儲(chǔ)能逆變器內(nèi)使用的半導(dǎo)體器件有哪些

儲(chǔ)能逆變器的作用不僅有利于提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率及運(yùn)行穩(wěn)定性，而且也是整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中多種信息傳遞與處理、實(shí)時(shí)人機(jī)交互的信息平臺(tái)，是非常關(guān)鍵設(shè)備。

德業(yè)股份逆變器

逆變器是儲(chǔ)能的心臟。儲(chǔ)能逆變器的首要功能是把直流轉(zhuǎn)為生活需要的交流電，而實(shí)現(xiàn)該功能的核心元件是功率半導(dǎo)體(例如IGBT和MOSFET)。

這些功率半導(dǎo)體每秒可以開(kāi)關(guān)數(shù)千、甚至幾萬(wàn)次，再通過(guò)控制信號(hào)把握電路變化，將直流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析陽(yáng)光電源、固德威、錦浪科技等逆變器知名企業(yè)等，結(jié)構(gòu)件占成本23%的比例，IGBT、MOS占成本比20%，磁性元器件占成本比17%，芯片集成電路占成本比10%等，其中逆變器里IGBT、芯片集成電路、電容、傳感器、PCB板等產(chǎn)品都屬于電力電子領(lǐng)域。

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數(shù)據(jù)來(lái)源：陽(yáng)光電源、固德威、錦浪科技、嗶哥嗶特產(chǎn)業(yè)研究室

由此可見(jiàn)，電力電子器件占據(jù)逆變器46%的成本，是主要組成部分。

因此，值得關(guān)注的是，儲(chǔ)能逆變器內(nèi)使用的半導(dǎo)體器件有：IGBT、MOS管、MCU、電源管理芯片、電容、PCB板等，其中IGBT、MOS管、電源管理IC在儲(chǔ)能逆變器里占比高、數(shù)量多，是必不可少的器件。

逆變器拆解圖

可以預(yù)測(cè)，隨著儲(chǔ)能景氣度提升將帶動(dòng)逆變器里半導(dǎo)體器件需求量，未來(lái)對(duì)于布局儲(chǔ)能市場(chǎng)的半導(dǎo)體器件企業(yè)是一個(gè)大機(jī)會(huì)。

1.IGBT

IGBT在儲(chǔ)能領(lǐng)域的主要作用就是變壓、變頻、交變轉(zhuǎn)換等，是儲(chǔ)能應(yīng)用中不可缺少的器件。

IGBT是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的「CPU」。

IGBT競(jìng)爭(zhēng)格局

由于IGBT對(duì)設(shè)計(jì)及工藝要求較高，而國(guó)內(nèi)缺乏IGBT相關(guān)技術(shù)人才、工藝基礎(chǔ)薄弱且企業(yè)產(chǎn)業(yè)化起步較晚，因此IGBT市場(chǎng)長(zhǎng)期被大型國(guó)外跨國(guó)企業(yè)壟斷。

自2015年以來(lái)，我國(guó)IGBT自給率超過(guò)10%并逐漸增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2024年我國(guó)IGBT自給率將達(dá)40%。基于國(guó)家相關(guān)政策中提出核心元器件國(guó)產(chǎn)化的要求，國(guó)產(chǎn)替代成為國(guó)內(nèi)IGBT行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)IGBT市場(chǎng)主要由英飛凌、三菱電機(jī)、富士電機(jī)等海外廠商占據(jù)。中國(guó)IGBT市場(chǎng)占比前三的分別是英飛凌、三菱電機(jī)和富士電機(jī)。其中占比最高的是英飛凌，為15.9%。

2.MOS管

mos管是一種具有絕緣柵的FET，其中電壓決定了器件的電導(dǎo)率。發(fā)明mos管是為了克服 FET 中存在的缺點(diǎn)，如高漏極電阻、中等輸入阻抗和較慢的操作。所以mos管可以稱為FET的高級(jí)形式。

mos管常用于切換或放大信號(hào)。隨著施加的電壓量改變電導(dǎo)率的能力可用于放大或切換電子信號(hào)。

mos管是迄今為止數(shù)字電路中最常見(jiàn)的晶體管，因?yàn)閮?nèi)存芯片或微處理器中可能包含數(shù)十萬(wàn)或數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管。

由于它們可以由 p 型或 n 型半導(dǎo)體制成，互補(bǔ)的 MOS 晶體管對(duì)可用于以CMOS邏輯的形式制造具有非常低功耗的開(kāi)關(guān)電路。

在數(shù)字和模擬電路中，mos管現(xiàn)在甚至比BJT更常見(jiàn)。

3.電源管理芯片

電源管理芯片是在電子設(shè)備系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)起對(duì)電能的變換、分配、檢測(cè)及其他電能管理的職責(zé)的芯片。主要負(fù)責(zé)識(shí)別CPU供電幅值，產(chǎn)生相應(yīng)的短矩波，推動(dòng)后級(jí)電路進(jìn)行功率輸出。

主要電源管理芯片有的是雙列直插芯片，而有的是表面貼裝式封裝，其中HIP630x系列芯片是比較經(jīng)典的電源管理芯片，由著名芯片設(shè)計(jì)公司Intersil設(shè)計(jì)。

它支持兩/三/四相供電，支持VRM9.0規(guī)范，電壓輸出范圍是1.1V-1.85V，能為0.025V的間隔調(diào)整輸出，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)80KHz，具有電源大、紋波小、內(nèi)阻小等特點(diǎn)，能精密調(diào)整CPU供電電壓。

常用電源管理芯片有HIP6301、IS6537、RT9237、ADP3168、KA7500、TL494等。

所有電子設(shè)備都有電源，但是不同的系統(tǒng)對(duì)電源的要求不同。為了發(fā)揮電子系統(tǒng)的最佳性能，需要選擇最適合的電源管理方式。

電源管理的范疇比較廣，既包括單獨(dú)的電能變換（主要是直流到直流，即DC/DC），單獨(dú)的電能分配和檢測(cè)，也包括電能變換和電能管理相結(jié)合的系統(tǒng)。

相應(yīng)的，電源管理芯片的分類(lèi)也包括這些方面，比如線性電源芯片、電壓基準(zhǔn)芯片、開(kāi)關(guān)電源芯片、LCD驅(qū)動(dòng)芯片、LED驅(qū)動(dòng)芯片、電壓檢測(cè)芯片、電池充電管理芯片等。

4.PCB板

印制電路板，簡(jiǎn)稱PCB，又稱為印制線路板、印刷電路板、印刷線路板。

通常把在絕緣基材上，按預(yù)定設(shè)計(jì)制成印制線路、印制元件或兩者組合而成的導(dǎo)電圖形稱為印制電路，而在絕緣基材上提供元器件之間電氣連接的導(dǎo)電圖形，稱為印制線路。

細(xì)分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

目前，我國(guó)印刷電路板細(xì)分產(chǎn)品主要包括多層板、軟板、HDI（高密度連接板）、雙面板、單面板、封裝基板六大類(lèi)型。

數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)印刷電路板細(xì)分產(chǎn)品中多層板占比最大，達(dá)45.97%，遠(yuǎn)超其他產(chǎn)品；其次是軟板，占比達(dá)16.68%；HDI占比為16.59%。此外，雙面板、單面板、封裝基板的占比分別為11.34%、6.13%、3.29%。

中國(guó)印刷電路板細(xì)分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

5.MCU

MCU芯片是指微控制單元(MicrocontrollerUnit；MCU)，又稱單片微型計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)，是把中央處理器的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存、計(jì)數(shù)器、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制，所以MCU芯片就是單片機(jī)芯片。

MCU供應(yīng)商方面，很多逆變器廠商會(huì)采用TI的C2000系列MCU，現(xiàn)在隨著微型逆變器的興起，也有廠商開(kāi)始采用Arm內(nèi)核的32位MCU來(lái)做主控。

因此，MCU的主要供應(yīng)商有TI、NXP、ST、Microchip、英飛凌、瑞薩等國(guó)外廠商，也有兆易創(chuàng)新等國(guó)內(nèi)廠商。

5.傳感器

儲(chǔ)能逆變器中需要對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，需要選擇合適的電流傳感器。我們可以把電流檢測(cè)分為幾個(gè)范圍。

1）檢測(cè)5A到70A的直流或交流電流。

檢測(cè)5A到50A的直流或交流電一般選用芯片式的霍爾電流傳感器，比如CH701電流傳感器IC，是工業(yè)、汽車(chē)、商業(yè)和通信系統(tǒng)中交流或直流電流傳感的經(jīng)濟(jì)而精確的解決方案。小封裝是空間受限應(yīng)用的理想選擇，同時(shí)由于減少了電路板面積而節(jié)省了成本。典型應(yīng)用包括電機(jī)控制、負(fù)載檢測(cè)和管理、開(kāi)關(guān)電源和過(guò)電流故障保護(hù)。

參考文章：霍爾傳感器芯片該如何選型

CH701可以檢測(cè)到50A峰值的電流。

如果需要檢測(cè)更大電流，需要更高的隔離電壓，可以選擇更大電流范圍的產(chǎn)品，比如16腳的CH701W系列，電流范圍可以到70A，絕緣耐壓可以到4800Vrms：

2）檢測(cè)50A到200A的直流或交流電流。

可以選用直插型的電流傳感器

CH704 是專(zhuān)為大電流檢測(cè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內(nèi)置 0.1 mΩ 的初級(jí)導(dǎo)體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測(cè)：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內(nèi)部集成獨(dú)特的溫度補(bǔ)償電路以實(shí)現(xiàn)芯片在 -40 到150度全溫范圍內(nèi)良好的一致性。出廠前芯片已做好靈敏度和靜態(tài)（零電流）輸出電壓的校準(zhǔn)，在全溫度范圍內(nèi)提供 ±2% 的典型準(zhǔn)確性。

參考文章：意瑞半導(dǎo)體推出250A霍爾電流傳感器產(chǎn)品，可以替換Allegro的ACS758/ACS770/ACS772

3）檢測(cè)200A到1000A以上的直流或交流電流。

可以選用線性霍爾加磁環(huán)的方式，使用可編程的霍爾傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)1500A的電流檢測(cè)。

例如：CHI612 可編程線性霍爾芯片，支持 5V 單電源供電。120 kHz帶寬，< 3us 響應(yīng)時(shí)間，0.8 – 24 mV/G 可編程，全溫-40到150度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn) 2% 精度。芯片出廠前完成靜態(tài)（零電流）輸出電壓的校準(zhǔn)。

參考文章：國(guó)產(chǎn)汽車(chē)級(jí)可編程線性霍爾傳感器CHA611,可以替代Allegro的A1363系列產(chǎn)品，解決汽車(chē)級(jí)芯片缺貨難題

編輯：黃飛

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