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國內的企業在不斷進行科技研究,縮小現在IGBT技術和應用的差距,未來的IGBT也會在這些方面逐步實現突破。
IGBT技術發展方向
1、低功率IGBT
IGBT應用范圍一般都在600V、1KA、1KHz以上區域,為滿足家電行業的發展需求,摩托羅拉、ST半導體、三菱等公司推出低功率IGBT產品,實用于家電行業的微波爐、洗衣機、電磁灶、電子整流器、照相機等產品的應用。
2、U-IGBT
U(溝槽結構)--IGBT是在管芯上刻槽,芯片元胞內部形成溝槽式柵極。采用溝道結構后,可進一步縮小元胞尺寸,減少溝道電阻,進步電流密度,制造相同額定電流而芯片尺寸最少的產品。現有多家公司生產各種U—IGBT產品,適用低電壓驅動、表面貼裝的要求。
3、NPT-IGBT
NPT(非穿通型)--IGBT采用薄硅片技術,以離子注進發射區代替高復雜、高本錢的厚層高阻外延,可降低生產本錢25%左右,耐壓越高本錢差越大,在性能上更具有特色,高速、低損耗、正溫度系數,無鎖定效應,在設計600—1200V的IGBT時,NPT—IGBT可靠性最高。西門子公司可提供600V、1200V、1700V系列產品和6500V高壓IGBT,并推出低飽和壓降DLC型NPT—IGBT,依克賽斯、哈里斯、英特西爾、東芝等公司也相繼研制出NPT—IGBT及其模塊系列,富士電機、摩托羅拉等在研制之中,NPT型正成為IGBT發展方向。
4、SDB--IGBT
鑒于目前廠家對IGBT的開發非常重視,三星、快捷等公司采用SDB(硅片直接鍵合)技術,在IC生產線上制作第四代高速IGBT及模塊系列產品,特點為高速,低飽和壓降,低拖尾電流,正溫度系數易于并聯,在600V和1200V電壓范圍性能優良,分為UF、RUF兩大系統。
5、超快速IGBT
國際整流器IR公司的研發重點在于減少IGBT的拖尾效應,使其能快速關斷,研制的超快速IGBT可最大限度地減少拖尾效應,關斷時間不超過2000ns,采用特殊高能照射分層技術,關斷時間可在100ns以下,拖尾更短,重點產品專為電機控制而設計,現有6種型號,另可用在大功率電源變換器中。
6、IGBT/FRD
IR公司在IGBT基礎上推出兩款結合FRD(快速恢復二極管)的新型器件,IGBT/FRD有效結合,將轉換狀態的損耗減少20%,采用TO—247外型封裝,額定規格為1200V、25、50、75、100A,用于電機驅動和功率轉換,以IGBT及FRD為基礎的新技術便于器件并聯,在多芯片模塊中實現更均勻的溫度,進步整體可靠性。
7、IGBT功率模塊
IGBT功率模塊采用IC驅動,各種驅動保護電路,高性能IGBT芯片,新型封裝技術,從復合功率模塊PIM發展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發展,其產品水平為1200—1800A/1800—3300V,IPM除用于變頻調速外,600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB,用于艦艇上的導彈發射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術組裝PEBB,大大降低電路接線電感,進步系統效率,現已開發成功第二代IPEM,其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發展熱門。
IGBT市場發展方向
首先是綠色能源:目前我國的總體能源利用效率為33%左右,比發達國家低10%,節能工作面臨較大壓力,綠色能源的推動必不可少。
而目前中國已成為太陽能電池生產的第一大國,風力發電的累計裝機容量也是連續實現翻番。無論是太陽能電池還是風力發電,其系統應用都需要把直流電轉化為交流電,而承擔這一任務的部件是逆變器,逆變器的核心“心臟”器件就是IGBT。
其次,新能源汽車:到目前為止,已有英、法、德等六國先后提出停售燃油車的時間表(挪威/荷蘭2025年,德國/印度2030年,英法2040年),我國工信部也表態已經開始研究制定傳統燃油車停售的時間表。
2013~2016年,我國新能源車產量從2萬輛暴漲到50萬輛,根據國務院發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃》,至2020年,我國純電動汽車和插電式混合動力汽車生產能力達200萬輛,累計產銷量超過500萬輛,等效為8寸IGBT晶圓需求為100萬片,累計250萬片,市場相當龐大。
若拆解來看IGBT的模塊約占新能源車成本10%、占充電樁成本約20%,預計未來5年,國內的新能源汽車及充電樁可望帶動約200億IGBT模塊的市場需求。
另外就是工業自動化領域:機器人的大量使用,是近年來制造業企業轉型升級的突出特點。我國自2013年成為世界最大工業機器人市場后,工業機器人使用量大幅攀升,年復合增長率超過20%,2016年機器人安裝量更是高達8.5萬臺,超過全球新增工業機器人數量的30%。IGBT在工業用機器人領域也扮演重要的角色。
進口替代是我國IGBT發展趨勢。我國IGBT器件90%依賴進口,國產市場份額主要被歐美、日本企業壟斷。中國IGBT企業在研發與制造工藝方面極度缺乏經驗,與世界先進水平差距很大。同時IGBT都是關鍵設備上的核心部件,設備廠商更換國產產品風險很大,這也是制約國內企業產品進入高端市場的障礙。
IGBT的發展受到政策的支持,其發展途徑和發展途徑都能得到好的保障,在這些扶持項目的背后,科技的提升和產業化的進程都能得到加快。
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