隨著制造業(yè)的不斷擴(kuò)大，中國正在從制造大國向制造強(qiáng)國發(fā)展，作為智能制造和工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵部件——變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器市場的需求將不斷的擴(kuò)大，未來幾年的前景將非常好。然而，電力電子器件研發(fā)遇到的最大挑戰(zhàn)是功耗和結(jié)溫，全球IGBT企業(yè)都在通過各種各樣的方式來解決這些問題，從而降低模塊封裝尺寸和成本，甚至碳化硅技術(shù)也已經(jīng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域嶄露頭角。英飛凌、三菱電機(jī)和賽米控是該領(lǐng)域排名前五的企業(yè)，它們有哪些最新的技術(shù)解決方案呢?

3月12日在廣州SIAF2019展舉辦的PCIMAsia“應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)的電氣解決方案”應(yīng)用論壇上，大比特資訊《半導(dǎo)體器件應(yīng)用》記者采訪了三菱電機(jī)半導(dǎo)體大中國區(qū)技術(shù)總監(jiān)宋高升先生、賽米控電子(珠海)有限公司應(yīng)用經(jīng)理邱建文先生以及英飛凌科技(中國)有限公司市場部經(jīng)理張明丹。

邱建文(左)、張明丹(中)、宋高升(右)

工業(yè)4.0中國企業(yè)在發(fā)力

在能源效率領(lǐng)域，變頻器是當(dāng)之無愧的能效提升利器。得益于部件質(zhì)量的提升和小型化，為系統(tǒng)增加變頻器是一個(gè)相對(duì)簡單的選擇?，F(xiàn)在，先進(jìn)變頻器的效率可以保持在98%，是整個(gè)能源轉(zhuǎn)換鏈條中最有效的環(huán)節(jié)。事實(shí)上，為系統(tǒng)增加變頻器，通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，不僅能降低能源消耗，使用恰當(dāng)時(shí)還可以提高功率系數(shù)，降低維護(hù)成本，提高產(chǎn)量，提升最終用戶的產(chǎn)品質(zhì)量。

而伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國內(nèi)外普遍受到關(guān)注。而伺服驅(qū)動(dòng)器(servodrives)作為工業(yè)自動(dòng)化的重要一環(huán)，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，進(jìn)而可以控制機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化。

隨著功率器件等技術(shù)的進(jìn)步，變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器的市場越來越大，幾乎已經(jīng)用到所有需要電氣傳動(dòng)調(diào)速的場合。

據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)IHS于2016年公布的報(bào)告，英飛凌(Infineon)以獨(dú)占全球24.5%的份額高居榜首，日本三菱電機(jī)(Mitsubishi)則以24.4%的全球份額位列第二。而賽米控在全球二極管和晶閘管半導(dǎo)體模塊市場占有25%的份額。

英飛凌科技(中國)有限公司市場部經(jīng)理張明丹女士認(rèn)為，工業(yè)4.0現(xiàn)在帶來的是整個(gè)電力傳動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)換代的迅速化發(fā)展。這兩年，40%是變頻器海外企業(yè)、30%是中國本土企業(yè)的局面正在一一被打破，更多的國產(chǎn)廠家進(jìn)入到這一領(lǐng)域。

在伺服驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，張明丹表示，80%以上的中國份額可能都由日系伺服廠家主導(dǎo)，這是因?yàn)橛捎谒麄儗?duì)整個(gè)控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度要求會(huì)不一樣，但在這個(gè)領(lǐng)域我們看到一些對(duì)中國市場來講非常蓬勃的領(lǐng)域，例如5G通信，因?yàn)?G整個(gè)系統(tǒng)的更新?lián)Q代會(huì)給伺服系統(tǒng)帶來大量的新設(shè)備的引入，而且由于技術(shù)要求并沒有汽車那么高，并且它的整個(gè)市存量起量是非常快的，整個(gè)更新迭代的速度也是非常快的，這一部分將是中國伺服企業(yè)的天下。

賽米控電子(珠海)有限公司應(yīng)用經(jīng)理邱建文先生表示，賽米控未來的一系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)將不再做通用型平臺(tái)，而是會(huì)更加有針對(duì)性的結(jié)合不同的應(yīng)用需求去做性能改善;另一方面，還會(huì)給客戶提供更大量的、非常豐富的技術(shù)團(tuán)隊(duì)單位到現(xiàn)場幫助客戶解決所有需要迅速反應(yīng)的應(yīng)用問題。另外，整個(gè)伺服的發(fā)展需要小型化、緊湊化，同時(shí)從研發(fā)方向來看，賽米控也會(huì)通過強(qiáng)大的應(yīng)用支持團(tuán)隊(duì)為客戶做到低成本、緊湊化，讓客戶更快地去享受到整個(gè)市場的發(fā)展。而為了應(yīng)對(duì)未來，賽米控的MiniSKiiP的生產(chǎn)能力將從2019年第一季度開始擴(kuò)大50%。

三菱電機(jī)半導(dǎo)體大中國區(qū)技術(shù)總監(jiān)宋高升先生告訴大比特記者，雖然中國制造2025這個(gè)概念現(xiàn)在提得很少了，但三菱電機(jī)高度關(guān)注中國的制造業(yè)的升級(jí)戰(zhàn)略，“機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)是我們的用武之地，因?yàn)槲覀儞碛锌煽啃詷O高的雙列直插型智能功率模塊——DIPIPMTM?！?/p>

據(jù)介紹，三菱電機(jī)的DIPIPMTM最早為變頻家電應(yīng)用開發(fā)，后來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)變頻、伺服驅(qū)動(dòng)和汽車空調(diào)等領(lǐng)域。三菱電機(jī)正在努力把DIPIPMTM做得更小，有一種表面貼裝型IPM可以滿足幾十瓦的變頻驅(qū)動(dòng);也努力把它做得更大，有一種DIPIPM+可以覆蓋幾十千瓦的變頻驅(qū)動(dòng)。

第七代IGBT功耗已不再是問題

在工業(yè)變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，IGBT等功率器件研發(fā)遇到的最大挑戰(zhàn)是功耗和結(jié)溫，三菱電機(jī)和英飛凌在這方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位，他們都推出了第七代IGBT產(chǎn)品來滿足客戶需求。

據(jù)宋高升介紹，在工業(yè)和新能源應(yīng)用領(lǐng)域，三菱電機(jī)采用一體化封裝技術(shù)開發(fā)了第7代IGBT模塊。該產(chǎn)品在通用變頻器，高壓變頻器，風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用市場廣闊，低雜散電感符合未來大功率變流器的封裝設(shè)計(jì);采用第7代功率芯片組和SLC技術(shù)，提高性價(jià)比;此外，該產(chǎn)品降低開關(guān)損耗，有利于提高開關(guān)頻率;并且去除底板焊接層，提高熱循環(huán)壽命。

而據(jù)張明丹介紹，英飛凌科技推出新款1200VTRENCHSTOPIGBT7與射極控制EC7二極體。新款I(lǐng)GBT具備更高的功率密度，可降低系統(tǒng)成本及縮小系統(tǒng)尺寸。此功率模組采用業(yè)界知名的Easy外殼封裝，符合工業(yè)馬達(dá)應(yīng)用的需求。

另外，TRENCHSTOPIGBT7晶片采用最新的微圖溝槽技術(shù)，其靜態(tài)損耗遠(yuǎn)低於IGBT4，導(dǎo)通電壓亦降低20%。這項(xiàng)技術(shù)可大幅降低應(yīng)用的損耗，特別是工業(yè)馬達(dá)之應(yīng)用，因?yàn)檫@類應(yīng)用通常以中度切換頻率運(yùn)作。此功率模組的最大允許過載接面溫度可達(dá)175。C，并具有較彈性的切換及更高可控制性等特點(diǎn)。

以往，由于散熱問題，伺服驅(qū)動(dòng)和變頻器設(shè)計(jì)都需要巨大的散熱器，由于IGBT和IPM模塊節(jié)溫問題得到解決，散熱器的尺寸也得到了縮減，從降低整體系統(tǒng)尺寸和成本。而在這方面，賽米控還有更為創(chuàng)新的解決方案。

據(jù)邱建文介紹，隨著最新一代IGBT芯片的推出，賽米控的MiniSKiiP再次成為低功率和中等功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在功率密度和性能上的新標(biāo)準(zhǔn)。MiniSKiiPDualSplitMLI提供最強(qiáng)大的基于無基板模塊的組串型逆變器設(shè)計(jì)，可用于1500VDC母線電壓，輸出功率高達(dá)180kW。在針對(duì)1000VDC母線電壓所優(yōu)化的第二個(gè)版本中，同樣的設(shè)計(jì)將中等功率獨(dú)立模塊化UPS的功率密度提升至150kW。

碳化硅將風(fēng)靡工業(yè)領(lǐng)域

一直以來，SiC在光伏、UPS/SMPS和電動(dòng)汽車充電等應(yīng)用領(lǐng)域獲得不錯(cuò)的表現(xiàn)。但受成本和技術(shù)的限制，目前SiC器件還不能工業(yè)等領(lǐng)域滲透。

對(duì)此，宋高升認(rèn)為：“目前三菱電機(jī)SiC模塊的價(jià)格還是蠻高的，主要是因?yàn)槲覀儌?cè)重于發(fā)展大功率的SiC模塊，不是小功率的SiC分立器件，其芯片成本、封裝成本都還比較高。三菱電機(jī)的SiC功率模塊已經(jīng)在社內(nèi)的變頻空調(diào)、伺服驅(qū)動(dòng)器、光伏逆變器和牽引變流器中得到量產(chǎn)應(yīng)用，并積累了許多經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)已有不少企業(yè)也開始陸續(xù)采用SiC功率模塊進(jìn)行性能評(píng)估和項(xiàng)目預(yù)研。在我們看來，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，SiC功率模塊會(huì)率先在那些安裝空間特別受限且需要高溫運(yùn)行的功率變換器得到深度應(yīng)用，目前被看好的有電動(dòng)汽車、軌道牽引變流器和固態(tài)變壓器等領(lǐng)域。但無論如何，大功率SiC功率模塊在國內(nèi)獲得大批量應(yīng)用，至少還要等上幾年的時(shí)間?！?/p>

張明丹則認(rèn)為，大家在比較成本的時(shí)候，最常用的方法就是器件和器件比，其實(shí)從碳化硅的產(chǎn)品來講，如果同樣的電流等級(jí)，它跟IGBT的價(jià)差當(dāng)然存在，但是要看它的細(xì)分領(lǐng)域，比如說在光伏逆變器的行業(yè)，大家對(duì)效率、整體尺寸的要求很高，碳化硅方案帶來的高頻化則可以減少電抗器、縮小散熱器體積，綜合考慮的話，它的系統(tǒng)成本未必會(huì)比硅的方案貴很多。

同時(shí)，現(xiàn)在已經(jīng)研制出變頻器和電動(dòng)機(jī)的一體化組合機(jī)，張明丹認(rèn)為這將是碳化硅發(fā)光發(fā)熱地方?！霸跈C(jī)器人的手臂上，我們看到更多的人想把電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)集成在一起，這個(gè)時(shí)候?qū)τ谄骷拈_關(guān)頻率、體積、散熱器尺寸的考驗(yàn)都是非常嚴(yán)格的，在我個(gè)人看來，碳化硅器件未來將在這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分領(lǐng)域大展拳腳?！?/p>

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