储能：新能源发展+政策双轮驱动，三条主线收益，行业步入快车道

牵引逆变器的作用是什么

牵引逆变器的作用是什么，逆变器是把直流电能转变成交流电，通俗的讲就是逆变器是一种将直流电转化为交流电的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。以下分享牵引逆变器的作用是什么？

牵引逆变器的作用是什么1

牵引逆变器

简介：牵引逆变器是城市轨道交通车辆的心脏，其性能的优劣直接影响到城市轨道交通车辆的运行能力、运输能力、耗电量等等。

上个世纪90年代末，随着大功率电力电子技术的不断进步与发展，车辆牵引电气系统也在不断地更新与发展。牵引逆变器中的电子器件经历了半控型晶闸管(SCR、、全控型晶闸管(GTO、及绝缘门极双极型晶体管(IGBT、的发展过程。

牵引逆变器采用热管走行风冷。对于大功率电力电子器件的散热方式有多重，如强迫风冷，水冷，油冷等，其中还油冷及水冷系统较为复杂，强迫风冷产生较大的噪声。采用热管散热既保留了风冷散热器结构简单、维护方便的特点，又保证了散热效率，而且无噪声、无污染。

牵引逆变器的保护和作用

在设计牵引逆变器时，既要充分发挥逆变器的输出能力，又要保证其可靠性，所以逆变器的保护设置非常重要。

1、逆变器控制机保护

2、触发脉冲级保护

3、元件级保护

在设计牵引逆变器时,为保证其可靠性,保护设置非常重要。逆变器的保护分为3级,即逆变器控制级保护、触发脉冲级保护和元件级保护。第1级保护的种类比较多,主要包括逆变器的输入、输出电流过流,电压的过压、欠压,逆变器的温度、电机过电流及相电流不平衡等保护第2级保护主要为IGBT元件提供稳定而可靠的触发脉冲

第3级保护是为IGBT元件的本身特性设定的,也称驱动级保护,用于防止IGBT元件的损坏。本牵引逆变器设有各级保护功能,其中轻微故障引起的保护动作在系统恢复正常后或主控制器操作回零后自动复位。

控制方式

牵引逆变器的控制方式经历了凸轮调阻、斩波调压和调频调压(VVVF、三大方式。

由于VVVF交流传动系统具有诸多优点及其技术上已趋成熟，采用VVVF交流传动系统的地铁、轻轨车辆已在世界各国新建地铁、轻轨系统中广泛应用，成为现在地铁、轻轨车辆的主流。

主电路

目前，城市轨道交通车辆牵引逆变器 的典型主电路主要有以下3种：一种是采用1个变流器模块驱动4台牵引电机(1C4M、的车控方式的主电路一种是采用2个变流器模块驱动4台牵引电机(2C4M、的架控方式的主电路一种是采用2个变流器模块驱动4台牵引电机(2C4M、的车控方式的主电路。

供电制式

目前供电制式主要有2种：一种是DC 750V供电电压制式，另一种是DC 1 500V供电电压制式。

牵引逆变器主要由2个相同的IGBT变流器模块构成，还包含有控制箱、传感器等部件。牵引逆变器所有对外控制连接器均采用密封结构3个隔舱采用门锁结构设计，每个隔舱都设计一个密封门，不仅防水防尘，而且使得部件的安装和维护、拆卸更加方便主电路的输入输出电缆通过电缆夹由铜接头压接，因此使得整柜密封完全能够满足车底设备防护 等级IP54的`要求。

牵引逆变器的作用是什么2

牵引变流器由：四象限斩波器、中间电压电路、制动斩波器、脉冲宽度调制逆变器四部分组成。作用是：转换直流制和交流制间的电能量，把来自接触网上的1500V直流电转换为0-1150V的三相交流电，通过调压调频控制实现对交流牵引电动机起动、制动、调速控制。

随着电力电子技术发展，牵引变流器在轨道车辆中的应用也在不断地进步与发展。其中IGBT、GTO、IPM器件属电压驱动的全控型开关器件，脉冲开关频率高、性能好、损耗小，且自保护能力也强。

①电压型逆变器：单相作用原理如图5中a所示，由于换向要求直流侧电压Ud需保持恒定而得名。如果控制电路触发脉冲使器件F1、F2的通断次序如图5中b，则交流侧可得一矩形波电压如图5中c。5c该交流电压幅值为Ud,而频率可由控制回路进行调节。图5中a中的c为支撑直流电压用的支撑电容，D1、D2为当负载电流和电压不同相时做续流用的续流二极管。

异步牵引电动机起动时要求逆变器供出幅值可变的、接近正弦的低频电压,这可用分谐波调制法控制F1、F2的通断顺序来达到。电压型逆变器在控制电路作用下能顺利地转入再生制动。利用这一可逆性又可制成交-直-交电力机车电源侧变流器，它能提供恒定的中间环节直流电压，又可调节交流电网侧的功率因数和改善电流波形，这就是电压型四象限变流器。

②电流型逆变器：电路原理如图6中a,它要求直流侧是一电流源，即Id要相对稳定,这可以采用串联电抗器Ld来达到。如果控制各强迫关断器件的导通顺序(图6中b)，则在电机每相绕组中可得到2π/3电角度导通的交变电流(图6中c)。

在低频起动时为了避免因 2π/3矩形波电流而造成过大的电机力矩脉动，也可采用电流分谐波调制方法。电流型逆变器只能调频不能调压，调压功能由电源侧交－直变流器来完成。电流型逆变器已在地铁车辆上应用。

交流-交流变流器 不需经过直流中间环节,可直接将单相交流电变成三相可调频的交流电。这种变流器中较成功的是用次驱动同步型牵引电动机的两组三相反并桥式系统，它在原理上类似一电流型直-交逆变器,并借助于电源和负载电势进行换向。这种类型的变流器已在苏联ВЛ83型电力机车上应用。循环变流器是另一种降频交-交变流器,是燃气轮机车电传动系统可以选择的一种设备。

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正弦波逆变器与普通逆变器有什么不同

纯正弦波逆变器功能参数要求严格，价格较高，用于对波形参数要求较高的电子电路。而普通逆变器是正弦波、方波、杂波等成分的杂合波形，对于一般用电器可以使用，价格较低。

1、正弦波逆变器输入电路

逆变器的输入通常是直流电，或市电经过整流滤波得到的直流电，这些直流电包括直流电网、蓄电池、光伏电池以及其他方式得到的直流电，通常这些电能不能直接作为逆变器输入侧电压，而是通过一定的滤波电路和EMC电路之后才作为逆变器的输入。

2、逆变主电路

逆变器主电路是由功率开关器件组成的功率变换电路，主电路的结构形式分很多种，不同的输入输出条件下，主电路形式也不相同，每种功率变换电路都有它的优缺点，在实际设计中应考虑最合适的电路拓扑作为主电路结构。

3、控制电路

控制电路按照逆变器输出的要求，通过一定的控制技术产生一组或者多组脉冲电压，通过驱动电路作用于功率开关管，使功率开关管按照指定的次序导通或者关断，最终在主电路输出端得到所需的电压波形。控制电路的作用对于逆变系统至关重要，控制电路的性能直接决定了逆变器输出电压波形的质量。

4、输出电路

输出电路一般包括输出滤波电路和EMC电路，如果输出为直流电，应在后面加入整流电路。对于隔离输出的逆变器，输出电路前级还应有隔离变压器。根据输出是否需要稳压电路，可将输出电路分为开环和闭环控制，开环系统输出量只由控制电路决定，而闭环系统中输出量还受反馈回路影响，使输出更加稳定。

5、辅助电源

控制电路与输入输出电路的某些部分或芯片有特定的输入电压要求，辅助电源可满足电路中特定的电压需求。通常情况下辅助电源由一个或几个DC-DC变换器构成，对于交流输入的场合，辅助电源由整流后的电压与DC-DC变换器组合完成。

6、保护电路

保护电路通常包括输入过压、欠压保护、输出过压、欠压保护、过载保护、过流和短路保护。对于在特定场合工作的逆变器还有其他保护，如在温度很低或者很高的场合需要有温度保护，在某些气压变化的情况下还要有气压保护，在潮湿的环境中要有湿度保护等。

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元

全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。

本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。

20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。

然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。

在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。

笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。

安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。

和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:

与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 : 

1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗

2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化

3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。

氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。

半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。

第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。

从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。

这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。

此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。

对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。

但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。

在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。

比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。

如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。

吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。

观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。

但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。

业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。

“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。

以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”

作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。

虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。

从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。

泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”

吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。

那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。

第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。

其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。

得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:

光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等

电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等

微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。

现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。

早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

具体来看当前主要应用领域的发展情况:

1.新能源汽车

新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。

2.光伏

光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。

3.轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

4.智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。

时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?

从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。

具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。

另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。

泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。

OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。

虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。

就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。

OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。

上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。

当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。

在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议  「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」  。

本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。

高铁供电系统釆用单相2.7万伏是出于供电系统可靠性，经济性要求来考虑的。

一根线一根横向受电弓，这样导线的横向架设时的横摆尺寸精度要求比较低，显然比三相四线制供电的跟踪精度（横向）要求要低得多！

其次是电网简单，高铁电负荷并不是很大，利用大地做回路使供电造价进一步降低。

采用交流供电时信令系统简单可靠，便于线路状态的分区间管理，比如利用线路对地电容值的变化来管理线路对地垂直距离变化量，对线路故障发现处理在蒙牙期间，确保供电网络的正常稳定运行，发现问题及时处理。

在车上为什么要采用交流到直流的转换呢？

1 交流转换成直流后，可以利用车载储能系统（电池组，电容柜等）对供电电压进行滤波，稳压。以保证列车运行中对电源稳定性要求，克服因电网转换，受电弓接触跳动等短时间供电间断造成的电压波动。同时也保护了受电弓接触瞬间电流不会因为接触不良而出很大的峰值，延长设备使用寿命。

2 功率因数补偿，在交变直的过程中釆用PFC（功率因素校正） 技术，降低供电系统无功功率损耗，提高供电效率。

3 EMC（电磁兼容）设计要求。交流电转换为直流电的过程中，通过电路抑制（共摸，差横，高频旁路等），将电网导入干扰比较好的消除。

车载供电系统为什么要将直流电源再次逆変成三相交流电？

这是因为列车供电需要而提出的。比如：驱动电机，车载用电系统，如：灯，空调等应用比较多的电压等级。三相交流电路通过变压器就很容易满足不同的电压要求。

高铁顶部电弓上的交流电是2.75万伏单相，必须要变成直流电，然后再逆变成低压交流电440伏/400伏/220伏/100伏供车厢内使用，或者逆变成驱动机车所需要的2000V的三相变频交流，以便调节机车驱动电机转速。

2.75万伏的单相高压是不能直接给照明系统供电的。

2.75万伏的单相高压也是不能给驱动车厢的三相交流电动机供电的。

高铁电动机单个的功率通常400KW以上，电压2000V，三相交流电。

首先要说的是，轨道交通的机车，是有直流供电的。

轨道机车有直流电供电的。但是不是速度超过200km/h的铁路。

现存的使用直流电给轨道交通供电的，部分地铁，以及部分轻轨。速度小于160KM/小时。

国际上公认列车最高速度达200km/h及其以上的铁路， 可称“高速铁路”。也就是我们说的高铁这个词语的由来。

电气化铁路三大元件：牵引变电所，接触网，电力机车

那么直流供电的机车使用多大电压，以及为什么要使用直流供电呢？

在直流供电中，有使用DC600V，DC750V，DC1500V，DC3000V四种，直流供电的特点其实很明显。

因为本身机车和接触网之间的基础依靠受电弓。电压小的状态下，想要实现大功率，就需要电流增大。也就是说，直流电有个比较大的弊端是接触网与受电弓实时的接触电流比较大。

容易产生电弧，对接触网和受电弓有损害。更主要的是，这种线路，在户外损耗大，在地铁线路中，地铁户外路段相对要少。因此，可以使用直流供电。

地铁直流供电的唯一好处是，在优良的外部环境条件下，直流供电的线路建设成本低，好管理。

目前缓慢的形成，非标准化的统一：采用单向工频供电：25kv，或者是27.5KV供电。

我们国家使用的是 27.5kv的 单向工频交流电。

日本的新干线，使用的是 19－27.5KV，额定25KV， 瞬时最低17.5KV在22.5KV时可不降功运行。

新干线接触网

为什么快速的高铁要使用交流供电？

这里就要说一个核心点，对于高铁来说，高铁的速度快慢，并不是单单的看机车的电动机的马力有多高。主要其实是看，整个接触网，能够在多高的速度下，稳定运行。也就是说制约铁路高速的核心是：接触网。

（1）接触网要尽量的地现，可以提供大功率，同时尽量降低电流，或者是控制在一定范围内。

以交流电接触网为例，日本新干线峰值电流可以达到2000-3000A，这个数据，相信做机械行业的朋友都有了解。如果线路中有这种级别的电流，导线要用什么？

导线要用铜盘，同时一定要加储能装置，例如超大电容，或者是储能的电机。不然对电网的冲击过大，很容易损坏。

所以交流电在高速铁路上面，基本是都是必然的选择。

（2）电网的损耗，长距离传输的损耗。

我们都知道，现在长距离传输，出了极少数的几条，在建的直流特高压，基本上都是采用的交流电传输。一方面线路损耗小，同时可以通过变化电压，来降低损耗。

对于高铁来说，动辄都是1000km的路程。线路损耗只有降到最低，才能够保证后期的维护和运营不至于亏本太多。

（3）机车电机的选择

交流电机，可以通过变频的方式控制电机的速度。控制方式更加灵活，同时反应速度快。比较典型的另一个产品，新能源 汽车 的特斯拉， 使用的就是交流异步电机。（其他家都是永磁同步电机）

那么从接触网（交流电）——受电弓，机车电路系统（直流）——电机（交流电）的原因是什么？

1、我们上面说了，高速铁路，之所以使用交流电，是因为只有交流电，可以供应高速状态下的机车运行的电力。各国的使用情况，也基本反馈出了，接触网都是交流电。这里就没有疑问了。

2、机车通过受电弓，接触网接触网，然后获得了电能。但是这个有一个问题， 那就是由于整个高铁的电路环路，使用是接触网一条线，然后通过馈线，还有轨道将电流送回变电所。（ 也可以说是接地线，当然这个说法不严谨）

这里就要提到一个电气化铁路中的一个电力的核心设备： 牵引变流器。

这是和谐号的其中一种牵引变流器

其实从接触网27.5kv下来后，先进行的降压，一般会降压到1450v，或者是1350v，根据具体车型不同的变流器不同。

然后牵引变流器，会将单相电，线转换为直流电，然后最后输出380v的三向交流电。

牵引变流器

最后的这个380v，才是整个机车的电机，其他设备使用的电。

27.5千伏单相高压电，作为驱动电源，为的是便于输送，减少电损，便于受电，你弄三相，不光容易碰撞短路，还增加输电线成本。当机头上的受电弓，接受到高压电，因是单相，不能直接驱动电机，和给车厢各个方面供电。需要先将它整流成直流电，通过电容，形成相位差，再通过振荡，形成交流电，再通过变压器，把它变到驱动电机所需的电压。至于车厢所用的220伏，100伏这个无所谓，可以再次通过变压器。需要直流，可以再所需电压的输出端，加个整流桥，就行。

高铁运行原理：单相交流电源，经过整流变成直流电源——逆变，将直流电源变成三相交流电源。

再通过IGBT无级变速驱动车轮。

可以类比骑行的电动车，用电池做电源，然后经过控制器——变频器逆变成三相交流电驱动车轮运行原理，大同小异的。

本人对高铁电源不太熟悉，只能供大家参考。举我观察，将大电网三相高压电，降为27.5千伏三相交流电，经过大功率高压整流原件，变为27.5千伏正负极直流电源，将整流设备输出端正极接入电弓，负极连接铁轨，直接驱动列车电机进行回路。其它用电通过逆变器成220交流电或配用220伏直流电器，铁路供电网永远是连续性保证供电，它根据地域，站区分段设有27.5千伏直流电站，如果是某个地域，站间大电网仃电也不成问题。本人浅见，供参考。

轨道交通逆变器研发告诉你，27.5kv交流才能远距离输送，交流好变压，电压高电流才小，输送距离才远。

到机车需要调速，变频调速，PWM调速，这个必须是直流，所以需要把27.5kv变压成2.3kv交流，然后可控整流为3300V直流，为啥3300？因为局限于igbt技术，目前只有6500v管子。

然后逆变为三相2200V PWM交流，注入电机，控制电机转速，转矩。

辅助供电（照明，空调）是将3300直流转换为380.交流，不同品牌的转换方式有差异，但基本是pwm逆变再给隔离变压器。西门子，东芝，庞巴迪，ABB，川崎都不太一样的辅逆转换方案。

简单点来说，为什么用交-直-交这种方式？第一个交指的是单相工频交流电，两万五千伏左右，电网中随便都能得到。最后一个交指的是交流电机，交流电机相对于直流电机，有更小体积，更大扭矩，没有复杂的换向器等优点。最后就是中间的这个直了，输入时交流电，输出的是交流电，为什么还劳心费力的变成直流电？其实原因很简单。懂得交直流电机原理的人都知道，直流电机很容易调速，比如随便改变电压就可以实现了。而交流电机调速就没那么简单了，一般需要改变供电的频率来实现，而改变供电频率，呃…，总之，知道这比直流调压复杂很多就行了。所以，为了很方便的控制那台交流电机，我在直流这里随便调压，然后转成不同频率的交流电供给交流电机，就很方便的实现了调速。

列车供电为单相27.5KV交流电是因为线路简单，便于维护，供电电流小，节约线材，效率高。进入车内变为直流是为了给电池充电，驱动车内各种电器设备，同时也为了方便稳定电压，还为逆变驱动电机提供有利条件。

1.2.75万伏交流电是轨道上方的远距离距离馈电系统的最经济高效的传输方式。

2. 2000伏变频驱动供电系统（高功率）、400伏中频交流电车载控制设备供电系统（中功率）、220伏“市电”供电系统都是为了电力能够高效、低耗能、设备重量轻、设备体积小、设备可靠性高等诸方面综合平衡的结果。

功率半导体行业背景：

功率器件原理：

功率器件特指转换并控制电力的功率半导体器件。电力转换包括转换一个或多个电压、电流或频 率；功率控制指控制输入和输出的功率大小。（电力转换 核心 目标是提高能量转换率、减少功率损耗。关断时没有漏电，导通时没有电压损失， 在开关切换时没有功率损耗。电力控制 核心 是使用最小的输入控制功率保证输出功率的大小和时延。）

半导体器件分类：

功率半导体应用范围

功率半导体下游应用广泛，基本上涉及到电力系统的地方都会使用功率器件。下游应用领域主要可分为几大部分： 消费电子、新能源 汽车 、可再生能源发电及电网、轨道交通、白色家电、工业控制，市场规模呈现稳健增长态势。

功率半导体发展

功率半导体分类及特点

功率器件性能对比

功率半导体市场规模

功率半导体用于所有电力电子领域，市场成熟稳定且增速缓慢。行业发展主要依靠新兴领域如新 能源 汽车 、可再生能源发电、变频家电等带来的巨大需求缺口。成熟市场规模：根据IHS Markit 数据显示2018年全球功率器件市场规模为391亿美元， 中国功率市场规模为138亿美元 ，全球占比 35%。

纯增量市场规模：我们主要测算了国内新能源 汽车 、充电桩、光伏和风电四个领域中应用功率半导体市场空间。

①新能源 汽车 领域市场需求到2025年约160亿元，2030年约275亿元。

②公共直流充电桩领域2020-2025年累计市场需求约140亿元，2025-2030年累计需求约400亿元。

③光伏领域2020-2025年累计市场需求约50亿元，随政策调整有望进一步增长。

④风电领域2020-2024 年累计市场需求约30亿元。整体看，国内功率半导体市场2025年四个领域提供纯增量规模预计达 200亿元。

根据Omdia数据显示，2018年全球排名前十功率半导体企业来自于美国、欧洲和日本，合计市占率达60%。国内功率半导体市场自给率偏低，中高端功率MOSFET和IGBT自给率不足10%，国产替代空间巨大。

行业发展趋势一：不需要追赶摩尔定律，倚重制程工艺、封装设计和新材料迭代，整体趋向集成 化、模块化

功率半导体整体进步靠制程工艺、封装设计和新材料迭代。设计环节：功率半导体电路结构简单， 不需要像数字逻辑芯片在架构、IP、指令集、设计流程、软件工具等投入大量资本。 制造 环节： 因不需要追赶摩尔定律，产线对先进设备依赖度不高，整体资本支出较小。封装环节：可分为分 立器件封装和模块封装，由于功率器件对可靠性要求非常高，需采用特殊设计和材料，后道加工价值量占比达35%以上，远高于普通数字逻辑芯片的10%。

行业发展趋势二：新能源与5G通信推动第三代半导体兴起

新能源、5G等新兴应用加速第三代半导体材料产业化需求，我国市场空间巨大且有望在该领域快 速缩短和海外龙头差距。①天时：第三代材料在高功率、高频率应用场景具有取代硅材潜力，行业整体处于产业化起步阶段。②地利：受下游新能源车、5G、快充等新兴市场需求以及潜在的硅材替换市场驱动，目前深入研究和产业化方向以SiC和GaN为主，国内市场空间巨大。③人和：第三代半导体核心难点在材料制备，其他环节可实现国产化程度非常高，加持国家在政策和资金方 面大力支持。我们认为该行业技术追赶速度更快、门槛准入较低、国产化程度更高，中长期给国内功率半导体企业、衬底材料供应商带来更多发展空间确定性更强。

行业发展趋势三：IDM模式更适合功率半导体行业，代工可以提供产能、工艺技术补充

海外功率半导体龙头企业都采用IDM模式，国内功率半导体行业商业模式以IDM为主，设计+代工为辅。

国内上市公司

国内功率半导体发展分析

企业简介：

公司主营业务是以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计研发和生产，并以IGBT模块形式对外实现销售。IGBT模块的核心是IGBT芯片和快恢复二极管芯片，公司自主研发设计的IGBT芯片和快恢复二极管芯片是公司的核心竞争力之一。公司总部位于浙江嘉兴，在上海和欧洲均设有子公司，并在国内和欧洲均设有研发中心。

自2005年成立以来，公司一直致力于IGBT芯片和快恢复二极管芯片的设计和工艺及IGBT模块的设计、制造和测试，公司的主营业务及主要产品均未发生过变化。2019年，IGBT模块的销售收入占公司销售收入总额的95%以上，是公司的主要产品。

股权结构：

斯达的创始人，深耕 IGBT 领域十五年：

董事长兼创始人沈华（1963 年），于1995 年获得美国麻省理工学院（MIT）材料学博士学位，1995年7月至1999年7月任西门子半导体部门（英飞凌前身，1999 年成为英飞凌公司）高级研发工程师，1999 年 8 月至 2005 年任赛灵思公司高级项目经 理。

胡畏（1964 年），副总经理，1994年获美国斯坦福大学工程经济系统硕士学位。 1987年至1990年任北京市计算中心助理研究员，1994年至1995年任美国汉密尔顿证券商业分析师，1995 年至2001年任美国 ProvidianFinancial 公司市场总监，执行高级副总裁助理，公司战略策划部经理。2005 年回国创办公司。

从前十大流通股东来看，多只公募基金二季度新进前十大股东。2季度均价150。

财务介绍：

摸鱼打分73分，ROE8.21%，2020年上半年，公司实现营业收入41,647.84万元，较2019年上半年同期增长13.65%，实现归属于上市公司股东的净利润8,067.11万元，较2019年上半年同期增长25.30%，扣除非经常性损益的净利润6,903.77万元，较2019年上半年同期增长31.00%。同时，公司主营业务收入在各细分行业均实现稳步增长： （1）公司工业控制和电源行业的营业收入为32,924.94万元，较上年同期增长15.86%；（2）公司新能源行业营业收入为6,981.03万元，较上年同期增长6.03%；（3）公司变频白色家电及其他行业的营业收入为1,649.38万元，较上年同期增长12.35%。

PE200倍，处于 历史 66%位置，PB28.72倍， 历史 66%的位置。

公司看点：

公司采用以市场为导向，以技术为支撑，通过不断的研发创新，开发出满足客户需求的具有市场竞争力的功率半导体器件，为客户提供优质的产品和技术服务。

公司产品生产环节主要分为 芯片和模块设计、芯片外协制造、模块生产 三个阶段。

阶段一：芯片和模块设计。公司产品设计包含IGBT芯片、快恢复二极管芯片的设计和IGBT模块的设计。本阶段公司根据客户对IGBT关键参数的需求，设计出符合客户性能要求的芯片；根据客户对电路拓扑及模块结构的要求，结合IGBT模块的电性能以及可靠性标准，设计出满足各行业性能要求的IGBT模块。

阶段二：芯片外协制造。公司根据阶段 一 完成的芯片设计方案委托第三方晶圆代工厂如上海华虹、上海先进等外协厂商外协制造自主研发的芯片，公司在外协制造过程中提供芯片设计图纸和工艺制作流程，不承担芯片制造环节。

阶段三：模块生产。模块生产是应用模块原理，将单个或多个如IGBT芯片、快恢复二极管等功率芯片用先进的封装技术封装在一个绝缘外壳内的过程。由于模块外形尺寸和安装尺寸的标准化及芯片间的连接已在模块内部完成，因此和同容量的器件相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高、外接线简单、互换性好等优点。公司主要产品IGBT模块集成度高，内部拓扑结构复杂，又需要在高电压、大电流、高温、高湿等恶劣环境中运行，对公司设计能力和生产工艺控制水平要求高。本阶段公司根据不同产品需要采购相应的芯片、DBC、散热基板等原材料，通过芯片贴片、回流焊接、铝线键合、测试等生产环节，最终生产出符合公司标准的IGBT模块。

公司销售主要采取直销的方式进行销售，根据下游客户的分布情况，除嘉兴总部外在全国建立了六个销售联络处，并于瑞士设立了控股子公司斯达欧洲，负责国际市场业务开拓和发展。

下游应用：

中国工控 IGBT 市场按照总体 150 亿 RMB 工控占比 29%计算大约在 44 亿 RMB。 按照国内复合增速 5%，则 2025 年国内工控的市场空间约为 60 亿元；这一块是斯达半导的基本盘，行业需求分散稳定且波动相对较小。英威腾和汇川技术等工控领域国内 领军公司一直都是斯达半导排名第一第二的大客户。

疫情加速了国内下游工控行业的国产替代进程，疫情同时阻碍了英飞凌等 IGBT 产品进入国内。斯达工控 IGBT 可能处于下游本 土需求增加+加速替代国外龙头提升份额的有利局面，预计在后疫情时代工控 IGBT 领 域持续提升市占率的过程也将持续。

IGBT 占新能源车成本近 8%，且是纯增量产品。 IGBT 模块在新能源 汽车 领域中发挥着至关重要的作用，被广泛应用于电机控制器、车载空调、充电桩等设备。IGBT 模块的作用是交流电和直流电的转换，同时IGBT模块还承担电压的高低转换的功能。新能源 汽车 外接充电时候是交流电，需要通过 IGBT模块转变成直流电然后给电池，同时要把交流电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。

在电动车领域主要应用分三类： 1）电驱动系统：IGBT 模块将直流变交流后驱动 汽车 电机（电控模块）； 2）车载空调变频与制热：小功率直流/交流逆变，这个模块工作电压不高，单价相对也低一些； 3）充电桩中 IGBT模块被用作开关使用：直流充电桩中 IGBT模块的成本占比接 近 20%；

电池成本占比最大，一般来说可以占到约电动车总成本 40%以上；2）成本占比第二大的是电机驱动系统,可以达到电动车总成本的 15%~20%,而 IGBT则占到电机驱动系统成本 40%-50%，等价于 IGBT 占新能源车总成本接近 8%的比例。

并且，对于IGBT来说，新能源 汽车 对 IGBT 需求是纯增量，因为传统燃油车功率半导体器件电压低，只需要Si基的 MOSFET，而新能源 汽车 在 600V以上MOSFET无法达到要求，必须要换成 IGBT；因此 IGBT 是仅次于电池以外第二大受益的零部件。

斯达在家电 IPM 和光伏风电等都有相关布局，但是营收占比还相对较小，19 年占比在 4%左右，可能和市场空间相对较小，公司选择先攻克工控和新能源 汽车 的战略有关，在供应链安全因为外部环境受到威胁的大背景下，斯达未来在这一块不断增长的利基市场还是有比较大的替代潜力，是斯达的潜在期权增量领域。

行业地位：

由于IGBT对设计及工艺要求较高，而国内缺乏IGBT相关技术人才，工艺基础薄弱且企业产业化起步较晚，因此IGBT市场长期被大型国外跨国企业垄断，国内市场产品供应较不稳定；随着国内市场需求量逐步增大，供需矛盾愈发突显。我国政府于《中国制造2025》中明确提出核心元器件国产化的要求，“进口替代”已是刻不容缓。公司具备自主研发设计国际主流IGBT芯片和快恢复二极管芯片的能力和先进的模块设计及制造工艺水平，全面实现了IGBT和快恢复二极管芯片及模块的国产化，是国内IGBT行业的领军企业。

根据全球著名市场研究机构IHS在2019年发布的最新报告，2018年度公司在全球IGBT模块市场排名第八，市场占有率2.2%，是唯一进入前十的中国企业。

未来看点：

短期看工控IGBT ：20年疫情背景加速了下游如汇川技术等客户变频器/伺服等产品的国产替代（汇川中报业绩预告高速增长），同时斯达竞争对手英飞凌等产能受限物流受阻，斯达工控IGBT目前处于客户高增长和竞争对手暂时受阻碍的有利局面，二三季度边际向好确定，未来2年工控IGBT是斯达的基本盘；

中期看车载IGBT ：车载IGBT行业增速快于工控，且认证慢，安全性和产品性能要求高；斯达前期车载IGBT产品持续研发布局，累计给20家车企客户进行小批量配套供货，预计接下来将迎来收获期，且恰逢IPO扩产增加车载IGBT产能，预计车载IGBT将较快起量，是公司20-25年增长最快的细分领域；新能源 汽车 业务进展顺利，新增多个项目定点。上半年新能源乘用车销量大幅下滑的背景下，公司新能源领域营收仍小幅增长，估计公司已成为低功率电动车细分领域最大的IGBT模块供应商，同时斩获了多个国内外知名车型平台定点，将在2022年开始SOP。另外，48V功率器件开始大批量装车应用，出货量有望继续上升。

长期看SIC布局 ：斯达对SIC持续投入研发，并和宇通等联合开发基于SIC的电机控制系统，预计2024年左右国内会迎来SIC器件渗透率拐点，测算不同SIC渗透率和斯达在IGBT/SIC器件不同市占率下斯达2025年的收入，显示2025年斯达收入在42亿-64亿之间，净利率20%左右。

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轨道交通

再生制动设备在轨道交通中的应用

2020-08-11 13页 用App查看

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再生制动吸收装置在城市轨道交通工程的应用

1.再生制动吸收装置的作用

2.吸收装置原理及特点

3.吸收方式及产品应用

4.节能效果

5.应用展望

引言

列车制动方式主要有两种：

空气制动：列车的基础制动或紧急制动，通过闸瓦或制动盘摩擦，将机械能转换为热能。有磨耗成本。

电制动：列车的常用制动，在接触网电压低于一定的限值条件下，将列车动能转换成电能回馈至直流接触网，通过能量的转换可实现电能的再利用。

今天我们主要讨论的是电制动方式及应用情况。

1.再生制动吸收装置的作用

在城市轨道交通系统中，再生制动吸收装置是一种为电客车再生制动提供电能吸收的设备，一般安装于牵引变电所，与直流母线并联。

城市轨道交通车辆采用750VDC、1500VDC两种电压制式供电，当车辆进行再生制动时，会向直流电网反馈能量，若此时接触网上不能提供与制动列车回馈的电能相匹配的电流通道，则会造成接触网母线电压的抬升，影响列车电制动性能的发挥。由于整流机组是单向导电的，回馈电流不能通过整流器回馈至交流电网，因此再生制动电能的吸收通道只能有如下几种：

制动列车自身消耗（车载电阻）；

接触网上的邻近牵引列车消耗；

变电所再生制动吸收装置。

再生制动吸收装置的作用就是为列车电制动回馈的电能提供功率相匹配的通道，当吸收装置的功率大于列车制动功率时，直流网压下降，可能会消耗整流器提供的电能，当吸收装置的功率小于列车制动功率时，直流网压上升，可能造成列车过压保护，切除电制动。

2.吸收装置原理及特点

在供电区间内，当车辆进行再生制动时，如果在线有其他车辆运行，其再生能量被牵引车消耗，稳定了电网电压。如果线路不具备吸收条件，电网电压将被抬高，此时吸收装置经判断自动投入，将再生能量吸收，确保电网电压的稳定。

2.1车载电阻吸收方式

车载电阻吸收方式主电路示意图如图1所示，在正负母线之间并联了斩波回路，当车辆制动母线电压升高时Sb1开通，电能通过Rb电阻释放。

图1：车载电阻吸收方式主电路示意图

车载电阻吸收方式的缺点：

⏹增加车辆重量。列车运营时消耗更多的电能，不环保；降低车辆启动加速性

能；

⏹车载制动电阻以及相应的斩波控制，提高了车辆采购成本；

⏹制动电阻工作时发热量较大，带来隧道和站台内的温升问题；车辆上制动电

阻周围的布线要求高；

⏹制动电阻设置于车上容易受到灰尘、油污的侵染，且运行时的振动冲击使其

容易受损，经常维修费用高；

⏹制动电能没有得到二次利用；

2.2地面吸收方式

2.2.1电阻耗能型吸收方式

电阻耗能型吸收方式主电路示意图如图2所示，采用多相IGBT斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将再生制动能量消耗在吸收电阻上。

图2：电阻耗能型吸收方式主电路示意图

电阻能耗型再生制动能量吸收装置技术成熟；斩波单元、电阻单元已实现模块化，维护维修方便；缺点是再生能量以发热的方式消耗，能量没有得到充分利用，电阻柜安装需要一定的散热条件。

2.2.2逆变回馈型吸收方式

逆变回馈型吸收方式主电路示意图如图3所示，采用IGBT等构成大功率三相逆变器。该逆变器的直流侧与牵引电网直流母线相联，其输出连接到变电所的中压或低压母线。当再生制动使牵引电网直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至城轨内部交流电网。

图3：逆变回馈型吸收方式主电路示意图

逆变回馈型吸收方式是将制动时产生的能量通过逆变装置回馈到交流电网，根据回馈电网电压等级可以分成低压400VAC能馈、中压10kVAC/35kVAC能馈。

回馈到400VAC系统的优点是回馈能量能最大限度被站内设备利用，节能效果显著；缺点是回馈容量受限，需要配置电阻耗能型吸收装置配合使用；

回馈到10kVAC/35kVAC系统的优点是回馈容量大，缺点是对电网有一定影响（电力公司是否愿意接收），且回馈至110KVAC的电能只有社会效益，地铁公司无经济效益。（俗话说节电不节钱）

逆变回馈型再生能量吸收装置技术非常成熟，已经在风力发电、光伏发电中得到广泛应用。逆变回馈单元采用模块化设计、维护维修便利。

2.2.3储能型吸收方式

储能型吸收方式主电路示意图如图4所示，采用超级电容作为储能元件，设置直流双向变流器作储能和回馈的功率控制转换。在列车制动时将能量储存在超级电容中，在列车牵引时将储存的电能回送至牵引直流电网，保持牵引直流电网的稳定。

图4：储能型吸收方式主电路示意图

由于电容储能设备具有无损耗转换，且储存的电能全部应用于直流电网。经济效益明显，还能改善电压特性。由于环境温度、电容充放电频率、电容充放电深度直接影响电容的使用寿命，所以电容型地面再生制动吸收装置需要充分考虑

1、名称不同：晶闸管简称为SCR，IGBT的中文名称为绝缘栅双极型晶体管。

2、材料不同：IGBT为全控型器件，SCR为半控型器件。

3、控制方式不同：SCR是通过电流来控制，IGBT通过电压来控制。SCR需要电流脉冲驱动开通，一旦开通，通过门极无法关断。

4、开关频率不同：SCR的开关时间较长，所以频率不能太高，一般在3-5KHZ左右；IGBT的开关频率较高。IGBT模块可达30KHZ左右，IGBT单管开关频率更高，达50KHZ以上。

5、市场前景不同：IGBT在逐步替代晶闸管，晶闸管在市场上的份额越来越少。

扩展资料

晶闸管和IGBT的应用：

1、IGBT已经广泛应用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域。IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

2、晶闸管被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

参考资料

百度百科-晶闸管

百度百科-IGBT

（1）环境承载力原则。环境承载力是指环境系统吸收污染的自身净化能力。交通运输可持续发展必须遵守“其污染物的排放不得超过环境的吸收能力”的原则。

（2）资源消耗速率原则。自然资源可以分为可再生资源和不可再生资源。对于司再生的自然资源使用速度应维持在其再生速率限度之内；对于不可再生的资源，其使用耗竭速率不应超过寻求作为代用晶的可再生资源的速率。这个原则要求运输部门必须提高资源利用效率，节约能源，采用先进技术，避免能源危机。

（3）公平性原则。运输活动的使用者通过运输而获益，但没有承担环境费用；相反，非运输用户却遭受着环境质量下降引起的损害，这是很不公平的。从代际关系上来看，当代人消耗大量运输活动以促进经济发展，却将严重的环境损害后果留给后代人承担，这也是不公平的。

（4）价值性原则。资源价值的无价或低价导致了不加抑制的过度使用，这是价格导向的错误。交通运输可持续发展必须遵循“环境成本是真实的经济成本”的原则，将环境成本纳入运输成本，分担到用户身上。

（5）协调性原则。交通运输可持续发展的目标仅仅依靠运输政策是难以实现的，必须与政策（如科技政策、财政金融政策、土地利用政策、环境政策）相结合，协调作用，才能收到良好的效果。