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新国标下的IPM,国产机会几何?

2020-06-28
作者:杜芹DQ
来源:半导体行业观察
关键词: IPM MCU 半导体

  如今,白色家电产品的节能问题日益受到世界各国的关注。家电产品用变频控制器受批量、家电产品价格的影响,属于量大价低的产品。而变频控制器的核心器件无论在MCU还是IPM上均被国外企业垄断,这样一来,家电企业就受到供货延期、断货等影响。国内半导体企业经过国家多年的支持与大力发展虽形成了一定的规模生产能力,但成品并未大批量在产品上使用(国产化比例低于10%),主要是第三方公共检测平台在该领域检测能力的缺失,导致变频控制器产品缺乏质量约束,国产器件在没有得到大量、长期验证之前,很难被家电企业认可和使用,这已经成为制约我国家用电器中变频控制器国产化的关键问题。

  2020年7月1日,号称“史上最严”空调新能效标准GB 21455-2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》将正式执行。新国标的实施将会使所有低能效、高耗电的定频和三级能效变频面临被淘汰的局面,这意味着更加舒适和节能的变频机将占据绝对的主力,同时也将为国产器件的发展带来重大的机遇。IPM 模块作为变频技术的核心电子元器件,在这个大趋势中,将发挥至关重要的作用。

 长期被国外垄断的IPM是什么?

  IPM全称为智能功率模块(Intelligent Power Module)。

  我们都知道,变频控制器是变频空调、冰箱、洗衣机、电磁炉等的核心控制部件,它承担了电机驱动、PFC功率校正以及相关执行器件的变频控制功能。而变频控制器很重要的一环就是IPM模块,IPM将功率器件芯片(IGBT+FRD或高压MOSFET、控制 IC和无源元件等这些元器件高密度贴装封装在一起(见图1),通过IPM,MCU就能直接高效地控制驱动电机,配合白家电对低能耗、小尺寸、轻重量及高可靠性的要求。

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  图1:典型变频器IPM将多种元器件封装为模块(图源:安森美

  智能功率模块的优点颇多,它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起,而且还内藏有过电压,过电流和过热等故障检测电路,并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理。它由高速低功耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当,也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用 IGBT作为功率开关元件,并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。

  智能功率模块是半导体功率器件的重要组成,是未来的发展方向,它的发展可以追溯到上世纪90年代,以三菱、三洋(IR)、仙童为代表。三菱将其取名为IPM,三洋(IR)命名为Hybrid IC,仙童取名为SPM。

  根据新思界产业研究中心公布的《2019-2024年智能功率模块(IPM)行业市场深度调研及投资前景预测分析报告》显示,从整体来看,目前,国内IPM主要集中在白色家电“空冰洗”市场。而国内高品质高可靠的IPM却一直由日系、德系和美系厂商占据,该报告中显示,国外品牌在国内市场占有率高达86%。另据英飞凌官方数据显示,2018 年全球IPM市场规模为168亿美元,其中三菱占比最高为32。3%,安森美为18。9%,国内目前尚未出现份额超过0。5%的公司,进口替代迫在眉睫。

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  图2:2018 年 IPM 供应商市场份额(%)(图源:华西证券研究所)

  具体来看,三菱,安森美,英飞凌,ST等企业都具有IPM产品。三菱中小功率模块,SUPER MINI封装5~50A的智能功率模块,最近两年推出SLLIMM外形,这些年三菱IPM以其高可靠性,方便易用赢得越来越大的市场。

  安森美收购了三洋和仙童后拥有了IMS架构和DBC架构技术,晋身全球最佳的智能功率模块(IPM)方案供应商。公司全面的产品阵容涵盖各种不同技术的模块化方案,应用于汽车、工业和消费等领域。包括应用于可变频驱动、自动空调、泵的工业SPM?2/3系列、SIP IPM;应用于汽车的高压IPM APM? 27系列和中压IPM,以及低于400 W和4 KW的消费类IPM等。

  2018年11月,安森美推出了新的汽车级智能功率模块,采用APM16封装的FAM65xxx提供全功能、集成的方案。

  2018年英飞凌推出CIPOS Mini产品家族的IM512和IM513系列。它们是率先集成CoolMOS MOSFET的高效IPM(智能功率模块),具备出色电气性能。较之传统的IGBT IPM,基于CoolMOS的CIPOS Mini IPM现在能显著降低导通和开关损耗。

  ST在电机驱动领域有SLLIMM智能功率模块产品,其IPM主要是集成MOSFET,这些年产品阵容不断迭代扩大。SLLIMM IPM是高度集成的紧凑型电源模块,旨在驱动从几瓦到3千瓦的电机,用于家用电器、空调逆变器、风扇和通用驱动器等应用。

  当然,除了家电市场,在工业和汽车领域,IPM的发展仍然很值得关注。据了解,一辆汽车IPM使用量可达4-5个,可广泛地应用在集成门极驱动器、微控制器(MCU)、功率硅和外围元件的无传感器驱动等方案中。而安森美以及ST等企业,也是为我们所熟知的在汽车领域有着卓越成绩的企业。通过这些厂商的动态,不难看出,未来IPM或将在汽车领域大有可为。中国作为全球最大的家电市场和汽车市场,亦孕育着大规模的IPM市场。

  国内主流IPM厂家实力如何?

  伴随着全球各地家电领域的能耗新标准的出现,IPM市场的爆发首先在家电领域展开。在更为严格的能效法规的帮助下,家用电器的逆变,无刷直流电机的日益使用,尤其是可再生能源的长期趋势,都提供了诱人的增长潜力。目前,国内从事IPM模块的企业有浙江嘉兴斯达半导体、常州江苏宏微科技快乐赛车、吉林华微电子、深圳比亚迪微电子、深圳芯能半导体、厦门芯光润泽、南京银茂微电子、杭州士兰微电子、美的、格力等等。

  去年4月26日,美的空调在其举行的媒体开放日活动上回应道,美的空调在IPM模块上已经实现自主可控,MCU芯片目前主要依靠外部采购。据了解,美的的IPM研发始于2010年,两年后,公司研制出了全国第一款IMS架构的IPM;2013年,美的实现了国产自研IPM的量产;2014年,美的成立重庆IPM工厂,IPM模块正式实现产业化;2015年,美的自制IPM产量突破百万枚/年;2016年,发布IPM新品;2017年,开发出IPM代工厂,美的IPM进入“自制+代工”的发展模式,现已培养出多个代工厂;2018年,美的中央研究院成立IPM技术实验室,面向全集团开展IPM业务,从空调延伸至冰箱、洗衣机等领域。公司目前的IPM年产值1亿元左右。

  士兰微电子可以说是布局IPM相对较早的一家厂商,2010年,在HVIC、IGBT 和MOS等芯片到位后士兰就启动了IPM设计,此后几年先后推出了多个IPM产品,包括IPM23、DIP24/25/26/27、SOP37单芯片等系列产品,其芯片开发制造、封装开发制造均自主完成。经过近十年的不断耕耘,士兰取得了不错的成绩。仅2019年上半年国内多家主流的白电整机厂商在变频空调等白电整机上使用了超过300万颗士兰IPM模块。2019年,士兰微IGBT器件成品和内置IGBT的IPM产品销售额双双过1亿元人民币,成为国内白电TOP客户的半导体供应商。

  比亚迪半导体自主研发的BIP30(1200V35A/50A)系列智能功率模块,是目前国内唯一车规级IPM产品,输出功率最高可达7500W,兼容三菱ver.4系列封装形式,已大规模用于新能源汽车及家电领域,装车量已超过40万辆。与国外同类产品相比,比亚迪BIP30系列交期短,供应充足,成本更低,特别适用于新能源车用空调控制器、变频家电(商用空调、中央空调、中大功率柜机)、中大功率工业变频控制器等产品。

  华微电子智能功率模块是2013年建立,华微控股子公司吉林华微斯帕克于2013年成立,主营业务为智能功率模块封装与测试,以DIP23~29系列封装为主,年产能1800万块。并且自主开发工业及汽车模块,芯片及封装全部自主生产。

  斯达半导体一直深耕IGBT等功率半导体领域,产品布局完善。公司自2005 年设立以来一直专注于IGBT的自主研发,公司 IGBT 模块型号齐全,目前形成了覆盖工作电流 5A-3600A、 工作电压 600V-3300V 的产品布局。IPM模块产品已研发出多个,电流范围主要为10A-50A。

  华润安盛也在生产IPM模块,现在市场上主要看到DIP23的模块。安盛新品开发方向是聚焦塑封工艺模块,从低功率模块向更高功率产品开发,建立铝基板,框架,DBC完善的产品结构。同时安盛也可代工DIP23/SOP23等小功率模块产品。

  芯光润泽是专业从事第三代半导体“碳化硅”功率器件及其相关的应用模块,集研发、制造、销售一体化的专业IDM厂商。2018年9月18日,国内首条全碳化硅智能功率模块IPM产线在厦门正式投产,标志着我国在碳化硅芯片这个新兴行业又实现了一次重要突破。该碳化硅IPM产线由厦门芯光润泽科技快乐赛车研发,并成为了国内首家实现“SiC IPM”量产的企业。其生产的碳化硅产品广泛应用于港口重机、家电、高铁、数据机房、新能源汽车充电桩等领域,可以为这些行业器件提供高端核心功率部件,大大提高国内市场供给率。

  深圳芯能半导体技术快乐赛车成立于2013年,致力于IGBT芯片、IGBT驱动芯片以及大功率智能功率模块的研发、应用和销售。目前芯能聚焦600V和1200V中小功率IGBT产品,IGBT单管、IPM、IGBT模块和HVIC四个领域都有完善的产品序列。公司现有产品包括:IPM23、IPM24,IPM25、IPM26、IPM29,封装形式有DIP23、SOP23、PQFN、DIP24、DIP25、DIP26、DIP29。

  西安中车永电电气快乐赛车是中车永济电机快乐赛车全资控股的专门从事电力电子产品的研发、生产、销售、服务的高技术企业。公司的IPM模块产品主要有YMPC30-06S和YMPC20-06S两种,电流分别是30A和20A,主要应用于空调、洗衣机、冰箱以及小功率传动。

  杰群电子的IPM包括IGBT和适用于IGBT设备的驱动电路,以及具有保护功能的IC。这些产品有助于高效率和设计简化应用。DIPIPM-25L、迷你SOPIPM-23L/32L、迷你DIPIPM-23L/32L等。主要应用在电梯电机驱动、不间断电源、放电加工机床等领域。

  结语

  在整体大环境和企业的不断发展下,变频控制主芯片和IPM的国产化比例,预计能从目前低于10%将可能提升到2025年的40%,以及2030年的80%。新国标的颁布将带来一股换机热潮,国内一众IPM厂商能否把握住变频家电快速普及的契机,增强企业在行业中的竞争力,将是我国IPM模块进口替代步伐的关键因素。

  

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