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储能系统关键零部件——IGBT

发布时间:2023-06-09 来源:中自网 类型:行业资讯 人浏览
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导  读:

储能系统成本主要由电池和储能逆变器构成,两者合计构成电化学储能系统成本的80%,其中储能逆变器占到20%。IGBT绝缘栅双极型晶体管为储能逆变器的上游原材料,IGBT的性能决定了储能逆变器的性能,占逆变器价值量的20%-30%。IGBT在储能领域的主要作用就是变压、变频、交变转换等,是储能应用中不可缺少的器件。图:IGBT模块 ...,IGBT,新能源,IGBT,应用,IGBT模块,IGBT


储能系统成本主要由电池和储能逆变器构成,两者合计构成电化学储能系统成本的80%,其中储能逆变器占到20%。IGBT绝缘栅双极型晶体管为储能逆变器的上游原材料,
IGBT的性能决定了储能逆变器的性能,占逆变器价值量的20%-30%。

IGBT在储能领域的主要作用就是变压、变频、交变转换等,是储能应用中不可缺少的器件。

图:IGBT模块

  

储能变流器的上游原材料包括IGBT、电容、电阻、电抗器、PCB等。其中,IGBT仍旧主要依赖进口,国产IGBT在工艺层面与世界领先水平仍有差距,但随着中国储能行业的快速发展,IGBT国产化进程也有望加速。

IGBT储能应用价值

 

光伏相比,储能 IGBT 价值量相对更高。储能用更多的 IGBT 和 SiC,涉及到 DCDC 和 DCAC 两个环节,其中含两种方案,即光储一体与单独储能系统。独立的储能系统,功率半导体器件的用量是光伏的 1.5 倍左右。目前光储一体可能占比超过 60-70%,单独储能系统占比 30%。


图:比亚迪IGBT模块



IGBT具有广泛的应用层,在储能逆变器中较MOSFET更具优势。在实际项目中IGBT已逐渐取代MOSFET作为光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件,新能源发电行业的迅速发展将成为IGBT行业持续增长的全新动力。

IGBT是能源变换与传输的核心器件

IGBT可以通俗的理解为是带阀门控制的能控制电子双向(多向)流动的晶体管。IGBT是由BJT双极型三极管和绝缘栅型场效应管MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有 MOSFET金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管GTR的低导通压降两方面的优点。

图:IGBT模块结构示意图

 

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP 晶体管提供基极电流,使IGBT 导通。反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同,只需控制输入极N 一沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,作为国家战略性新兴产业,在新能源装备等领域应用极广。

IGBT具备包括输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快、通态电流大、导通压降低、损耗小等诸多优点,因此在当前市场环境中具有绝对优势。因此,IGBT成为当前功率半导体市场最主流的器件,在新能源发电、电动汽车及充电桩、电气化船舶、直流输电、
储能、工业电控和节能等众多领域均有广泛应用。

图:英飞凌IGBT模块

 

IGBT分类

根据产品结构形式不同,IGBT 有单管、IGBT 模块和智能功率模块 IPM 三种类型。
IGBT 单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器及小功率变频器等领域;IGBT 模块主要应用于大功率工业变频器、电焊机、新能源汽车电机控制器、车载空调、充电桩)等领域(当前市场上销售的多为此类模块化产品)。智能功率模块 IPM 主要在变频空调、变频洗衣机等白色家电领域有广泛应用。

 

根据应用场景的电压不同,IGBT 有超低压、低压、中压和高压等类型。其中新能源汽车、工业控制、家用电器等使用的 IGBT 以中压为主,而轨道交通、新能源发电和智能电网等对电压要求较高,主要使用高压IGBT。




IGBT 多以模块形式出现,IHS 数据显示模块和单管的比例为 3:1。模块是由 IGBT 芯片 与 FWD(续流二极管芯片)通过定制化的电路桥接,并通过塑料框架、衬底及基板等封装而成的模块化半导体产品。


市场现状:

中国企业正快速成长,目前较依赖进口

2022年,我国IGBT行业产量达到0.41亿只,需求量约为1.56亿只,自给率26.3%。目前,国内IGBT市场主要由英飞凌、三菱电机、富士电机等海外厂商占据,其中占比最高的是英飞凌,为15.9%。IGBT模组市场CR3达56.91%,国产厂商斯达半导和中车时代的市占率合计占比为5.01%。全球IGBT分立器件市占率前三的厂家市场份额合计达到了53.24%,国产厂商仅士兰微一家以3.5%的市场份额进入全球IGBT分立器件市占率前十厂商。


 

随着光伏和储能需求逐渐旺盛,海外芯片供应紧张,助推国产替代。IGBT 器件的性能直接影响新能源发电的效率,因此客户对功率半导体的价格敏感度较低,而对其性能和可靠性要求较高。过去我国逆变器企业在器件选用过程中往往偏好性能更为卓越、稳定性更好的海外 IGBT 产品。

2021年以来,受各种因素影响,海外光伏芯片大厂交期延长,逆变器 IGBT 芯片供需矛盾凸显,因此我国光伏逆变器企业加快了对国产 IGBT 器件的验证和导入工作。部分逆变器企业建立国产供应链体系的迫切性日益凸显,正加速引入国产核心器件供应商。

我国企业在逆变器环节实力雄厚,全球市场占有率领先,为国产IGBT等器件的导入提供了深厚的土壤。国产 IGBT 企业相较海外企业,更有希望凭借本土供应优势,实现与逆变器客户的密切对接和持续服务,逐步提升渗透率,有望提升 IGBT 市场份额。

 

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