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我國大功率半導體器件行業的發展概況及發展趨勢

時間:2014-03-19

來源:網絡轉載

導語:大功率半導體器件在電機驅動領域主要應用在變頻器和軟啟動器。因生產和工藝需要,許多設備需頻繁啟動、制動、反轉、變速,上述動作嚴重影響設備能耗水平,其中風機、水泵、機床尤為明顯。

(一)行業概況

現代電子技術包含兩大部分:信息電子技術(包括:微電子、計算機、通信等)和電力電子技術(又稱功率半導體技術)。集成電路是信息電子技術的核心,功率半導體器件是電力電子技術的核心。前者是實施信息的存儲、傳輸、處理和控制指令;后者不但實施電能的存儲、傳輸、處理和控制,保障電能安全、可靠、高效和經濟的運行,而且將能源與信息高度地集成在一起。如果用人體來比喻的話,信息電子相當于人的大腦和神經中樞;而電力電子則相當于人體的心血管系統,為人體的活動傳輸能量,兩者缺一不可。

(二)大功率半導體器件的發展

分立功率器件按照功率的大小劃分為大功率半導體器件和中小功率半導體器件。具體來說,大功率晶閘管專指承受電流值在200A以上的晶閘管產品;大功率模塊則指承受電流25A以上的模塊產品;大功率IGBT、MOSFET指電流超過50A以上的IGBT、MOSFET產品。

1956年美國貝爾實驗室(BellLab)發明了晶閘管,國際上,70年代各種類型的晶閘管有了很大發展,80年代開始加快發展大功率模塊,同時各種大功率半導體器件在歐美日有很大的發展,90年代IGBT等全控型器件研制成功并開始得到應用。

在國內,60年代晶閘管研究開始起步,70年代研制出大功率的晶閘管,80年代以來,大功率晶閘管在中國得到很大發展,同時開始研制模塊;本世紀以來,開始少量引進超大功率晶閘管(含光控晶閘管)技術;近年來國家正在逐步引進IGBT、MOSFET技術。中國宏觀經濟的不斷成長,帶動了大功率半導體器件技術的發展和應用的不斷深入。

晶閘管、模塊、IGBT的發明和發展順應了電力電子技術發展的不同需要,是功率半導體發展歷程中不同時段的重要標志產品,他們的應用領域、應用場合大部分不相同,小部分有交叉。

高電壓、大電流、高頻化、模塊化、智能化的方向發展。在10Khz以下、大功率、高電壓的場合,大功率晶閘管和模塊具有很強的抗沖擊能力及高可靠性而占據優勢,同時又因成本較低、應用簡單而易于普及。在10Khz以上、中低功率場合,IGBT、MOSFET以其全控性、適用頻率高而占據優勢。

(三)大功率半導體器件市場需求狀況

1、大功率半導體器件應用領域

電力電子技術用于電能分配、電能轉換、電能控制,可高效率地變換電能,從而實現節能環保;電力電子已成為弱電控制與強電運行之間,信息技術與先進制造

技術之間,傳統產業實現自動化、智能化、節能化、機電一體化之間的橋梁。因此,電力電子技術是國民經濟的重要基礎技術,是現代科學、工業和國防的重要支撐技術。

電力電子技術應用領域廣闊,廣泛應用于鋼鐵冶金、電力(發電、配電、輸電)、機械制造、軌道交通、環保、石油、化工、汽車制造、船舶制造、礦山、核工業、軍工等領域。由于電力電子技術的廣泛滲透性,在用電場合,都可能應用電力電子技術進行電能優化;功率越大,電力電子技術的需求越強,使用電力電子技術的節能效果越顯著。

2、大功率半導體器件分行業需求分析

大功率半導體器件主要使用在輸電、變電和配電行業,電機驅動行業,鋼鐵及金屬冶煉行業,軌道交通行業,大功率電源行業,電焊機行業等領域,其需求約占大功率半導體市場需求的90%以上,具體情況如下:

(1)電力輸變電、配電領域大功率半導體器件需求分析

大功率半導體器件是輸變電及配電控制設備的核心器件,因此,本行業中大功率半導體器件需求與設備的需求呈正相關,而設備需求又與電網投資呈正相關。

輸配電與發電資產的比例可以反映一個國家對電能的利用水平。目前,發達國家中輸配電與發電資產的兩者的投資比例約是6:4,其資產結構較為科學合理。而2005年前中國輸配電和發電資產的比例是4:6,2006-2007年新增投資中兩者比例更達到了3:7,可見近年來我國在輸配電方面的投資落后于發電設備方面的投資,輸配電資產比例嚴重偏低,電能的利用水平不高。因此,未來持續加大輸配電領域的投資是中國電力工業長期發展的必然趨勢。

輸配電行業的投資主要是電網投資。國家電網公司、中國南方電網有限責任公司兩家公司是國內電網的投資主體。根據“十一五”電網規劃調整報告,國家電網公司計劃“十一五”期間投資電網11,300億元,中國南方電網有限責任公司預計電網建設和改造投資的總額則在3,000億元左右,行業總投資規模是“十五”期間電網投資的2倍多。根據投資規劃,預測“十一五”后三年仍能保持16%的年均復合增長率。

電網的投資將直接拉動直流輸電(HVDC)等裝置需求的增長,而直流輸電(HVDC)等裝置需要配套一定比例的大功率半導體器件,因此,電網投資及直流輸電等裝置的增長直接推動了大功率半導體元器件的市場需求。

2008年電力輸配電領域大功率半導體市場需求規模2.73億元,預計到2010年市場需求接近4億元,2005-2010年市場年復合增長率接近15%,與十一五期間電網投資增速基本相當。

(2)電機驅動領域大功率半導體器件需求分析

凡用電場合,都可能應用電力電子技術進行電能優化,而目前電機系統(如風機、泵類、壓縮機、空調制冷機等)用電量大、使用面廣,使用量大,總用電量約占全國發電量的60%。目前大多數電機未使用電力電子技術進行控制,致使大量電機能耗高、效率低;且國內電機制造技術和工藝與國外有差距,電機傳動調速及系統控制技術差距較大,導致電機系統運行效率比國外先進水平低10-20個百分點。因此,節電潛力巨大,電力電子技術在電機驅動領域發展空間巨大。根據《“十一五”十大重點節能工程實施意見》,全國現有各類電機系統總裝機容量約4.2億千瓦,相當于每年浪費電能約1500億千瓦時;以三峽電站2008年完成發電量808.12億千瓦時計算,約相當于兩個三峽電站。

大功率半導體器件在電機驅動領域主要應用在變頻器和軟啟動器。因生產和工藝需要,許多設備需頻繁啟動、制動、反轉、變速,上述動作嚴重影響設備能耗水平,其中風機、水泵、機床尤為明顯。變頻器通過改變交流電的頻率進行調速,實現節能和對電機的高精度控制。軟啟動器則可以減少電動機起動時對電網帶來的沖擊,避免電網的電壓波動影響電網中電氣設備的正常運行,降低了無用功的損耗,節約能源,同時提高電動機及傳動機械的使用壽命。因此,變頻器和軟啟動產品近年來在各行各業得到越來越廣泛的應用。

①變頻器的使用產生的市場需求

我國變頻器行業在過去的20年中逐步從起步階段發展到趨于成熟。進入21世紀以來,中國變頻器市場快速增長,中國變頻器市場的年均增長速度超過了20%,遠遠大于近幾年的GDP增長水平。

目前,變頻器在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。初步預計中國的變頻器市場未來10年市場潛在容量在1200億至1800億元之間,2008年變頻器市場容量(包括產品及二次開發)已達230億元,其中,30~40%為30KW以上的大功率變頻器,其市場容量約為69~92億元;在大功率變頻器中,據公司估計,大功率半導體器件約占設備價值的6%,市場容量約為5.5~7億元。

②軟啟動器的使用產生的市場需求

根據有關部門統計,全國總電機功率的50%-70%未使用任何軟啟動產品而直接并網運行,所以軟啟動器的市場需求量巨大,隨著工業領域的現代化進程加快,在今后的幾年內軟啟動器的市場需求量預計每年都會有數億的快速增長。2008年中國軟啟動器的市場需求量在12億人民幣以上,軟啟動器未來的年市場需求將穩定在15-20億人民幣。據公司估計,大功率半導體器件約占軟啟動器價值的12%,由此帶來的大功率半導體器件的年市場容量約為1.4~2.4億元。

根據CCID的調查報告,2008年電機驅動(包括變頻器、軟啟動等)行業大功率半導體需求規模達到7.10億元,2010年預計規模突破10.93億元。該領域市場增速較快,年復合增長率接近22%,未來發展勢頭良好。

(3)鋼鐵及金屬冶煉行業需求分析

在鋼鐵及金屬冶煉領域,各種復雜的、精密的,對電能質量敏感的用電設備被廣泛使用。冶煉企業通常采用的設備中包括電弧爐、感應爐或礦熱爐等熔煉加熱設備以及軋機調速、諧波抑制、無功補償等大量的控制類電源設備,例如,礦熱爐等設備在生產過程中,產生大量諧波,造成電網污染,使供電質量下降,對其他用戶造成不良影響,電力電子技術的應用可有效化解這類不良影響;同時,精密鑄造、透熱、淬火、保溫等熱處理裝置的變流電源大量采用大功率半導體器件;此外,由于節能的壓力以及提高效率的要求,鋼鐵企業作為用電大戶越來越重視無功補償所發揮的重要作用,各種調壓器、整流器、功率補償裝置因此得到廣泛利用,從而帶動了大功率半導體器件需求的增長。

近年來,隨著我國國民經濟的快速發展,鋼鐵工業也取得了穩定發展。2002年至2008年,我國生鐵、鋼、鋼材年產量從1.71萬噸、1.82萬噸和1.93萬噸分別增長至4.71萬噸、5.0萬噸和5.82萬噸,期間年復合增長率高達18.40%、18.34%和20.20%。

熔煉、鑄造、軋機等設備需配備電力電子設備,其需求與煉鋼量的增長正相關,大功率半導體器件需求又與電力電子設備需求正相關;此外,由于大功率半導體器件在使用過程中屬于易損件,帶來了設備維修市場的需求。據公司估計,在鋼鐵及金屬冶煉領域,每年新裝機所需大功率半導體器件與維修需求比例為5:1。

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