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进博会上的东芝:功率半导体的技术差异化与合作新局

东芝2023年私有化之前,我们就在持续关注这家公司的半导体业务——此前基于其业务类型划分,东芝的半导体产品位列其电子器件与存储解决方案(Electronic Devices & Storage Solutions)。截止FY23 Q2,这项业务的净销售额占到整个集团营收的大约1/4。

再往后我们对东芝半导体业务的发展情况就不甚了然了——不过从东芝现在仍公开的财务概况来看,FY2024(2025年5月15日)的销售额、营业利润、净利润相比FY2023都实现了可观的增长。在前不久进博会的采访中,东芝(中国)副总裁仲秋表示现阶段东芝在中国的业务以半导体为主,且“半导体也是我们目前看到最大的市场机遇之一”。

 

从进博会东芝展位的半导体板块来看,东芝目前着眼的应用市场,重点依旧在于汽车、工业设备,以及消费设备上。东芝电子元件(上海)有限公司分立器件技术部1部副总监屈兴国在采访中说,在半导体方向上,东芝关注重点包括新能源——涵盖新能源发电、新能源汽车,以及工业应用,这也是中国市场当前看重的发展方向。

借着本次进博会的展示,我们也有机会大致窥见现如今东芝半导体的发展重心,及其在中国市场的发展现状与思路。

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功率半导体看点:“差异化”是关键词

从东芝官网列出的半导体产品类型来看,东芝的分立器件产品现在仍然有功率器件、隔离器件、小信号器件等品类。本次进博会上,就分立器件产品,东芝展示的重点仍旧是IEGT和SiC MOSFET。

关注东芝的读者对于IEGT这个名字应该不会陌生,2022年的历史文章里,我们就提过IEGT是东芝的IGBT改良型器件,东芝采用基于“栅极注入增强”的技术,注册了专用产品名称IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor), 即:栅极注入增强型晶体管。屈兴国表示,IEGT是现如今功率最大的单颗半导体器件之一。

经过技术迭代,今年展示的产品之中“单颗器件的规格做到了6500V 2000A”。“在此之前,我们的IEGT最高能做到4500V耐压,现在东芝的最大功率器件就已经来到了6500V”。屈兴国介绍说,这些年IEGT始终在朝着高电压、大电流的方向走。

在耐高压方向上,“过去3300V, 4500V是主力产品,目前开发的已经做到了6500V。”“耐压越高,整个方案所需串联的器件单机用量就越少。”屈兴国举例说,“比如在海上风电应用之中,海上平台要将交流电逆变为直流电,里面所需的换流阀。比如原本需要100个,(有了更耐高压的器件)现在就只需要60个,这样换流阀的体积、重量都大幅降低。”“海上平台的成本非常高,提高空间利用率、降低重量,对于成本节约都非常有利。”

大电流方向亦如是,“现有IEGT产品从1500A,做到2200A、3000A,现在东芝正在开发5000A的产品。以前需要两颗、三颗并联,现在就只需要一颗,就能达到相同的通流能力。如此一来也让设备体积得以缩小。”经过器件结构及技术上的演进,进一步实现高电压、大电流的支持。

具体到应用,前两年的采访中,东芝就提过IEGT能够用到整个能源链,包括发电、输配电、用电,“现在在中国国内应用最多的是柔性输配电”。

SiC MOSFET单管与模块产品

SiC MOSFET(碳化硅MOSFET)产品方向上,除了单管产品,东芝这次也展示了最高3300V规格的SiC模块。“1200V, 1700V,2200V的模块也都有。”演示的系统方案中,有个“用单管去做大概3000W的逆变器”,也作为“设计参考方案提供给客户”。据说东芝的SiC模块产品很早就已经应用到了日本的牵引、轨道交通市场,尔后东芝就开始推单管产品。

屈兴国表示,东芝的SiC产品相较国内的竞争对手“走技术差异化路线”:“我们的SiC MOS管里面集成了SBD(肖特基势垒二极管)。”“一般常规的SiC MOS用本体二极管——也就是自带的PN结。在它导通时,上下两边的压降(正向导通时的电压降)会达到3-5V。”“而在SiC MOS上集成SBD,这个值可以控制在1.5V左右,损耗更小。”

“而且对本体二极管而言,如果长期有电流流过,对主体MOS管是会造成影响的,导通电阻值会漂移。”集成SBD可令MOSFET主体特性保持稳定,长期可靠性更好,“而且RDS(on)能做得更稳定。”

东芝的6寸SiC晶圆

在面向不同的应用市场时,东芝也基于可靠性来应用对应的功率器件产品。比如屈兴国再度提到海上风电对可靠性要求极高,无论是特殊工况、不可维修性,还是为期可长达20年的长期工作需求。“我们对于硅基IGBT/IEGT或者MOSFET,在工艺、材料各方面都有着更长时间的经验积累,可靠性自然也更高。”

而相对的SiC、GaN等新型器件具备更出色的性能和效率,“SiC的优势在于效率更高,体积更小、频率更高。比如用在新能源车上,能够把控制器做得更小,减轻整车重量,提高续航里程。”

 

属于东芝的本地策略:合作、参考设计

今年的PCIM Asia活动上,东芝携手基本半导体亮相展会,主要展示双方合作的产品与解决方案。两家合作的一个方向,就在于通过联合研发:东芝提供芯片裸die,基本半导体将其实现为功率模块产品。这实际上也是东芝现如今在中国国内推广产品的一种方式:为合作伙伴提供芯片。

“东芝与国内的半导体厂商合作,即便双方也做同类型的器件产品,却也能实现技术与产品的互补,达成共赢。”“东芝的芯片产品具备高可靠性、高性能的特点,国内的厂商可以用东芝的芯片去实现市场的差异化。”这在我们看来属于东芝的国产化路线,“原本的竞争对手,也能一起做市场。”

“更多原本是竞争对手的同行,现在也可以是东芝的合作伙伴。”屈兴国预期这个方向的业务量未来会越来越大。据说在这套模式下,东芝面向合作伙伴提供裸die,合作伙伴完成封装并做成模块产品;在此过程中,东芝甚至提供模块参考方案,客户可基于此做评估和参考。

“国内的合作伙伴在产品落地方面比我们强,而且客户群也更广泛。”通过这样的合作,满足市场需求,就能实现效率的最大化。虽然现在没有任何消息显示东芝有在中国做供应链本土化的规划,但显然这可以认为是东芝在半导体领域,在中国扩大收益最便利和直接的方式。“当然我们本身也会加强FAE、本土技术支持等方面的工作。”

东芝面向汽车的主驱变流器芯片产品家族,包括未来规划…

面向汽车的HPD、SSC、DSC产品展示…

如此一来,从芯片到系统级解决方案相关的业务上,东芝也就均有涉足。有关系统级解决方案,东芝在进博会上特别展示了“半导体参考设计中心”。东芝在介绍中说,该中心以虚拟平台的形式运营,面向工业设备制造商、汽车相关企业、能源与基础设施领域的系统集成商、物联网设备开发企业等,以线上的方式为客户提供设计支持和技术信息服务。

这个虚拟中心提供产品选型支持、系统设计模板,另外还有技术咨询与定制支持、评估与验证支持。简单来说,就是面向不同的应用提供参考设计,是一套完整的解决方案、设计模板,也可以根据客户需求来定制设计。值得一提的是,设计模板涵盖了电路图、PCB布局、软件驱动等完整的设计资料,甚至还提供应用笔记、设计指南等更详尽的资料。

半导体参考设计中心的一部分参考设计展示,比如其中有可应用于AI服务器、工业品等领域的SiC高效电源解决方案(左下);还有三相电源模块等…

“客户如果对某个设计感兴趣,也可以联系我们的工程师,乃至去做定制。”展位现场展示了不同的参考设计方案,例如家电用到的风机——“除了东芝的器件之外,也会有其他的周边器件,包括中国国产半导体企业的产品...”如此一来,不仅“让客户快速了解东芝器件及其构成的方案”、“便于上手”、“让东芝更靠近客户”,而且“基于参考设计做功能测试”也省去了客户搭建平台的麻烦,“电磁兼容、散热、安全等方面都少走弯路”,提升了效率。

屈兴国告诉我们,东芝很早以前就为客户提供参考设计,只不过现在将其系统化以后“完善成了虚拟平台”,并在进博会上“秀出来”。与此同时,东芝虽然只是半导体企业,但“必须站在市场角度去做产品开发”,“要了解客户需要什么”。故而东芝依托日本的应用工程师团队来打造这些参考设计。

展会上展示的部分参考设计,大部分围绕工业、汽车、家电,具体到电源、电机控制等,比如前文提到的基于SiC MOSFET的逆变器应用也在其中。“我们并不是在卖方案,这些方案是免费给到客户的。”现阶段东芝似乎也还没有将参考设计及系统方案直接转为营收的打算。只不过我们认为,这无疑会带动东芝芯片与器件产品的销售。

东芝方面表示,“我们也将持续强化参考设计中心的功能,为客户提供更高附加值的技术服务。”

 

市场结构性复苏“,看好未来

实际上,东芝在进博会上的展示远不仅有半导体,及本文格外关注的IGBT/IEGT、SiC MOSFET,同样出展的还有像是过去两届进博会均有亮相的绿色能源解决方案——如钛酸锂电池(LTO)、智能配电解决方案、CCS/CCUS等,其中的不少技术与产品过去两年都完成了在中国的应用扩展与深化。(比如仲秋提到钛酸锂电池在轨道交通的应急电源、港口起重机等方向上都得到了应用,目前还在尝试开拓火力发电调频、矿山卡车等应用场景)

总的来看,“我们的绿色解决方案能够有效提高系统效率”,比如他举例东芝水电设备(杭州)有限公司所用的一套方案,达成了充分的节能…乃至东芝还有利用AI技术来预测发电的技术方案…此类以双碳为目标的方案通过“降低能源消耗成本”获得了不少新的市场机会。

医疗方向上,东芝首次展示了AI疾病风险预测技术——能够基于体检数据来预测未来生活习惯病风险、给出健康建议;及仲秋在采访中特别提及的重离子放疗系统——“正尝试引入中国,为国内的癌症患者治疗提供先进的技术服务”,“这也是我们看到的一大机遇”。

有这些机会点及市场的开拓,也就不难想见私有化之后的东芝在2024财年交出的成绩单显著优于以往。把眼光放回到半导体市场,东芝在总结半导体、功率器件产品上的市场优势时提到,“东芝不仅在日本本土,在亚洲、欧美市场也有广泛布局,尤其在中国市场,在工业设备、可再生能源、轨道交通、电动汽车等领域具有较强的市场覆盖能力”;

尤以IEGT、SiC MOSFET为代表,“在中国,东芝已与多家主要企业展开合作,推动 IEGT 与 SiC MOSFET 产品的落地应用,并建立了本地化的产品阵容与技术支持体系,以满足客户的多样化需求。”

屈兴国在采访最后也提到,半导体市场正走向复苏,即便家电、消费电子等领域略有滞后,但应用方向上仍能看到AI、数据中心等亮点。所以“东芝认为当前市场处于‘结构性复苏阶段’”,即虽然并非所有细分领域都同步回暖,东芝也赞同“半导体行业已进入复苏阶段”,未来是可期的。

 

更多展会现场的展示:

面向汽车的光耦、MOSFET产品展示…

东芝用于EPS的解决方案,TB9083FTG助力转向驱动能够让方向盘控制变得更轻巧,“未来所做的技术储备之一”;

自上至下,分别是东芝在车载以太网、电子水泵、车灯应用展示;其中车载以太网(上)的展示为主机通过以太网将音频数据传输到两块接收板上,东芝在其中提供PCIe转以太网桥接方案以及以太网音频传输方案;电子水泵(中)演示,作为汽车热管理方案的一部分,“用到了东芝的SmartMCD 集成芯片及低压MOSFET的全套解决方案;车灯(下)演示主体部分是东芝的DrMOS管…

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