储能逆变器内使用的半导体器件有哪些

储能逆变器的作用不仅有利于提升储能系统的效率及运行稳定性，而且也是整个储能系统中多种信息传递与处理、实时人机交互的信息平台，是非常关键设备。

德业股份逆变器

逆变器是储能的心脏。储能逆变器的首要功能是把直流转为生活需要的交流电，而实现该功能的核心元件是功率半导体(例如IGBT和MOSFET)。

这些功率半导体每秒可以开关数千、甚至几万次，再通过控制信号把握电路变化，将直流电转化为正弦交流电。

通过统计分析阳光电源、固德威、锦浪科技等逆变器知名企业等，结构件占成本23%的比例，IGBT、MOS占成本比20%，磁性元器件占成本比17%，芯片集成电路占成本比10%等，其中逆变器里IGBT、芯片集成电路、电容、传感器、PCB板等产品都属于电力电子领域。

数据来源：阳光电源、固德威、锦浪科技、哔哥哔特产业研究室

由此可见，电力电子器件占据逆变器46%的成本，是主要组成部分。

因此，值得关注的是，储能逆变器内使用的半导体器件有：IGBT、MOS管、MCU、电源管理芯片、电容、PCB板等，其中IGBT、MOS管、电源管理IC在储能逆变器里占比高、数量多，是必不可少的器件。

逆变器拆解图

可以预测，随着储能景气度提升将带动逆变器里半导体器件需求量，未来对于布局储能市场的半导体器件企业是一个大机会。

1.IGBT

IGBT在储能领域的主要作用就是变压、变频、交变转换等，是储能应用中不可缺少的器件。

IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的「CPU」。

IGBT竞争格局

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。

自2015年以来，我国IGBT自给率超过10%并逐渐增长，预计2024年我国IGBT自给率将达40%。基于国家相关政策中提出核心元器件国产化的要求，国产替代成为国内IGBT行业的发展趋势。

目前，国内IGBT市场主要由英飞凌、三菱电机、富士电机等海外厂商占据。中国IGBT市场占比前三的分别是英飞凌、三菱电机和富士电机。其中占比最高的是英飞凌，为15.9%。

2.MOS管

mos管是一种具有绝缘栅的FET，其中电压决定了器件的电导率。发明mos管是为了克服 FET 中存在的缺点，如高漏极电阻、中等输入阻抗和较慢的操作。所以mos管可以称为FET的高级形式。

mos管常用于切换或放大信号。随着施加的电压量改变电导率的能力可用于放大或切换电子信号。

mos管是迄今为止数字电路中最常见的晶体管，因为内存芯片或微处理器中可能包含数十万或数百万个晶体管。

由于它们可以由 p 型或 n 型半导体制成，互补的 MOS 晶体管对可用于以CMOS逻辑的形式制造具有非常低功耗的开关电路。

在数字和模拟电路中，mos管现在甚至比BJT更常见。

3.电源管理芯片

电源管理芯片是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责的芯片。主要负责识别CPU供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出。

主要电源管理芯片有的是双列直插芯片，而有的是表面贴装式封装，其中HIP630x系列芯片是比较经典的电源管理芯片，由著名芯片设计公司Intersil设计。

它支持两/三/四相供电，支持VRM9.0规范，电压输出范围是1.1V-1.85V，能为0.025V的间隔调整输出，开关频率高达80KHz，具有电源大、纹波小、内阻小等特点，能精密调整CPU供电电压。

常用电源管理芯片有HIP6301、IS6537、RT9237、ADP3168、KA7500、TL494等。

所有电子设备都有电源，但是不同的系统对电源的要求不同。为了发挥电子系统的最佳性能，需要选择最适合的电源管理方式。

电源管理的范畴比较广，既包括单独的电能变换（主要是直流到直流，即DC/DC），单独的电能分配和检测，也包括电能变换和电能管理相结合的系统。

相应的，电源管理芯片的分类也包括这些方面，比如线性电源芯片、电压基准芯片、开关电源芯片、LCD驱动芯片、LED驱动芯片、电压检测芯片、电池充电管理芯片等。

4.PCB板

印制电路板，简称PCB，又称为印制线路板、印刷电路板、印刷线路板。

通常把在绝缘基材上，按预定设计制成印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路，而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路。

细分产品结构

目前，我国印刷电路板细分产品主要包括多层板、软板、HDI（高密度连接板）、双面板、单面板、封装基板六大类型。

数据显示，我国印刷电路板细分产品中多层板占比最大，达45.97%，远超其他产品；其次是软板，占比达16.68%；HDI占比为16.59%。此外，双面板、单面板、封装基板的占比分别为11.34%、6.13%、3.29%。

中国印刷电路板细分产品结构

5.MCU

MCU芯片是指微控制单元(MicrocontrollerUnit；MCU)，又称单片微型计算机或者单片机，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制，所以MCU芯片就是单片机芯片。

MCU供应商方面，很多逆变器厂商会采用TI的C2000系列MCU，现在随着微型逆变器的兴起，也有厂商开始采用Arm内核的32位MCU来做主控。

因此，MCU的主要供应商有TI、NXP、ST、Microchip、英飞凌、瑞萨等国外厂商，也有兆易创新等国内厂商。

5.传感器

储能逆变器中需要对电流进行检测，需要选择合适的电流传感器。我们可以把电流检测分为几个范围。

1）检测5A到70A的直流或交流电流。

检测5A到50A的直流或交流电一般选用芯片式的霍尔电流传感器，比如CH701电流传感器IC，是工业、汽车、商业和通信系统中交流或直流电流传感的经济而精确的解决方案。小封装是空间受限应用的理想选择，同时由于减少了电路板面积而节省了成本。典型应用包括电机控制、负载检测和管理、开关电源和过电流故障保护。

参考文章：霍尔传感器芯片该如何选型

CH701可以检测到50A峰值的电流。

如果需要检测更大电流，需要更高的隔离电压，可以选择更大电流范围的产品，比如16脚的CH701W系列，电流范围可以到70A，绝缘耐压可以到4800Vrms：

2）检测50A到200A的直流或交流电流。

可以选用直插型的电流传感器

CH704 是专为大电流检测应用开发的隔离集成式电流传感芯片。CH704 内置 0.1 mΩ 的初级导体电阻，有效降低芯片发热支持大电流检测：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其内部集成独特的温度补偿电路以实现芯片在 -40 到150度全温范围内良好的一致性。出厂前芯片已做好灵敏度和静态（零电流）输出电压的校准，在全温度范围内提供 ±2% 的典型准确性。

参考文章：意瑞半导体推出250A霍尔电流传感器产品，可以替换Allegro的ACS758/ACS770/ACS772

3）检测200A到1000A以上的直流或交流电流。

可以选用线性霍尔加磁环的方式，使用可编程的霍尔传感器，能够实现高达1500A的电流检测。

例如：CHI612 可编程线性霍尔芯片，支持 5V 单电源供电。120 kHz带宽，< 3us 响应时间，0.8 – 24 mV/G 可编程，全温-40到150度范围内可实现 2% 精度。芯片出厂前完成静态（零电流）输出电压的校准。

参考文章：国产汽车级可编程线性霍尔传感器CHA611,可以替代Allegro的A1363系列产品，解决汽车级芯片缺货难题

编辑：黄飞