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风力发电成开拓新领地 功率器件领导厂商纷纷谋篇布局

     功率器材是电力电子器材的中心,特指转化并操控电力的功率半导体器材。电力有直流电(DC)、交流电(AC)之分,存在电压、电流巨细和频率的差异。电力转化包含转化一个或多个电压、电流或频率。“功率操控”指操控输入和输出的功率巨细。中心是运用最小的输入操控功率确保输出功率的巨细和时延。


 

风电项目,功率器材

 

  全球功率器材商场规划

  2018年全球功率器材商场规划为363亿美元,同比添加11%,获益于折旧带来的替换商场、电气化程度加深带来的新增商场以及供需格式带来的价格添加,2016年-2018年全球功率器材商场添加敏捷,但从2018年第四季度开端,半导体商场开端呈现周期性下滑,2019年第一季度增速下滑的趋势仍在接连。据Yole Développement相关测算,功率半导体商场在2019年、2020年因为价格的回落添加速度下降至5%、3%,在2021年今后因为物联网运用的鼓起回升至4%的年化添加速度,至2022年完结约426亿美元的商场规划。

  从产品构成来看,现在在功率器材中最首要的产品是MOSFET、IGBT、二极管及整流桥。2017年,全球功率半导体商场规划超300亿美元,其间MOSFET占比31%,IGBT占比19%,二极管及整流桥占比29%,其他占比21%。


 

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  MOSFET和IGBT为最常用的两种功率半导体器材

  功率半导体器材可以用来操控电路通断,然后完结电力改换。一般将额外电流超越1A的半导体器材归类为功率半导体器材,这类器材的阻断电压散布在几伏到上万伏。常见的功率半导体器材有金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管芯片(IGBT)及模块、快康复二极管(FRD)、笔直双涣散金属-氧化物场效应晶体管(VDMOS)、可控硅(SCR)、5英寸以上大功率晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等。

  功率二极管是根底性功率器材,结构简略牢靠性强,广泛运用于工业、电子等各个范畴,起到稳压、整流和开关的效果。二极管分为整流二极管,齐纳二极管和高频二极管。其间整流二极管和齐纳二极管归于功率半导体。整流二极管首要用作整流、开关、改换(肖特基二极管SBD)和逆变(快康复二极管FRD)效果。


 

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  MOSFET:高频率开关中心部件

  MOSFET和IGBT是现在最常用的两种功率半导体器材。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),简称金氧半场效晶体管,是一种可以广泛运用在模仿电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。经过在栅极(G)上施加电压,使得源极(S)和漏极(D)之间导通,当撤去电压或施加负电压,则使得源极(S)和漏极(D)之间断开。N基极层是为了避免在关断的情况下元件被高压击穿。因而需求接受的电压越高,N基极层就越厚,电阻也就越大。

  为了改进MOSFET的电压耐受性,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在MOSFET的根底上添加一层P+层,与N基极层构成了一个PN二极管。在关断情况下,构成的PN结接受了绝大部份电压,而结构中的MOSFET不需求接受高压,因而进步了元件的耐压功用。因而IGBT一般用在高压功率产品上,电压规划一般600V-6500V;MOSFET运用电压相对较低,从十几伏到1000V。可是IGBT的延迟时刻要大于MOSFET,因而IGBT运用在切换频率低于25kHz的场景,而MOSFET可以运用于切换频率大于100kHz的场景。


 

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  MOSFET是功率器材的细分产品之一,即MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体),FET(Field Effect Transistor场效应晶体管),即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)运用电场的效应来操控半导体(S)的场效应晶体管。MOSFET功率器材是电能转化和操控的中心半导体器材。MOSFET功率器材作业速度快,故障率低,开关损耗小,扩展性好。合适低压、大电流的环境,要求的作业频率高于其他功率器材。


 

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  据HIS统计数据显现,MOSFET商场首要比例被英飞凌占有,其一切产品归纳占率27%,第二、三位分别是安森美13%和瑞萨9%。而在价值量高的高压MOSFET范畴,英飞凌更是以36%的市占率抢先一切对手。


 

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  IGBT:高压高频率电力电子的“心脏”

  IGBT作为一种新式电力电子器材,是世界上公认的电力电子技能第三次改造最具代表性的产品,是工业操控及自动化范畴的中心元器材,其效果类似于人类的心脏,可以依据工业设备中的信号指令来调理电路中的电压、电流、频率、相位等,以完结精准调控的意图。

  自20世纪80年代末开端工业化运用以来发展敏捷,IGBT不仅在工业运用中替代了MOSFET和GTR,乃至已扩展到SCR及GTO占优势的大功率运用范畴,还在消费类电子运用中替代了BJT、MOSFET等功率器材的许多运用范畴。

  依照作业电压的不同,IGBT在650V-6500V的电压规划内的各类运用场景广泛运用。其间,工业IGBT运用一般为650V、1200V和6500V等级;新动力轿车和家电IGBT运用一般为650V和1200V等级;新动力发电IGBT运用一般为1200V和1700V等级;轨道交通所运用的IGBT电压在3300V-6500V之间。


 

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  资料显现,在全球IGBT商场中,英飞凌、三菱和富士电机处于抢先方位,安森美首要会集在600V以下的低压消费电子职业,而1700V以上中高压的高铁、轿车、智能电网等范畴,根本被英飞凌、ABB和三菱产品独占。


 

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  IGBT技能演化道路:微型化与高功率成为趋势

  自20世纪80年代IGBT敞开工业化运用以来,IGBT技能阅历了丰厚的技能演化,呈现出六代不同的技能计划,但这些计划首要由英飞凌、三菱电机和富士电机等厂商主导。


 

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  在英飞凌、富士电机、ABB等厂商的推进下,IGBT的结构规划仍在不断打破和立异,并呈现出了P-ring TS+Trench、超级结和SiC IGBT等全新技能,推进IGBT运用和商场的继续发展。


 

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  一起,IGBT的制作工艺也在继续改造,IGBT产品的差异化和功用的进步有赖于掺杂、涣散和薄片加工等多种工艺的运用,相关工艺的技能壁垒较高,制作技能也成为完结IGBT立异的要害。

  风电职业IGBT功率器材产品

  IGBT功率器材——风机平稳运转之“芯”

  风电起源于欧洲,其时在我国正蓬勃发展。一般风电设备需求以20-25年为运转生命周期,这对风机设备中心部件的牢靠性提出了很高的要求,尤其是身处环境更恶劣的海优势电

  IGBT模块作为风机能量转化的心脏,经过一次次的脉动,将叶片捕获的风能,在风电变流器里改换成电能,源源不断地注入电网。因叶片的旋转,对IGBT都是一次次功率循环,满意强壮的功率循环次数,也便是IGBT PC(Power Cycling)寿数,是完结海优势电绵长25年执役的根底,是长时刻安稳高效发电的保证,然后下降风电场度电本钱,度电本钱公式为:


 

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  相同,不同地域海优势电的年度风速谱线走势不尽相同。当风速逐渐添加乃至风机满功率额外运转时,变流器和IGBT模块都要竭尽全力并阅历严峻的高负荷检测。下图展现了某风场的全年风速散布概略,横轴代表风速,纵轴代表风速概率密度函数。由图可知,低风速占比较高,比方风速7m/s以下。高风速尽管占比较小,可是其对变流器和IGBT模块的PC寿数影响很大。


 

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某风场全年风速散布概略
  关于海优势机,假如IGBT模块在变流器中无法接受海上屡次、长时刻的强风而失效,无法满意20-25年的寿数要求,则风电场业主将很可能面对半途替换变流器功率组件(IGBT模块是功率组件的中心器材)的窘境,然后添加风电场全生命周期的运维本钱和因为停机替换备件而导致的发电量丢失。因而,下降运维本钱和进步发电量是进步海优势电场效益的要害办法。下降运维本钱:高牢靠,大功率IGBT模块可以削减IGBT模块及其附件(PCB板,驱动器,线缆等)数量,进步变流器的MTBF。进步发电量:MTBF进步,风机运转时刻延伸,发电丢失削减。为此,针对风电苛刻的作业环境和条件,功率器材厂商纷繁推出IGBT器材明星产品。

  IGBT功率器材领导厂商意向

  作为功率半导体职业的领导者,英飞凌(Infineon Technologies)是商场上较少供给掩盖硅、碳化硅和氮化镓等资料的全系列功率产品的企业,其具有高性价比的第七代CoolMOS™、根据第三代宽禁带半导体的高功用CoolSiC™与CoolGaN™、以及支撑更高频率运用的第六代OptiMOS™等丰厚产品组合,从芯片技能层面进步电源功率。

  2014年8月,英飞凌以30亿美元现金并购美国世界整流器公司(International Rectifier),凭借此收买使得其高功率芯片与世界整流器公司的低功率高效芯片事务完结出色互补,也因而其商场比例在2015年呈现大飞跃,进一步安定英飞凌在功率半导体全球商场的抢先地位。


 

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  2015年6月,英飞凌推出新一代PrimePACK™功率模块。据悉,IGBT5和立异的.XT技能结合,是IGBT芯片和模块技能发展的一个重要里程碑。英飞凌的PrimePACK™功率模块选用了IGBT5芯片和XT模块工艺技能。XT技能触及到了芯片正面的键合线、芯片反面的焊接(芯片至DCB)和DCB(直接键合铜)至基板的焊接等多项IGBT封装要害技能点。XT技能的运用使得IGBT模块静态和动态丢失更低,并具有更强的热量和功率循环功用,操作温度高达175℃。经过增强热办理和功率循环周次,产品功率密度进步25%,运用寿数延伸10倍。因而,其时推出PrimePACK™模块成为了风电等运用大部分高功率逆变的绝佳挑选。


 

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PrimePACK™2 IGBT5/.XT   内部示意图:芯片铜金属化,铜绑定线
  作为新一代产品宗族的明星—英飞凌PrimePACK™IGBT5/.XT,选用PrimePACK™2和PrimePACK™3+封装,功率密度名列前茅,可轻松完结10MW 690V全功率变流器,且是690V(两电平)和1140V(三电平)大功率海优势电变流器的又一力作。

  在环保认识日益增强的大环境下,可再生动力来历关于清洁动力的需求在全球规划内不断添加。在世界规划内,许多国家和地区正在兴修越来越多的大规划风力发电厂,尤其是欧洲和我国。据GWEC数据猜测,风力发电的全球商场总量2018年添加591GW,并在2023年前以每年8%的速度添加。

  作为全球功率器材领导厂商之一,富士电机早在十多年前就进入风电范畴,和闻名变流器厂商展开协作。跟着我国风电商场的发展壮大以及变流器国产化的不断深化,现在国内外风电变流器的干流厂家大部分都在批量选用其功率器材代表性产品——IGBT模块,首要运用在风电变流器主机和变桨操控系统上。

  2015年富士电机推出了650伏和1,200伏电压等级的第7代X系列IGBT模块,为各类设备和工厂的节能和安稳电力供应做支撑,其间包含空谐和电机操控逆变器、UPS和PCS。尔后富士电机产品线继续扩容,旨在进一步进步第7代X系列IGBT模块的销售额。为此,2019年8月富士电机添加了1,700伏电压等级产品线阵型,剑指规划巨大的风力发电商场。


 

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富士电机第7代X系列1,700伏电压等级
  据悉,富士电机第七代产品,IGBT和FWD的晶圆越来越薄,IGBT表层结构越来越精密。相较于惯例产品(第六代V系列),它可以使逆变器运转时发生的功率损耗下降约10%。一起,它也能协助节省整机设备的动力和电力本钱。该模块运用了一种新开发的绝缘基板以进步散热功用。因为损耗的下降,别的该基板也可进步散热,然后将接连最高操作结温从惯例的150℃进步到175℃。在整机设备尺度不变的情况下,输出电流最高可添加30%。这有助于减小设备尺度并下降总本钱。模块的结构和运用资料都进行了重复评价以进步在高温操作中的安稳性和耐久性。这一点有助于进步整机设备的牢靠性。一起,据了解,富士电机IGBT芯片从第5代开端就选用沟槽栅的结构,后续结合场停止技能,产品将具有低损耗、低电磁搅扰、小型化和高牢靠性等长处。

  与富士电机相同,三菱电机(Mitsubishi Electric)也是日本另一世界级功率半导体领导厂商。在三菱电机集团全体事务中,工业自动化和动力与电力系统两个板块在2017年商场销售额中占比和超越50%。功率元器材隶归于三菱电机电子元器材事业部,尽管占比不大,但却是支撑集团旗下产品的其间一个重要的中心部件,功率元器材职业的中心正是IGBT芯片。

  据悉,在新动力发电尤其是风力发电范畴,三菱电机半导体(以下简称“三菱电机”)于2018年推出根据LV100封装的新式IGBT模块,其兼具进步风电变流器的功率密度和功用价格比;2019年针对高牢靠性变流器等运用范畴,三菱电机又推出功率密度更高的X系列HVIGBT,包含传统封装、LV100封装(6kV绝缘耐压)、HV100封装(10kV绝缘耐压)三种封装形式。

  以风电变流器等为代表的运用需求大功率密度、高牢靠性、可扩展功率规划的标准化1200V和1700V功率模块。为了满意这些要求,三菱电机推出根据广为熟知的HVIGBT LV100模块的外形和内部布局理念开发了工业LV100封装模块。这一理念之所以令人信服,是因为它不光根据标准化封装外形规划,一起还可以具有最高的功率密度、易于并联的可扩展性、低杂散电感、适用于高速开关器材(如SiC MOSFET)以及具有优异的均流特性。结合最新的第7代IGBT和二极管高效芯片以及无热循环失效SLC封装技能,LV100模块供给了最佳的全体功用。在1700V等级中,LV100模块完结了1200A的额外电流。考虑其紧凑的封装面积仅为144×100mm²,这代表了出色的电流密度。


 

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三菱电机全新工业级LV100封装功率模块
  三菱电机X系列HVIGBT进一步扩展3.3kV/4.5kV/6.5kV的电流等级,完结更大电流密度,该产品选用第7代CSTBTTM硅片技能和RFC二极管硅片技能,可以下降功率损耗。此外,该产品选用LNFLR技能减小结-壳热阻,全系列运转结温规划到达-50℃~150℃,安全作业区(SOA)裕量大,且无Snap-off反向康复。经过优化封装内部结构,X系列HVIGBT进步散热性、耐湿性和阻燃性,延伸产品寿数。该系列选用传统封装,可兼容现有H系列和R系列HVIGBT,其间,LV100和HV100封装,交直流分隔的主端子布局,利于并联运用;LV100和HV100封装,全新的封装结构,完结极低内部杂散电感。

  现在,三菱电机主营功率器材包含IGBT、IPM、MOSFET和SiC等器材。因为增量商场需求继续扩展,三菱电机也在活跃拓宽产能。2020年6月,三菱电机株式会社宣告将收买夏普福山半导体有限公司的厂房和土地,该公司为夏普公司在日本广岛福山的全资子公司。收买后的厂房将用于加工三菱电机功率半导体器材出产所需的晶圆。新出产基地计划在2021年11月投入运营。

  总结:风电本钱投入添加助推功率器材需求扩张

  风电发电的逆变设备,可将蓄电池中的DC 12V直流电转化为可并入市电的AC 220V交流电。逆变器首要是有MOS场效应管与电源变压器为中心,经过模仿电路技能衔接的。一起,在智能电网的各个环节,整流器、逆变器和特高压直流输电中的FACTS柔性输电技能都需求很多运用IGBT等功率器材。

  跟着风电项目建规划划正式落地,2020-2025年我国陆优势电商场将逐渐转向以平价项目、涣散式风电项目和换新项目为主。因为风电机组的寿数遍及为20-25年,2025年今后我国陆优势电有望凭借大规划换新回暖。此外,风电运维商场规划的不断扩展,这些都将为功率器材职业的未来生长供给有力支撑。
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