已陆续从Google创投及索罗斯基金管理(Soros Fund Management)获得高达10400万美元的资金挹注,这也显示出市场对GaN倍感兴趣。
  由于大量热钱进入市场,也促成不少GaN新进业者冒出头来抢市,包含位于比利时Hasselt的磊晶业者——EpiGaN,以及位于加拿大渥太华的无晶圆厂(Fabless)业者——GaNSystems等;另外,设立于美国加州圣荷西的整合电路与组件供货商——英特尔(PowerIntegrations)也透过购并GaN半导体商——Velox,积极切入市场。
  不仅如此,英飞凌(Infineon)亦从艾司强(Aixtron)采购有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备,进一步将GaN半导体材料沉积在硅基板上,成功跨足该领域;而韩国乐金(LG)也采用相似手法展开布局。
  另外,三星(Samsung)也在尝试研发硅基GaN为主的功率半导体;日本三肯(Sanken)也预计在2012年底~2013年,与Panasonic及古河(Furukawa)等大厂连手量产GaN组件。其他计划进入GaN开发的业者还包括荷兰的NXP(NXP)半导体,以及总部位于瑞士日内瓦的意法半导体(ST)。
  一般来说,发展与测试一种新半导体材料的时间相当长,但随着世界各地大厂纷纷投入,很有可能在未来2~3年内就大量出现商用化的GaN产品。
  硅基GaN磊晶目前单位价格跟往后在市场上的预估价格相比,便显得相当昂贵。
  虽业界均看好GaN组件可提升电源转换效率,但仍面临诸多生产挑战。目前最关键的变量在于如何降低量产成本,也就是如何改善现有的6吋晶圆技术或直接跳到8吋
  举例来说,IR正全力进行更完善的生产设备整合;而意法半导体或NXP则藉由购买磊晶Epitaxy,并以惯用的互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程生产,不须自行制作磊晶。此即回到营运模式与企业定位的问题,将反映成本结构上的差异,但目前很难进行比较。
  与成本结构的发展情形相同,GaN组件结构也会因技术整合方式不同,而有所差异,IR与宜普目前都采取逆向工程方式,将1~1.5微米(μm)厚的GaN磊晶层镀在硅基板上;至于Epi GaN与位于德国专门制造磊晶的Azzurro半导体,则宣称可供应5~7微米厚的GaN层。后者将一举改变生产GaN组件的方式,若以崩溃电压为主要诉求更是如此。
  随着三星推出6000/7000/8000三大系列的9款LED电视新品上市,夏普也上市以LED为主打的LE700A的三款产品,而索尼炫薄ZX1系列以其9.9mm的超薄抢足了人们的眼球。一时间LED电视成了最近黑电业界除了液晶面板涨价之外最受关注的话题,像每个新产品现世的那样,这些LED电视均价值不菲。
  比普通液晶电视贵近一倍贵价LED遭非议
  LED最吸引人的莫过于其超薄的身材,除了索尼ZX1不足1厘米以外,三星今年新上市的6000/7000/8000系列都拥有极致超薄的身材,最薄只有2.99厘米。比起普通的液晶电视7、8厘米左右的身材堪是抢眼,然而这些LED电视除了海信TLM42T08GP以外,其他的报价均在1万3千元左右,即使是40英寸的三星UA40B7000WF也在1万6千元左右。
  目前国内上市的主流LED液晶电视报价
  品牌型号规格报价 索尼 KLV-40ZX1 40英寸 26999元 三星 UA46B7000WF 46英寸 17999元 三星 UA46B6000VF 46英寸 18500元 三星 UA46B8000VF 46英寸 24888元 三星 UA40B6000VF 40英寸 14999元 三星 UA40B7000WF 40英寸 16499元 三星 UA55B8000VF 55英寸 33888元 夏普 LCD-65XS1A 65英寸 129000元 夏普 LCD-52XS1A 52英寸 99990元 海信 TLM42T08GP 42英寸 9588元 创维 55LED09 55英寸 16500元
  从上面的报价表上可以看到三星是LED的主力,共有6款LED电视在市场上销售,而46英寸是三星LED主力,40/46英寸则是整个LED电视的主流规格,报价从9588至24888元左右。而普通液晶电视,40/42英寸国产机报价集中在6、7千元左右,新机集中在7千元左右,TCL今年新上市的42英寸P10报价在7640元,合资企业像三星650系列里的40英寸LA40A650A1F报价为8900元。46英寸全高清液晶国产报价在7、8千多,如果是外资将近万元。
  同样超薄的合资产品,3.5厘米厚度的日立UT42-MH08C只需要8499元;而厚度为2.99厘米的三星最低价的一款40英寸LED报价为14999元,两者厚度相差不到1厘米,但是报价却差了将近一半。除了海信的一款TLM42T08GP以外,其他均比普通液晶电视贵上40%以上。
  除上述厂商以外,目前会另行采购磊晶制作GaN功率组件的通常是无晶圆厂公司,例如加拿大的GaNSystems、美国南卡罗莱纳州的Nitek,以及德国柏林的BeMiTec.这些公司的共通处是规模较小,由此可见,对磊晶业者来说GaN市场的前景并不明朗。
  IR与EPC现在GaN市场取得领先,且皆已推出商用产品,不过,截至目前为止,来自GaN组件的营收还是相当低。也因此,EPC现正尝试与位于明尼苏达州的组件批发商Digi-Key接洽,期拓展销售管道。
  在此同时,硅基GaN的发光二极管(LED)技术也正逐渐发挥影响力,将吸引更多功率组件采用相似构造。由于与功率电子相比,LED领域对GaN更加熟悉,故验证期相对较短,一旦硅基GaN的LED技术发展成熟,也将带动电源供应领域导入硅基GaN功率半导体的发展。

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