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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
内容
功率器件是电力电子器件的核心，特指转换并控制电力的功率半导体器件。电力有直流电（DC）、交流电（AC）之分，存在电压、电流大小和频率的区别。电力转换包括转换一个或多个电压、电流或频率。“功率控制”指控制输入和输出的功率大小。核心是使用最小的输入控制功率保证输出功率的大小和时延。
全球功率器件市场规模
2018年全球功率器件市场规模为363亿美元，同比增长11%，受益于折旧带来的替换市场、电气化程度加深带来的新增市场以及供需格局带来的价格增长，2016年-2018年全球功率器件市场增长迅速，但从2018年第四季度开始，半导体市场开始出现周期性下滑，2019年第一季度增速下滑的趋势仍在延续。据Yole Développement相关测算，功率半导体市场在2019年、2020年由于价格的回落增长速度下降至5%、3%，在2021年以后由于物联网应用的兴起回升至4%的年化增长速度，至2022年实现约426亿美元的市场规模。
从产品构成来看，目前在功率器件中最主要的产品是MOSFET、IGBT、二极管及整流桥。2017年，全球功率半导体市场规模超300亿美元，其中MOSFET占比31%，IGBT占比19%，二极管及整流桥占比29%，其他占比21%。
MOSFET和IGBT为最常用的两种功率半导体器件
功率半导体器件可以用来控制电路通断，从而实现电力变换。一般将额定电流超过1A的半导体器件归类为功率半导体器件，这类器件的阻断电压分布在几伏到上万伏。常见的功率半导体器件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、快恢复二极管（FRD）、垂直双扩散金属-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。
功率二极管是基础性功率器件，结构简单可靠性强，广泛应用于工业、电子等各个领域，起到稳压、整流和开关的作用。二极管分为整流二极管，齐纳二极管和高频二极管。其中整流二极管和齐纳二极管属于功率半导体。整流二极管主要用作整流、开关、变换（肖特基二极管SBD）和逆变（快恢复二极管FRD）作用。
MOSFET：高频率开关核心部件
MOSFET和IGBT是目前最常用的两种功率半导体器件。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，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。通过在栅极（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基极层是为了防止在关断的情况下元件被高压击穿。因此需要承受的电压越高，N基极层就越厚，电阻也就越大。
为了改善MOSFET的电压耐受性，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在MOSFET的基础上增加一层P+层，与N基极层形成了一个PN二极管。在关断情况下，形成的PN结承受了绝大部份电压，而结构中的MOSFET不需要承受高压，因此提高了元件的耐压性能。因此IGBT一般用在高压功率产品上，电压范围一般600V-6500V；MOSFET应用电压相对较低，从十几伏到1000V。但是IGBT的延迟时间要大于MOSFET，因此IGBT应用在切换频率低于25kHz的场景，而MOSFET可以应用于切换频率大于100kHz的场景。
MOSFET是功率器件的细分产品之一，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）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。MOSFET功率器件是电能转换和控制的核心半导体器件。MOSFET功率器件工作速度快，故障率低，开关损耗小，扩展性好。适合低压、大电流的环境，要求的工作频率高于其他功率器件。
据HIS统计数据显示，MOSFET市场主要份额被英飞凌占据，其所有产品综合占率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领域，英飞凌更是以36%的市占率领先所有对手。
IGBT：高压高频率电力电子的“心脏”
IGBT作为一种新型电力电子器件，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是工业控制及自动化领域的核心元器件，其作用类似于人类的心脏，能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的。
自20世纪80年代末开始工业化应用以来发展迅速，IGBT不仅在工业应用中取代了MOSFET和GTR，甚至已扩展到SCR及GTO占优势的大功率应用领域，还在消费类电子应用中取代了BJT、MOSFET等功率器件的许多应用领域。
按照工作电压的不同，IGBT在650V-6500V的电压范围内的各类应用场景广泛应用。其中，工业IGBT应用一般为650V、1200V和6500V级别；新能源汽车和家电IGBT应用一般为650V和1200V级别；新能源发电IGBT应用一般为1200V和1700V级别；轨道交通所使用的IGBT电压在3300V-6500V之间。
资料显示，在全球IGBT市场中，英飞凌、三菱和富士电机处于领先位置，安森美主要集中在600V以下的低压消费电子行业，而1700V以上中高压的高铁、汽车、智能电网等领域，基本被英飞凌、ABB和三菱产品垄断。
IGBT技术演化路线：微型化与高功率成为趋势
自20世纪80年代IGBT开启工业化应用以来，IGBT技术经历了丰富的技术演变，涌现出六代不同的技术方案，但这些方案主要由英飞凌、三菱电机和富士电机等厂商主导。
在英飞凌、富士电机、ABB等厂商的推动下，IGBT的结构设计仍在不断突破和创新，并涌现出了P-ring TS+Trench、超级结和SiC IGBT等全新技术，推动IGBT应用和市场的持续发展。
同时，IGBT的制造工艺也在持续革新，IGBT产品的差异化和性能的提升有赖于掺杂、扩散和薄片加工等多种工艺的应用，相关工艺的技术壁垒较高，制造技术也成为实现IGBT创新的关键。
风电行业IGBT功率器件产品
IGBT功率器件——风机平稳运行之“芯”
风电起源于欧洲，当前在中国正蓬勃发展。通常风电设备需要以20-25年为运行生命周期，这对风机设备核心部件的可靠性提出了很高的要求，尤其是身处环境更恶劣的海上风电。
IGBT模块作为风机能量转换的心脏，通过一次次的脉动，将叶片捕获的风能，在风电变流器里变换成电能，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，足够强大的功率循环次数，也就是IGBT PC（Power Cycling）寿命，是完成海上风电漫长25年服役的基础，是长期稳定高效发电的保障，从而降低风电场度电成本，度电成本公式为：
同样，不同地域海上风电的年度风速谱线走势不尽相同。当风速逐渐增加甚至风机满功率额定运行时，变流器和IGBT模块都要全力以赴并经历严峻的高负荷考验。下图展示了某风场的全年风速分布概况，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，比如风速7m/s以下。高风速虽然占比较小，但是其对变流器和IGBT模块的PC寿命影响很大。
某风场全年风速分布概况
对于海上风机，如果IGBT模块在变流器中无法承受海上多次、长期的强风而失效，无法满足20-25年的寿命要求，则风电场业主将很可能面临中途更换变流器功率组件（IGBT模块是功率组件的核心器件）的困境，从而增加风电场全生命周期的运维成本和由于停机更换备件而导致的发电量损失。因此，降低运维成本和提高发电量是提升海上风电场效益的关键措施。降低运维成本：高可靠，大功率IGBT模块可以减少IGBT模块及其附件（PCB板，驱动器，线缆等）数量，提高变流器的MTBF。提升发电量：MTBF提升，风机运行时间延长，发电损失减少。为此，针对风电严苛的工作环境和条件，功率器件厂商纷纷推出IGBT器件明星产品。
IGBT功率器件领导厂商动向
作为功率半导体行业的领导者，英飞凌（Infineon Technologies）是市场上较少提供覆盖硅、碳化硅和氮化镓等材料的全系列功率产品的企业，其拥有高性价比的第七代CoolMOS™、基于第三代宽禁带半导体的高性能CoolSiC™与CoolGaN™、以及支持更高频率应用的第六代OptiMOS™等丰富产品组合，从芯片技术层面提升电源效率。
2014年8月，英飞凌以30亿美元现金并购美国国际整流器公司（International Rectifier），凭借此收购使得其高功率芯片与国际整流器公司的低功率高效芯片业务实现良好互补，也因此其市场份额在2015年出现大飞跃，进一步稳固英飞凌在功率半导体全球市场的领先地位。
2015年6月，英飞凌推出新一代PrimePACK™功率模块。据悉，IGBT5和创新的.XT技术结合，是IGBT芯片和模块技术发展的一个重要里程碑。英飞凌的PrimePACK™功率模块采用了IGBT5芯片和XT模块工艺技术。XT技术涉及到了芯片正面的键合线、芯片背面的焊接(芯片至DCB)和DCB(直接键合铜)至基板的焊接等多项IGBT封装关键技术点。XT技术的应用使得IGBT模块静态和动态损失更低，并具有更强的热量和功率循环功能，操作温度高达175℃。通过增强热管理和功率循环周次，产品功率密度提高25%，使用寿命延长10倍。因此，当时推出PrimePACK™模块成为了风电等应用大部分高功率逆变的绝佳选择。
PrimePACK™2 IGBT5/.XT 内部示意图：芯片铜金属化，铜绑定线
作为新一代产品家族的明星—英飞凌PrimePACK™IGBT5/.XT，采用PrimePACK™2和PrimePACK™3+封装，功率密度首屈一指，可轻松实现10MW 690V全功率变流器，且是690V（两电平）和1140V（三电平）大功率海上风电变流器的又一力作。
在环保意识日益增强的大环境下，可再生能源来源对于清洁能源的需求在全球范围内不断增长。在世界范围内，许多国家和地区正在兴建越来越多的大规模风力发电厂，尤其是欧洲和中国。据GWEC数据预测，风力发电的全球市场总量2018年增长591GW，并在2023年前以每年8%的速度增长。
作为全球功率器件领导厂商之一，富士电机早在十多年前就涉足风电领域，和知名变流器厂商开展合作。随着中国风电市场的发展壮大以及变流器国产化的不断深化，目前国内外风电变流器的主流厂家大部分都在批量采用其功率器件代表性产品——IGBT模块，主要应用在风电变流器主机和变桨控制系统上。
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稳定电力供应做支持，其中包括空调和电机控制逆变器、UPS和PCS。此后富士电机产品线持续扩容，旨在进一步提升第7代X系列IGBT模块的销售额。为此，2019年8月富士电机增加了1,700伏电压等级产品线阵容，剑指规模巨大的风力发电市场。
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表层结构越来越精细。相较于常规产品（第六代V系列），它可以使逆变器运行时产生的功率损耗降低约10%。同时，它也能帮助节约整机设备的能源和电力成本。该模块应用了一种新开发的绝缘基板以提高散热性能。由于损耗的降低，另外该基板也可提高散热，从而将连续最高操作结温从常规的150℃提高到175℃。在整机设备尺寸不变的情况下，输出电流最高可增加30%。这有助于减小设备尺寸并降低总成本。模块的结构和使用材料都进行了反复评估以提高在高温操作中的稳定性和耐久性。这一点有助于提高整机设备的可靠性。同时，据了解，富士电机IGBT芯片从第5代开始就采用沟槽栅的结构，后续结合场终止技术,产品将具有低损耗、低电磁干扰、小型化和高可靠性等优点。
与富士电机一样，三菱电机（Mitsubishi Electric）也是日本另一世界级功率半导体领导厂商。在三菱电机集团整体业务中，工业自动化和能源与电力系统两个板块在2017年市场销售额中占比和超过50%。功率元器件隶属于三菱电机电子元器件事业部，虽然占比不大，但却是支撑集团旗下产品的其中一个重要的核心部件，功率元器件行业的核心正是IGBT芯片。
据悉，在新能源发电尤其是风力发电领域，三菱电机半导体（以下简称“三菱电机”）于2018年推出基于LV100封装的新型IGBT模块，其兼具提升风电变流器的功率密度和性能价格比；2019年针对高可靠性变流器等应用领域，三菱电机又推出功率密度更高的X系列HVIGBT，涵盖传统封装、LV100封装(6kV绝缘耐压)、HV100封装(10kV绝缘耐压)三种封装模式。
以风电变流器等为代表的应用需要大功率密度、高可靠性、可扩展功率范围的标准化1200V和1700V功率模块。为了满足这些要求，三菱电机推出基于广为熟知的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，是因为它不但基于标准化封装外形设计，同时还能够具有最高的功率密度、易于并联的可扩展性、低杂散电感、适用于高速开关器件(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封装技术，LV100模块提供了最佳的整体性能。在1700V等级中，LV100模块实现了1200A的额定电流。考虑其紧凑的封装面积仅为144×100mm2，这代表了杰出的电流密度。
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，实现更大电流密度，该产品采用第7代CSTBTTM硅片技术和RFC二极管硅片技术，能够降低功率损耗。此外，该产品采用LNFLR技术减小结-壳热阻，全系列运行结温范围达到-50℃~150℃，安全工作区(SOA)裕量大，且无Snap-off反向恢复。通过优化封装内部结构，X系列HVIGBT提高散热性、耐湿性和阻燃性，延长产品寿命。该系列采用传统封装，可兼容现有H系列和R系列HVIGBT，其中，LV100和HV100封装，交直流分开的主端子布局，利于并联应用；LV100和HV100封装，全新的封装结构，实现极低内部杂散电感。
目前，三菱电机主营功率器件包括IGBT、IPM、MOSFET和SiC等器件。由于增量市场需求持续扩大，三菱电机也在积极拓展产能。2020年6月，三菱电机株式会社宣布将收购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。收购后的厂房将用于加工三菱电机功率半导体器件生产所需的晶圆。新生产基地计划在2021年11月投入运营。
总结：风电资本投入增加助推功率器件需求扩张
风电发电的逆变设备，可将蓄电池中的DC 12V直流电转换为可并入市电的AC 220V交流电。逆变器主要是有MOS场效应管与电源变压器为核心，通过模拟电路技术连接的。同时，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柔性输电技术都需要大量使用IGBT等功率器件。
随着风电项目建设方案正式落地，2020-2025年我国陆上风电市场将逐步转向以平价项目、分散式风电项目和换新项目为主。由于风电机组的寿命普遍为20-25年，2025年以后我国陆上风电有望借助大规模换新回暖。此外，风电运维市场规模的不断扩大，这些都将为功率器件行业的未来成长提供有力支撑。