如今,，白色家電產(chǎn)品的節(jié)能問題日益受到世界各國的關注,。家電產(chǎn)品用變頻控制器受批量,、家電產(chǎn)品價格的影響,，屬于量大價低的產(chǎn)品,。而變頻控制器的核心器件無論在MCU還是IPM上均被國外企業(yè)壟斷，這樣一來,，家電企業(yè)就受到供貨延期,、斷貨等影響。國內(nèi)半導體企業(yè)經(jīng)過國家多年的支持與大力發(fā)展雖形成了一定的規(guī)模生產(chǎn)能力,，但成品并未大批量在產(chǎn)品上使用（國產(chǎn)化比例低于10%）,，主要是第三方公共檢測平臺在該領域檢測能力的缺失，導致變頻控制器產(chǎn)品缺乏質(zhì)量約束,，國產(chǎn)器件在沒有得到大量,、長期驗證之前,，很難被家電企業(yè)認可和使用，這已經(jīng)成為制約我國家用電器中變頻控制器國產(chǎn)化的關鍵問題,。
2020年7月1日,，號稱“史上最嚴”空調(diào)新能效標準GB 21455-2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》將正式執(zhí)行。新國標的實施將會使所有低能效,、高耗電的定頻和三級能效變頻面臨被淘汰的局面,，這意味著更加舒適和節(jié)能的變頻機將占據(jù)絕對的主力，同時也將為國產(chǎn)器件的發(fā)展帶來重大的機遇,。IPM 模塊作為變頻技術的核心電子元器件,，在這個大趨勢中，將發(fā)揮至關重要的作用,。
長期被國外壟斷的IPM是什么,？
IPM全稱為智能功率模塊（Intelligent Power Module）。
我們都知道,，變頻控制器是變頻空調(diào),、冰箱、洗衣機,、電磁爐等的核心控制部件,，它承擔了電機驅(qū)動、PFC功率校正以及相關執(zhí)行器件的變頻控制功能,。而變頻控制器很重要的一環(huán)就是IPM模塊,，IPM將功率器件芯片（IGBT+FRD或高壓MOSFET、控制 IC和無源元件等這些元器件高密度貼裝封裝在一起（見圖1）,，通過IPM,，MCU就能直接高效地控制驅(qū)動電機，配合白家電對低能耗,、小尺寸,、輕重量及高可靠性的要求。
圖1：典型變頻器IPM將多種元器件封裝為模塊（圖源：安森美）
智能功率模塊的優(yōu)點頗多,，它不僅把功率開關器件和驅(qū)動電路集成在一起,，而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路,，并可將檢測信號送到CPU或DSP作中斷處理,。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門級驅(qū)動電路以及快速保護電路構(gòu)成。即使發(fā)生負載事故或使用不當,，也可以保證IPM自身不受損壞,。IPM一般使用 IGBT作為功率開關元件，并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu),。
智能功率模塊是半導體功率器件的重要組成,，是未來的發(fā)展方向,，它的發(fā)展可以追溯到上世紀90年代，以三菱,、三洋（IR）,、仙童為代表。三菱將其取名為IPM,，三洋（IR）命名為Hybrid IC,，仙童取名為SPM。
根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心公布的《2019-2024年智能功率模塊（IPM）行業(yè)市場深度調(diào)研及投資前景預測分析報告》顯示,，從整體來看,，目前，國內(nèi)IPM主要集中在白色家電“空冰洗”市場,。而國內(nèi)高品質(zhì)高可靠的IPM卻一直由日系、德系和美系廠商占據(jù),，該報告中顯示,，國外品牌在國內(nèi)市場占有率高達86%。另據(jù)英飛凌官方數(shù)據(jù)顯示,，2018 年全球IPM市場規(guī)模為168億美元,，其中三菱占比最高為32.3%,，安森美為18.9%,，國內(nèi)目前尚未出現(xiàn)份額超過0.5%的公司，進口替代迫在眉睫,。
圖2：2018 年 IPM 供應商市場份額（%）（圖源：華西證券研究所）
具體來看,，三菱，安森美,，英飛凌,，ST等企業(yè)都具有IPM產(chǎn)品。三菱中小功率模塊,，SUPER MINI封裝5~50A的智能功率模塊,，最近兩年推出SLLIMM外形，這些年三菱IPM以其高可靠性,，方便易用贏得越來越大的市場,。
安森美收購了三洋和仙童后擁有了IMS架構(gòu)和DBC架構(gòu)技術，晉身全球最佳的智能功率模塊（IPM）方案供應商,。公司全面的產(chǎn)品陣容涵蓋各種不同技術的模塊化方案,，應用于汽車、工業(yè)和消費等領域,。包括應用于可變頻驅(qū)動,、自動空調(diào),、泵的工業(yè)SPM?2/3系列、SIP IPM,；應用于汽車的高壓IPM APM? 27系列和中壓IPM,，以及低于400 W和4 KW的消費類IPM等。
2018年11月,，安森美推出了新的汽車級智能功率模塊,，采用APM16封裝的FAM65xxx提供全功能、集成的方案,。
2018年英飛凌推出CIPOS Mini產(chǎn)品家族的IM512和IM513系列,。它們是率先集成CoolMOS MOSFET的高效IPM（智能功率模塊），具備出色電氣性能,。較之傳統(tǒng)的IGBT IPM,，基于CoolMOS的CIPOS Mini IPM現(xiàn)在能顯著降低導通和開關損耗。
ST在電機驅(qū)動領域有SLLIMM智能功率模塊產(chǎn)品,，其IPM主要是集成MOSFET,，這些年產(chǎn)品陣容不斷迭代擴大。SLLIMM IPM是高度集成的緊湊型電源模塊,，旨在驅(qū)動從幾瓦到3千瓦的電機,，用于家用電器、空調(diào)逆變器,、風扇和通用驅(qū)動器等應用,。
當然，除了家電市場,，在工業(yè)和汽車領域,，IPM的發(fā)展仍然很值得關注。據(jù)了解,，一輛汽車IPM使用量可達4-5個,，可廣泛地應用在集成門極驅(qū)動器、微控制器（MCU）,、功率硅和外圍元件的無傳感器驅(qū)動等方案中,。而安森美以及ST等企業(yè)，也是為我們所熟知的在汽車領域有著卓越成績的企業(yè),。通過這些廠商的動態(tài),，不難看出，未來IPM或?qū)⒃谄囶I域大有可為,。中國作為全球最大的家電市場和汽車市場,，亦孕育著大規(guī)模的IPM市場。
國內(nèi)主流IPM廠家實力如何,？
伴隨著全球各地家電領域的能耗新標準的出現(xiàn),，IPM市場的爆發(fā)首先在家電領域展開,。在更為嚴格的能效法規(guī)的幫助下，家用電器的逆變,，無刷直流電機的日益使用,，尤其是可再生能源的長期趨勢，都提供了誘人的增長潛力,。目前,，國內(nèi)從事IPM模塊的企業(yè)有浙江嘉興斯達半導體、常州江蘇宏微科技有限公司,、吉林華微電子,、深圳比亞迪微電子、深圳芯能半導體,、廈門芯光潤澤,、南京銀茂微電子、杭州士蘭微電子,、美的,、格力等等。
去年4月26日,，美的空調(diào)在其舉行的媒體開放日活動上回應道，美的空調(diào)在IPM模塊上已經(jīng)實現(xiàn)自主可控,，MCU芯片目前主要依靠外部采購,。據(jù)了解，美的的IPM研發(fā)始于2010年,，兩年后,，公司研制出了全國第一款IMS架構(gòu)的IPM；2013年,，美的實現(xiàn)了國產(chǎn)自研IPM的量產(chǎn),；2014年，美的成立重慶IPM工廠,，IPM模塊正式實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,；2015年，美的自制IPM產(chǎn)量突破百萬枚/年,；2016年,，發(fā)布IPM新品；2017年,，開發(fā)出IPM代工廠,，美的IPM進入“自制+代工”的發(fā)展模式，現(xiàn)已培養(yǎng)出多個代工廠,；2018年,，美的中央研究院成立IPM技術實驗室,，面向全集團開展IPM業(yè)務，從空調(diào)延伸至冰箱,、洗衣機等領域,。公司目前的IPM年產(chǎn)值1億元左右。
士蘭微電子可以說是布局IPM相對較早的一家廠商,，2010年,，在HVIC、IGBT 和MOS等芯片到位后士蘭就啟動了IPM設計,，此后幾年先后推出了多個IPM產(chǎn)品,，包括IPM23、DIP24/25/26/27,、SOP37單芯片等系列產(chǎn)品,，其芯片開發(fā)制造、封裝開發(fā)制造均自主完成,。經(jīng)過近十年的不斷耕耘,，士蘭取得了不錯的成績。僅2019年上半年國內(nèi)多家主流的白電整機廠商在變頻空調(diào)等白電整機上使用了超過300萬顆士蘭IPM模塊,。2019年,，士蘭微IGBT器件成品和內(nèi)置IGBT的IPM產(chǎn)品銷售額雙雙過1億元人民幣，成為國內(nèi)白電TOP客戶的半導體供應商,。
比亞迪半導體自主研發(fā)的BIP30（1200V35A/50A）系列智能功率模塊,，是目前國內(nèi)唯一車規(guī)級IPM產(chǎn)品，輸出功率最高可達7500W,，兼容三菱ver.4系列封裝形式,，已大規(guī)模用于新能源汽車及家電領域，裝車量已超過40萬輛,。與國外同類產(chǎn)品相比,，比亞迪BIP30系列交期短，供應充足,，成本更低,，特別適用于新能源車用空調(diào)控制器、變頻家電（商用空調(diào),、中央空調(diào),、中大功率柜機）、中大功率工業(yè)變頻控制器等產(chǎn)品,。
華微電子智能功率模塊是2013年建立,，華微控股子公司吉林華微斯帕克于2013年成立，主營業(yè)務為智能功率模塊封裝與測試，以DIP23~29系列封裝為主,，年產(chǎn)能1800萬塊,。并且自主開發(fā)工業(yè)及汽車模塊，芯片及封裝全部自主生產(chǎn),。
斯達半導體一直深耕IGBT等功率半導體領域,，產(chǎn)品布局完善。公司自2005 年設立以來一直專注于IGBT的自主研發(fā),，公司 IGBT 模塊型號齊全,，目前形成了覆蓋工作電流 5A-3600A、 工作電壓 600V-3300V 的產(chǎn)品布局,。IPM模塊產(chǎn)品已研發(fā)出多個,，電流范圍主要為10A-50A。
華潤安盛也在生產(chǎn)IPM模塊,，現(xiàn)在市場上主要看到DIP23的模塊,。安盛新品開發(fā)方向是聚焦塑封工藝模塊，從低功率模塊向更高功率產(chǎn)品開發(fā),，建立鋁基板,，框架，DBC完善的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),。同時安盛也可代工DIP23/SOP23等小功率模塊產(chǎn)品,。
芯光潤澤是專業(yè)從事第三代半導體“碳化硅”功率器件及其相關的應用模塊，集研發(fā),、制造,、銷售一體化的專業(yè)IDM廠商。2018年9月18日,，國內(nèi)首條全碳化硅智能功率模塊IPM產(chǎn)線在廈門正式投產(chǎn)，標志著我國在碳化硅芯片這個新興行業(yè)又實現(xiàn)了一次重要突破,。該碳化硅IPM產(chǎn)線由廈門芯光潤澤科技有限公司研發(fā),，并成為了國內(nèi)首家實現(xiàn)“SiC IPM”量產(chǎn)的企業(yè)。其生產(chǎn)的碳化硅產(chǎn)品廣泛應用于港口重機,、家電,、高鐵、數(shù)據(jù)機房,、新能源汽車充電樁等領域,，可以為這些行業(yè)器件提供高端核心功率部件，大大提高國內(nèi)市場供給率,。
深圳芯能半導體技術有限公司成立于2013年,，致力于IGBT芯片、IGBT驅(qū)動芯片以及大功率智能功率模塊的研發(fā),、應用和銷售,。目前芯能聚焦600V和1200V中小功率IGBT產(chǎn)品,，IGBT單管、IPM,、IGBT模塊和HVIC四個領域都有完善的產(chǎn)品序列,。公司現(xiàn)有產(chǎn)品包括：IPM23、IPM24,IPM25,、IPM26,、IPM29，封裝形式有DIP23,、SOP23,、PQFN、DIP24,、DIP25,、DIP26、DIP29,。
西安中車永電電氣有限公司是中車永濟電機有限公司全資控股的專門從事電力電子產(chǎn)品的研發(fā),、生產(chǎn)、銷售,、服務的高技術企業(yè),。公司的IPM模塊產(chǎn)品主要有YMPC30-06S和YMPC20-06S兩種，電流分別是30A和20A,，主要應用于空調(diào),、洗衣機、冰箱以及小功率傳動,。
杰群電子的IPM包括IGBT和適用于IGBT設備的驅(qū)動電路,，以及具有保護功能的IC。這些產(chǎn)品有助于高效率和設計簡化應用,。DIPIPM-25L,、迷你SOPIPM-23L/32L、迷你DIPIPM-23L/32L等,。主要應用在電梯電機驅(qū)動,、不間斷電源、放電加工機床等領域,。
結(jié)語
在整體大環(huán)境和企業(yè)的不斷發(fā)展下,，變頻控制主芯片和IPM的國產(chǎn)化比例，預計能從目前低于10%將可能提升到2025年的40%,，以及2030年的80%,。新國標的頒布將帶來一股換機熱潮，國內(nèi)一眾IPM廠商能否把握住變頻家電快速普及的契機，增強企業(yè)在行業(yè)中的競爭力,，將是我國IPM模塊進口替代步伐的關鍵因素,。