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擁抱第七代IGBT和碳化硅 工業變頻器/伺服器的未來屬于中國

時間:2019-04-04來源: 大比特商務網

導語:隨著制造業的不斷擴大,中國正在從制造大國向制造強國發展,作為智能制造和工業自動化的關鍵部件——變頻器和伺服驅動器市場的需求將不斷的擴大,未來幾年的前景將非常好

隨著制造業的不斷擴大,中國正在從制造大國向制造強國發展,作為智能制造和工業自動化的關鍵部件——變頻器和伺服驅動器市場的需求將不斷的擴大,未來幾年的前景將非常好。然而,電力電子器件研發遇到的最大挑戰是功耗和結溫,全球IGBT企業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,甚至碳化硅技術也已經在工業自動化領域嶄露頭角。英飛凌、三菱電機和賽米控是該領域排名前五的企業,它們有哪些最新的技術解決方案呢?

3月12日在廣州SIAF2019展舉辦的PCIMAsia“應用于工業驅動的電氣解決方案”應用論壇上,大比特資訊《半導體器件應用》記者采訪了三菱電機半導體大中國區技術總監宋高升先生、賽米控電子(珠海)有限公司應用經理邱建文先生以及英飛凌科技(中國)有限公司市場部經理張明丹。

工業變頻器/伺服器

色妹妹自拍偷拍 邱建文(左)、張明丹(中)、宋高升(右)

工業4.0中國企業在發力

在能源效率領域,變頻器是當之無愧的能效提升利器。得益于部件質量的提升和小型化,為系統增加變頻器是一個相對簡單的選擇。現在,先進變頻器的效率可以保持在98%,是整個能源轉換鏈條中最有效的環節。事實上,為系統增加變頻器,通過改變電機的轉速,不僅能降低能源消耗,使用恰當時還可以提高功率系數,降低維護成本,提高產量,提升最終用戶的產品質量。

色妹妹自拍偷拍 而伺服驅動技術作為數控機床、工業機器人及工業自動化的關鍵技術之一,在國內外普遍受到關注。而伺服驅動器(servodrives)作為工業自動化的重要一環,主要應用于高精度的定位系統。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制,實現高精度的傳動系統定位,進而可以控制機器人,從而實現工業自動化。

隨著功率器件等技術的進步,變頻器和伺服驅動器的市場越來越大,幾乎已經用到所有需要電氣傳動調速的場合。

色妹妹自拍偷拍 據調研機構IHS于2016年公布的報告,英飛凌(Infineon)以獨占全球24.5%的份額高居榜首,日本三菱電機(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)有限公司市場部經理張明丹女士認為,工業4.0現在帶來的是整個電力傳動系統升級換代的迅速化發展。這兩年,40%是變頻器海外企業、30%是中國本土企業的局面正在一一被打破,更多的國產廠家進入到這一領域。

在伺服驅動器領域,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,這是因為由于他們對整個控制系統和驅動系統的精度要求會不一樣,但在這個領域我們看到一些對中國市場來講非常蓬勃的領域,例如5G通信,因為5G整個系統的更新換代會給伺服系統帶來大量的新設備的引入,而且由于技術要求并沒有汽車那么高,并且它的整個市存量起量是非常快的,整個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的天下。

色妹妹自拍偷拍 賽米控電子(珠海)有限公司應用經理邱建文先生表示,賽米控未來的一系列產品設計將不再做通用型平臺,而是會更加有針對性的結合不同的應用需求去做性能改善;另一方面,還會給客戶提供更大量的、非常豐富的技術團隊單位到現場幫助客戶解決所有需要迅速反應的應用問題。另外,整個伺服的發展需要小型化、緊湊化,同時從研發方向來看,賽米控也會通過強大的應用支持團隊為客戶做到低成本、緊湊化,讓客戶更快地去享受到整個市場的發展。而為了應對未來,賽米控的MiniSKiiP的生產能力將從2019年第一季度開始擴大50%。

色妹妹自拍偷拍 三菱電機半導體大中國區技術總監宋高升先生告訴大比特記者,雖然中國制造2025這個概念現在提得很少了,但三菱電機高度關注中國的制造業的升級戰略,“機器人伺服驅動是我們的用武之地,因為我們擁有可靠性極高的雙列直插型智能功率模塊——DIPIPMTM。”

據介紹,三菱電機的DIPIPMTM最早為變頻家電應用開發,后來被廣泛應用于工業變頻、伺服驅動和汽車空調等領域。三菱電機正在努力把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動;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動。

第七代IGBT功耗已不再是問題

在工業變頻器和伺服驅動器領域,IGBT等功率器件研發遇到的最大挑戰是功耗和結溫,三菱電機和英飛凌在這方面處于行業領先地位,他們都推出了第七代IGBT產品來滿足客戶需求。

據宋高升介紹,在工業和新能源應用領域,三菱電機采用一體化封裝技術開發了第7代IGBT模塊。該產品在通用變頻器,高壓變頻器,風力發電等領域的應用市場廣闊,低雜散電感符合未來大功率變流器的封裝設計;采用第7代功率芯片組和SLC技術,提高性價比;此外,該產品降低開關損耗,有利于提高開關頻率;并且去除底板焊接層,提高熱循環壽命。

而據張明丹介紹,英飛凌科技推出新款1200VTRENCHSTOPIGBT7與射極控制EC7二極體。新款IGBT具備更高的功率密度,可降低系統成本及縮小系統尺寸。此功率模組采用業界知名的Easy外殼封裝,符合工業馬達應用的需求。

色妹妹自拍偷拍 另外,TRENCHSTOPIGBT7晶片采用最新的微圖溝槽技術,其靜態損耗遠低於IGBT4,導通電壓亦降低20%。這項技術可大幅降低應用的損耗,特別是工業馬達之應用,因為這類應用通常以中度切換頻率運作。此功率模組的最大允許過載接面溫度可達175。C,并具有較彈性的切換及更高可控制性等特點。

以往,由于散熱問題,伺服驅動和變頻器設計都需要巨大的散熱器,由于IGBT和IPM模塊節溫問題得到解決,散熱器的尺寸也得到了縮減,從降低整體系統尺寸和成本。而在這方面,賽米控還有更為創新的解決方案。

據邱建文介紹,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驅動器在功率密度和性能上的新標準。MiniSKiiPDualSplitMLI提供最強大的基于無基板模塊的組串型逆變器設計,可用于1500VDC母線電壓,輸出功率高達180kW。在針對1000VDC母線電壓所優化的第二個版本中,同樣的設計將中等功率獨立模塊化UPS的功率密度提升至150kW。

碳化硅將風靡工業領域

一直以來,SiC在光伏、UPS/SMPS和電動汽車充電等應用領域獲得不錯的表現。但受成本和技術的限制,目前SiC器件還不能工業等領域滲透。

對此,宋高升認為:“目前三菱電機SiC模塊的價格還是蠻高的,主要是因為我們側重于發展大功率的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。三菱電機的SiC功率模塊已經在社內的變頻空調、伺服驅動器、光伏逆變器和牽引變流器中得到量產應用,并積累了許多經驗。國內已有不少企業也開始陸續采用SiC功率模塊進行性能評估和項目預研。在我們看來,根據實際應用需求,SiC功率模塊會率先在那些安裝空間特別受限且需要高溫運行的功率變換器得到深度應用,目前被看好的有電動汽車、軌道牽引變流器和固態變壓器等領域。但無論如何,大功率SiC功率模塊在國內獲得大批量應用,至少還要等上幾年的時間。”

張明丹則認為,大家在比較成本的時候,最常用的方法就是器件和器件比,其實從碳化硅的產品來講,如果同樣的電流等級,它跟IGBT的價差當然存在,但是要看它的細分領域,比如說在光伏逆變器的行業,大家對效率、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,它的系統成本未必會比硅的方案貴很多。

色妹妹自拍偷拍 同時,現在已經研制出變頻器和電動機的一體化組合機,張明丹認為這將是碳化硅發光發熱地方。“在機器人的手臂上,我們看到更多的人想把電機伺服驅動器和伺服電機集成在一起,這個時候對于器件的開關頻率、體積、散熱器尺寸的考驗都是非常嚴格的,在我個人看來,碳化硅器件未來將在這些電機驅動細分領域大展拳腳。”

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