儲能逆變器內(nèi)使用的半導體器件有哪些

儲能逆變器的作用不僅有利于提升儲能系統(tǒng)的效率及運行穩(wěn)定性，而且也是整個儲能系統(tǒng)中多種信息傳遞與處理、實時人機交互的信息平臺，是非常關鍵設備。

德業(yè)股份逆變器

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

這些功率半導體每秒可以開關數(shù)千、甚至幾萬次，再通過控制信號把握電路變化，將直流電轉化為正弦交流電。

通過統(tǒng)計分析陽光電源、固德威、錦浪科技等逆變器知名企業(yè)等，結構件占成本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域。

數(shù)據(jù)來源：陽光電源、固德威、錦浪科技、嗶哥嗶特產(chǎn)業(yè)研究室

由此可見，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，值得關注的是，儲能逆變器內(nèi)使用的半導體器件有：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

可以預測，隨著儲能景氣度提升將帶動逆變器里半導體器件需求量，未來對于布局儲能市場的半導體器件企業(yè)是一個大機會。

1.IGBT

IGBT在儲能領域的主要作用就是變壓、變頻、交變轉換等，是儲能應用中不可缺少的器件。

IGBT是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷追Q電力電子裝置的「CPU」。

IGBT競爭格局

由于IGBT對設計及工藝要求較高，而國內(nèi)缺乏IGBT相關技術人才、工藝基礎薄弱且企業(yè)產(chǎn)業(yè)化起步較晚，因此IGBT市場長期被大型國外跨國企業(yè)壟斷。

自2015年以來，我國IGBT自給率超過10%并逐漸增長，預計2024年我國IGBT自給率將達40%?；趪蚁嚓P政策中提出核心元器件國產(chǎn)化的要求，國產(chǎn)替代成為國內(nèi)IGBT行業(yè)的發(fā)展趨勢。

目前，國內(nèi)IGBT市場主要由英飛凌、三菱電機、富士電機等海外廠商占據(jù)。中國IGBT市場占比前三的分別是英飛凌、三菱電機和富士電機。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率。發(fā)明mos管是為了克服 FET 中存在的缺點，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的高級形式。

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

mos管是迄今為止數(shù)字電路中最常見的晶體管，因為內(nèi)存芯片或微處理器中可能包含數(shù)十萬或數(shù)百萬個晶體管。

由于它們可以由 p 型或 n 型半導體制成，互補的 MOS 晶體管對可用于以CMOS邏輯的形式制造具有非常低功耗的開關電路。

在數(shù)字和模擬電路中，mos管現(xiàn)在甚至比BJT更常見。

3.電源管理芯片

電源管理芯片是在電子設備系統(tǒng)中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責的芯片。主要負責識別CPU供電幅值，產(chǎn)生相應的短矩波，推動后級電路進行功率輸出。

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，由著名芯片設計公司Intersil設計。

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，開關頻率高達80KHz，具有電源大、紋波小、內(nèi)阻小等特點，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。

所有電子設備都有電源，但是不同的系統(tǒng)對電源的要求不同。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，既包括單獨的電能變換（主要是直流到直流，即DC/DC），單獨的電能分配和檢測，也包括電能變換和電能管理相結合的系統(tǒng)。

相應的，電源管理芯片的分類也包括這些方面，比如線性電源芯片、電壓基準芯片、開關電源芯片、LCD驅動芯片、LED驅動芯片、電壓檢測芯片、電池充電管理芯片等。

4.PCB板

印制電路板，簡稱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，按預定設計制成印制線路、印制元件或兩者組合而成的導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電圖形，稱為印制線路。

細分產(chǎn)品結構

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

數(shù)據(jù)顯示，我國印刷電路板細分產(chǎn)品中多層板占比最大，達45.97%，遠超其他產(chǎn)品；其次是軟板，占比達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%。

中國印刷電路板細分產(chǎn)品結構

5.MCU

MCU芯片是指微控制單元(MicrocontrollerUnit；MCU)，又稱單片微型計算機或者單片機，是把中央處理器的頻率與規(guī)格做適當縮減，并將內(nèi)存、計數(shù)器、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制，所以MCU芯片就是單片機芯片。

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

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

5.傳感器

儲能逆變器中需要對電流進行檢測，需要選擇合適的電流傳感器。我們可以把電流檢測分為幾個范圍。

1）檢測5A到70A的直流或交流電流。

檢測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、商業(yè)和通信系統(tǒng)中交流或直流電流傳感的經(jīng)濟而精確的解決方案。小封裝是空間受限應用的理想選擇，同時由于減少了電路板面積而節(jié)省了成本。典型應用包括電機控制、負載檢測和管理、開關電源和過電流故障保護。

參考文章：霍爾傳感器芯片該如何選型

CH701可以檢測到50A峰值的電流。

如果需要檢測更大電流，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 是專為大電流檢測應用開發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內(nèi)置 0.1 mΩ 的初級導體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內(nèi)部集成獨特的溫度補償電路以實現(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，在全溫度范圍內(nèi)提供 ±2% 的典型準確性。