Обзор рынка компонентов силовой электроники

«Силовая электроника» не слишком удачный перевод английского выражения “power electronics”. В такой интерпретации несколько искажается содержание этого инженерного и промышленного направления, поскольку power electronics — та часть электронной отрасли, которая работает с электрической энергией, и данное словосочетание правильнее было бы переводить как «энергетическая электроника». И здесь неважно, какова величина мощности, напряжения или тока, важно, что объектом является электрическая энергия, а не сигналы или информация.

Современная силовая электроника обеспечивает преобразование электроэнергии в очень широком диапазоне мощностей — от милливатт до гигаватт.

До недавнего времени силовая электроника выполняла в основном обеспечивающую функцию по отношению к оборудованию информационных технологий — питала его необходимой энергией. Соответственно и рынок силовой электроники развивался в фарватере ИТ-индустрии: от аналоговой аппаратуры к цифровой, от стационарных устройств к мобильным, от корпоративных серверов к огромным дата-центрам. Для многих направлений цифровой электроники именно электропитание становится ключевой проблемой, от решения которой зависит дальнейшее повышение основных потребительских характеристик (производительность, надежность, автономность и т. д.).

Рис.1

Однако область применения силовой электроники не ограничивается ИТ-индустрией.

Силовая электроника является принципиально важным элементом замещающих технологий, которые распространяются на рынках электротехники и электроэнергетики.

Термин «замещающая» означает, что силовая электроника предлагает решения, позволяющие вытеснять традиционную, неэлектронную продукцию или перераспределять стоимость в пользу электроники.

В будущем, скорее всего, стоимость автомобильного электропривода сравнится с ценой двигателя внутреннего сгорания, но в то же время спрос на компоненты силовой электроники вырастет более чем в 10 раз, и это без учета потребностей заправочной инфраструктуры
(см. оценки компании IR, сделанные в 2014 году, на рис. 1).

Число промышленных и бытовых электродвигателей, оснащенных частотными регуляторами, постоянно растет. Также, по оценкам IR, количество частотно-регулируемых приводов почти утроилось за пять лет, с 2010 по 2015 год. Плавный пуск позволяет использовать двигатели меньшей мощности, а это значит, что уменьшается материалоемкость оборудования, деньги перераспределяются из металлургии в силовую электронику. Кроме того, регулируемый электроникой привод становится все более надежным и начинает замещать-вытеснять традиционные пневматические и гидравлические системы управления в промышленности, на морском, воздушном и железнодорожном транспорте. Это значительный рынок, но он не сопоставим со спросом, который ожидает силовую электронику в набирающей обороты робототехнической промышленности.

Еще одна область применения силовой электроники — электроэнергетика. В солнечной энергетике только 20–30% стоимости приходится на фотоэлектрические элементы, остальные 70–80% определяют инвертор и аккумуляторы. Таким образом, от преобразователей электроэнергии зависит конкурентоспособность всей солнечной энергетики. Нет сомнений, что по мере снижения стоимости аккумуляторов и инверторов область применения солнечных батарей будет быстро расширяться и создавать все больший спрос на силовую электронику.

Распространение ветровой электроэнергетики в некоторых странах привело к впечатляющим результатам. Так, за 25 лет развития альтернативной энергетики Дания полностью закрыла свои потребности и перестала импортировать электроэнергию. На рис. 2 представлен слайд из презентации профессора Фреде Блобьерга (Prof. Frede Blaabjerg) на конференции IPCDC-2013 в Москве (http://old.sovel.org/16102013_264).

На вопрос участника конференции: «Куда будете девать избыточную электроэнергию?» — профессор Блобьерг ответил в шутку: «Продавать в Россию». Трудно оценить, какова доля правды в этой шутке, но представленная информация говорит о том, что технологии силовой электроники могут принципиально изменить роль стран на рынке энергоносителей.

Рис.2

На данном слайде видно, как выросла доля «местной» электрогенерации. Это не обязательно солнечные или ветровые установки, это могут быть небольшие тепловые станции, генераторы электроэнергии, которые подключены в общую сеть. Концепция распределенной электрогенерации и интеллектуальных электросетей (smart-grids) быстро распространяется во многих странах, дополняя централизованную энергогенерацию. Подключение местной электрогенерации в сеть требует использования современных сложных преобразователей. И это огромный потенциал спроса на все компоненты силовой электроники.

Для того чтобы соответствовать требованиям новых рынков, разработчики силовой электроники должны постоянно повышать основные характеристики своей продукции. Наиболее важные задачи, от решения которых зависит не только конкурентоспособность продукции, но и развитие всего рынка:

• повышение КПД;
• повышение удельной мощности преобразователей;
• повышение климатической стойкости и надежности;
• снижение стоимости.

Наиболее важные технологии, развитие которых позволяет решать эти задачи:

• использование новых полупроводниковых материалов:
  GaN в низковольтных применениях с высокими техническими требованиями и SiC в высоковольтных применениях;
• использование 300-мм пластин в производстве традиционных кремниевых полупроводниковых компонентов для снижения стоимости и проникновения на рынки, особенно чувствительные к цене;
• снижение стоимости пленочных конденсаторов, которые имеют значительные технические преимущества по сравнению с электролитическими;
• использование нанокристаллического железа вместо традиционных ферритов, что особенно актуально для конвертеров на транспорте и альтернативной электроэнергетики;
• цифровые системы управления преобразователями электроэнергии;
• технологии сборки и корпусирования силовых модулей.

Как смещается фокус научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в силовой электронике, показано на слайде из презентации профессора Милана Йовановича (Milan M. Jovanović), вице-президента по исследованиям и разработкам Delta Power Electronics Laboratory. Презентация состоялась на конференции IPCDC в Москве (http://old.sovel.org/20110608pr).

По нашим оценкам, основанным на исследовании 2016 года (http://www.sovel.org/marketingovye_issledovaniya/), объем российского рынка силовых полупроводниковых компонентов составил в 2015 году около 120 млн долларов. Из них примерно половина приходится на силовые интеллектуальные модули, а другая половина — на рынок силовых дискретных компонентов и сборок.

Компания Infineon после поглощения International Rectifier занимает на этом рынке около 40%. Другие крупные игроки — STMicroelectronics, Semikron, Fuji Electric, Mitsubishi Electric, IXYS — имеют рыночные доли в пределах 10%.

Достойную конкуренцию зарубежным поставщикам на рынке силовых полупроводниковых компонентов составляют российские производители «Электровыпрямитель» и «Протон электротекс». Обе компании работают преимущественно на гражданских рынках, обе успешно развивают экспортные поставки, что является хорошим подтверждением конкурентоспособности их продукции.

Объем отечественного рынка преобразователей электроэнергии (конечного оборудования силовой электроники), по нашим оценкам, в 2015 году превысил 2 млрд долларов. Доля российского оборудования здесь составляет около 30%. В основном российские компании выпускают преобразователи большой мощности для нефтегазовой промышленности, транспорта, электроэнергетики, базовых станций сотовой связи. До 2015 года конкурировать с китайской продукцией на рынке преобразователей малой мощности было очень сложно. Однако после девальвации рубля российское производство получило ценовое преимущество, и это дает толчок проектам по разработке и производству массовой продукции для рынков ЖКХ, промышленных, офисных и даже бытовых применений.