1. IGBT: podstawowe urządzenie w branży energoelektroniki
IGBT nazywany jest „CPU” w branży energoelektroniki.
IGBT ma doskonałą ogólną wydajność. IGBT jest znany jako tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, który składa się z izolowanej lampy polowej z bramką i dwóch części tranzystora bipolarnego, obie z wysoką impedancją wejściową MOSFET, małą mocą sterującą, prostym obwodem napędowym, dużą szybkością przełączania i-prądem stanu włączenia BJT jest duży, napięcie przewodzenia jest zmniejszone, zalety małych strat, jest to półprzewodnik mocy jeden z główny przyszły kierunek rozwoju.
Dzięki doskonałej wydajności IGBT ma szeroką gamę dalszych zastosowań
IGBT stał się pierwszym wyborem dla sprzętu elektronicznego średniej i dużej mocy, średniej i niskiej częstotliwości ze względu na wysoką gęstość mocy, prosty obwód napędowy i szeroki bezpieczny obszar operacyjny. W zakresie częstotliwości roboczych poniżej 105 Hz preferowanymi urządzeniami półprzewodnikowymi mocy są tranzystory IGBT oparte-krzemowe, o zakresie mocy od kilku kilowatów do dziesięciu megawatów. Typowe zastosowania obejmują sterowanie przemysłowe (przetwornice częstotliwości, spawarki inwertorowe, zasilacze bezprzerwowe itp.); samochody nowej energii (główne napędy elektryczne, OBC, klimatyzacja, układ kierowniczy itp.); nowa energetyka (inwertery fotowoltaiczne, przetwornice turbin wiatrowych); sprzęt AGD z falownikiem (IPM); transport kolejowy (przetwornice trakcyjne); i wytwarzania energii (przetwornice turbin wiatrowych). ); transport kolejowy (konwerter trakcyjny); inteligentna sieć itp.
Trend rozwoju technologii IGBT
Z punktu widzenia konstrukcji bramy przedniej, jej konstrukcja przeszła ewolucję od bramy płaskiej do bramy do rowów i najnowszej bramki mikro-trench, a główne chipy IGBT na obecnym rynku są zdominowane przez bramę do rowów. Rozwój struktury bramki od płaskiej do rowowej sprzyja zwiększeniu gęstości prądu, zmniejszeniu-spadku napięcia w stanie włączenia, zmniejszeniu rozmiaru ogniwa i obniżeniu kosztów produkcji.
Z punktu widzenia struktury korpusu przeszedł trzy generacje ewolucji, od typu Punch Through (PT, Punch Through) przez typ Non-Punch Through (NPT, Non-Punch Through) do typu Field Stop (FS, Field Stop).
Dzięki ciągłemu udoskonalaniu technologii wskaźniki wydajności chipów IGBT są stale optymalizowane. Od najwcześniejszej wersji rozwiązania Planar Punch-Through (PT) po drobnorzędną bramkę Field Stop w 2018 r. wskaźniki techniczne chipów IGBT, takie jak powierzchnia chipa, szerokość linii technologicznej,-spadek napięcia w stanie włączenia,-czas wyłączenia i straty mocy, były stale optymalizowane.
2. Przestrzeń kosmiczna: zapotrzebowanie na nową energię i inne napędy IGBT stale rośnie
Wielkość globalnego rynku IGBT przekroczyła 6,6 miliarda dolarów amerykańskich
Wielkość globalnego rynku IGBT stale rośnie i przekroczyła obecnie 6,6 miliarda dolarów amerykańskich. Według danych organizacji badawczej Omdia, wielkość globalnego rynku IGBT w ciągu ostatniej niemal dekady utrzymała trwały wzrost z 3,2 miliarda dolarów w 2012 r. do 6,6 miliarda dolarów w 2020 r., co daje skumulowaną stopę wzrostu w okresie ośmiu-lat wynoszącą około 10%. W skali globalnej sterowanie przemysłowe i nowe pojazdy energetyczne to dwa dalsze obszary o największym udziale zapotrzebowania na IGBT. Popyt na rynku niższego szczebla (dane za 2017 r.) Sterowanie przemysłowe to największy rynek popytu na IGBT, z udziałem w popycie wynoszącym 37%; drugim co do wielkości rynkiem były nowe pojazdy energetyczne, z udziałem w popycie na poziomie 28%; następnie rynek nowej generacji energii elektrycznej i sprzętu AGD z inwerterami, z udziałem w popycie odpowiednio 9% i 8%.
Wielkość rynku IGBT w Chinach stanowiła prawie 40% świata i charakteryzowała się szybszym tempem wzrostu
Wielkość chińskiego rynku IGBT szybko rośnie i w 2019 roku przekroczyła 15 miliardów juanów. Według Wisdom Research Consulting wielkość chińskiego rynku IGBT szybko rośnie, z 6 miliardów juanów w 2012 r. do 15,5 miliarda juanów w 2019 r., przy skumulowanej stopie wzrostu wynoszącej około 15% w porównaniu ze stopą wzrostu światowego rynku IGBT, która jest wyższa.
Sterowanie przemysłowe: IGBT wymaga podstawowego dysku, przyszłość przyniesie stały wzrost
IGBT jest podstawowym elementem tradycyjnych gałęzi przemysłu, zajmujących się sterowaniem i zasilaniem, takich jak falowniki, spawarki inwertorowe, zasilacze UPS i nagrzewanie indukcyjne elektromagnetyczne. Najczęściej stosowany w dziedzinie przemysłowych falowników sterujących, na przykład falownik to stałe napięcie, stała częstotliwość na napięcie i częstotliwość może być zmieniana w sprzęcie, który zwykle znajduje się w części prostownika, części filtrującej, części falownika, obwodzie hamowania, obwodzie napędowym i obwodzie wykrywania itp. IGBT jest zwykle stosowany w obwodzie falownika i obwodzie hamowania w falowniku, który jest używany głównie w obwodach falownika. Falownik wykorzystuje wewnętrzny układ IGBT do regulacji napięcia i częstotliwości wyjściowego zasilacza.
Nowe pojazdy energetyczne: najważniejszy rynek przyrostowy dla IGBT
Tranzystory IGBT są głównymi komponentami pojazdów nowych energii i są szeroko stosowane w pojazdach nowych źródeł energii i mają znaczący wpływ na osiągi całego pojazdu. główne zastosowania tranzystorów IGBT w pojazdach nowych źródeł energii obejmują sterowniki silników,-ładowarki pokładowe (OBC), klimatyzatory samochodowe i stosy ładowania prądem stałym do pojazdów nowych źródeł energii.
Nowe wytwarzanie energii: IGBT są szeroko stosowane w przemyśle fotowoltaicznym i energetyce wiatrowej.
Energię fotowoltaiczną (PV) należy podłączyć do sieci za pośrednictwem falownika fotowoltaicznego, a głównymi elementami falowników fotowoltaicznych są tranzystory IGBT. Falownik fotowoltaiczny jest jednym z kluczowych urządzeń w fotowoltaicznym systemie wytwarzania energii, a jego rolą jest przekształcanie prądu stałego generowanego przez wytwarzanie energii fotowoltaicznej na prąd przemienny, który spełnia wymagania jakości energii sieci energetycznej, a IGBT jest podstawowym elementem falownika fotowoltaicznego.
Sprzęt AGD z inwerterem: sprzęt gospodarstwa domowego z inwerterem jest również ważnym zastosowaniem tranzystorów IGBT
Wskaźnik penetracji sprzętu AGD z falownikami w Chinach rośnie. Sprzedaż trzech głównych towarów AGD w Chinach w ostatnich latach ustabilizowała się na poziomie 300 mln powyżej i poniżej, a wraz z poprawą wymogów w zakresie oszczędności energii i redukcji emisji, zgodnie z branżowymi danymi internetowymi, w 2021 r. współczynnik konwersji częstotliwości sprzętu AGD w Chinach wzrośnie, a współczynnik konwersji częstotliwości klimatyzacji, lodówek i pralek wyniesie odpowiednio 68%, 34% i 46%, a przyszłość będzie jeszcze lepsza.
Transport kolejowy: IGBT jest podstawowym urządzeniem w trakcji transportu kolejowego
Technologia napędów prądu przemiennego jest głównym wyborem i podstawową technologią nowoczesnego napędu trakcyjnego transportu kolejowego. Zasada napędu prądu przemiennego: pojazd poprzez pantograf z sieci trakcyjnej uzyskuje jedno-fazowe-moc prądu przemiennego, dostarczaną do transformatora trakcyjnego pojazdu w celu obniżenia napięcia, a następnie przekształcany na prąd stały przez prostownik, a następnie przez falownik zostanie przekształcony z prądu stałego na trójfazowy prąd przemienny FM-regulowany napięciem FM-, i ostatecznie dostarczony do silników trakcyjnych prądu przemiennego, cały proces obejmuje naprzemienne - bezpośrednie - zmiany naprzemienne. Zalety przekładni AC: (1) dobra przyczepność i skuteczność hamowania; (2) wysoki współczynnik mocy, zakłócenia harmoniczne są małe; (3) moc silnika, mały rozmiar, niewielka waga, wysoka niezawodność działania; (4) dobre właściwości dynamiczne i wykorzystanie przyczepności.
3. Schemat: wysoka koncentracja monopolu zagranicznego, substytucja krajowa w dalszym ciągu przyspiesza
Branża IGBT charakteryzuje się wysokimi barierami wejścia
Z punktu widzenia wejścia do branży próg wejścia do branży IGBT jest bardzo wysoki. Ogólnie rzecz biorąc, bariery wejścia na rynek IGBT w trzech obszarach, odpowiednio, w przypadku barier technicznych, barier rynkowych i barier finansowych, tutaj skupiamy się na dwóch pierwszych.
Bariery techniczne: Powiązania technologiczne IGBT obejmują projektowanie i produkcję chipów IGBT oraz projektowanie i produkcję modułów. (1) Chipy IGBT muszą pracować w środowisku o wysokim-prądzie, wysokim-natężeniu i wysokiej-częstotliwości, a niezawodność chipa stawia wysokie wymagania; jednocześnie konstrukcja chipa powinna również zapewniać równowagę-włączania i wyłączania-, rezystancji-zwarcia i spadku napięcia podczas włączania-wyłączania. Dlatego też wymagania dotyczące badań i rozwoju niezależnych od chipów IGBT są bardzo wysokie, a projektowanie i dostosowywanie parametrów oraz optymalizacja są bardzo szczególne i złożone, akumuluje się w nich duża wiedza branżowa. (2) Łącze do produkcji chipów IGBT również charakteryzuje się wysokim stopniem trudności, z jednej strony trudniejsza jest tylna część chipa IGBT, z drugiej strony tryb IDM-samodzielnie zbudowanych zdolności produkcyjnych wymaga bardzo dużych inwestycji kapitałowych, a tryb Fabless musi zostać zrealizowany przy użyciu technologii odlewniczej i procesu głębokiej integracji. (3) Moduł, ze względu na wysoki stopień integracji modułu i pracujący w-wysokim-prądzie, wysokim-napięciem, wysokiej-temperaturze i innych trudnych warunkach, dlatego podczas projektowania modułu i procesu produkcyjnego w celu jego realizacji należy jednocześnie uwzględnić izolację, napięcie, rozpraszanie ciepła i zakłócenia elektromagnetyczne, a także wiele innych czynników. Aby zapewnić wysoką niezawodność, stabilność i spójność produktów modułów IGBT, potrzebne jest również długie doświadczenie w branży.
Bariery rynkowe: IGBT jest podstawowym urządzeniem produktów do zastosowań końcowych, wydajność, niezawodność i stabilność produktów IGBT mają bezpośredni wpływ na wydajność produktów niższego szczebla. W rezultacie klienci mają długie cykle testów weryfikacyjnych i wysokie koszty wymiany podczas importu tranzystorów IGBT. Dlatego klienci są zwykle bardziej konserwatywni i ostrożni w wyborze IGBT, a raz wybrani do wprowadzania zmian i wymiany nie są silni.
Wzór: Wysokie bariery IGBT dla powstania niewielkiej liczby zagranicznych wzorców monopoli
Światowy rynek IGBT jest obecnie zmonopolizowany przez firmy niemieckie, japońskie i amerykańskie. Ze względu na wysoki próg wejścia do branży IGBT i zagraniczni producenci, którzy rozpoczęli działalność wcześnie, przewaga pierwszego-praktyka jest oczywista (produkty IGBT pierwszej-generacji firmy Infineon powstały w 1988 r.), więc utworzenie obecnego monopolu na rynku IGBT przez firmy niemieckie, japońskie i amerykańskie, w tej sytuacji, obecna piątka największych dostawców IGBT na świecie, odpowiednio Infineon, Mitsubishi, Fuji Electric, ON Semiconductor and Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). Infineon, Mitsubishi, Fuji Electric i ON Semiconductor to tryb IDM, pionowa integracja całego łańcucha branżowego wyższego i niższego szczebla oraz ustanowienie silnej fosy.
Zmiany w schemacie: postęp krajowy + bezpieczeństwo łańcucha dostaw w celu promowania przyspieszenia zmiany biegów w ramach krajowej substytucji
Wewnętrzne przyczyny przyspieszenia substytucji krajowej: (1) IGBT jako okres półprzewodnika mocy, jego iteracja technologiczna jest wolniejsza, cykl jest dłuższy, użytkowanie generacji produktów przez bardzo długi czas, ponad dekadę; a klienci szukają głównie stabilności i niezawodności produktów IGBT, pogoń za nowymi technologiami nie jest zbyt duża (Infineon wprowadzony na rynek w 2007 r., czwarta generacja chipów IGBT jest nadal obecnymi głównymi produktami w branży). ). Dlatego też, chociaż krajowi producenci IGBT rozpoczęli działalność z opóźnieniem, ale branża pozostawiła lokalnym producentom IGBT wystarczająco dużo czasu na rozwój i nadrobienie zaległości, obecni krajowi producenci IGBT przyspieszają postęp technologiczny, istnieją już produkty zaspokajające potrzeby dalszych klientów w dużych ilościach. (2) Lokalne firmy IGBT mają lepszą obsługę, mogą szybko reagować na potrzeby klientów na niższym szczeblu łańcucha dostaw, a cena produktu ma pewną przewagę nad inwestorami zagranicznymi, co sprzyja obniżeniu kosztów przez klientów na niższym szczeblu łańcucha dostaw.
4. Obiecujące półprzewodnikowe urządzenia mocy z węglika krzemu -trzeciej-generacji
Materiał z węglika krzemu ma doskonałą wydajność
Powszechnie stosowane materiały półprzewodnikowe, w tym krzem, german i inne półprzewodniki elementarne, a także arsenek galu, węglik krzemu, azotek galu i inne złożone materiały półprzewodnikowe, zgodnie z badaniami i zastosowaniem-na dużą skalę z biegiem czasu, przemysł materiałów półprzewodnikowych dzieli się zazwyczaj na trzy generacje:
Pierwsza generacja materiałów półprzewodnikowych: przedstawiciele krzemu i germanu, typowym zastosowaniem są układy scalone. Materiały półprzewodnikowe krzemowe to obecnie największa produkcja, najpowszechniej stosowanych materiałów półprzewodnikowych.
Druga generacja materiałów półprzewodnikowych: przedstawiciel arsenku galu. Mobilność elektronów arsenku galu jest ponad 6 razy większa niż w przypadku krzemu, a jego urządzenia charakteryzują się wysoką-częstotliwością i-szybkością wydajności optoelektronicznej, dlatego są szeroko stosowane w dziedzinie optoelektroniki i mikroelektroniki.
Trzecia generacja materiałów półprzewodnikowych: reprezentowana przez węglik krzemu i azotek galu. W porównaniu z dwoma pierwszymi generacjami materiałów półprzewodnikowych, węglik krzemu ma dużą zabronioną szerokość pasma, duże natężenie pola przebicia, wysoką przewodność cieplną, wysoki stopień nasycenia elektronami i dużą odporność na promieniowanie itp. Nadaje się do stosowania w warunkach wysokiego-napięcia, wysokiej-częstotliwości i wysokiej-temperatury, a szczególnie nadaje się do produkcji urządzenia półprzewodnikowe-dużej mocy w dziedzinie energoelektroniki.
Urządzenia z węglika krzemu również przewyższają urządzenia na bazie krzemu-
Urządzenia energetyczne z węglika krzemu na bazie węglika krzemu charakteryzują się doskonałymi parametrami elektrycznymi ze względu na doskonałe właściwości materiału:
Wysoka-odporność na napięcie:Natężenie pola przebicia materiałów z węglika krzemu jest dziesięciokrotnie większe niż w przypadku konwencjonalnych materiałów-na bazie krzemu, więc odporność na wysokie-napięcie urządzeń zasilających z węglika krzemu jest znacznie większa niż w przypadku urządzeń zasilających na bazie węglika krzemu-o tej samej specyfikacji;
Odporność na wysoką temperaturę:z jednej strony przewodność cieplna węglika krzemu jest ponad trzykrotnie większa niż w przypadku materiału krzemowego, dzięki czemu ma on lepszą zdolność odprowadzania ciepła i utrzymuje niższą temperaturę przy tych samych warunkach zasilania, zmniejszając w ten sposób wymagania dotyczące projektowania rozpraszania ciepła w urządzeniu, co sprzyja poprawie stopnia integracji i sprawia, że urządzenie rozwija się w kierunku miniaturyzacji. Z drugiej strony, zabronione pasmo węglika krzemu jest ponad trzykrotnie większe niż w przypadku krzemu, a im szersze jest zabronione pasmo, tym wyższa jest graniczna temperatura pracy urządzenia (urządzenie półprzewodnikowe będzie generować zjawisko wewnętrznego wzbudzenia nośnika w wysokich temperaturach, co spowoduje awarię urządzenia), dlatego też graniczna temperatura pracy urządzeń mocy z węglika krzemu może osiągnąć ponad 600 stopni, w porównaniu z obecnymi tranzystorami IGBT-opartymi na krzemie, które zazwyczaj działają w temperaturze 175 stopni.
Niska strata:Prędkość dryfu elektronów w nasyceniu węglika krzemu jest ponad dwukrotnie większa niż w przypadku krzemu, dlatego urządzenia z węglika krzemu mają niższą-oporność i mniejsze-straty; w urządzeniach z węglika krzemu nie ma oporu prądu, a straty przełączania są również niższe niż w urządzeniach opartych na krzemie-, można także uzyskać wyższą częstotliwość przełączania.
Przemysł węglika krzemu zapoczątkuje szybki rozwój
Dzięki zastosowaniu nowych pojazdów energetycznych rynek urządzeń z węglika krzemu będzie szybko rósł. Według prognozy Yole, dzięki wykorzystaniu węglika krzemu w nowych pojazdach energetycznych, przemyśle, energetyce i innych obszarach wzrostu popytu, światowy rynek urządzeń z węglika krzemu wzrośnie z 1 miliarda dolarów w 2021 r. do ponad 6 miliardów dolarów w 2027 r., złożona stopa wzrostu wyniesie aż 34%; z czego rynek samochodowych urządzeń z węglika krzemu wzrośnie z 685 milionów dolarów w 2021 r. do 5 miliardów dolarów w 2027 r., co daje skumulowaną stopę wzrostu do 40%. Rynek samochodowych urządzeń z węglika krzemu wzrośnie z 685 mln dolarów w 2021 r. do około 5 miliardów dolarów w 2027 r., przy łącznej stopie wzrostu do 40%, a wielkość rynku samochodowych urządzeń z węglika krzemu będzie stanowić około 80% całkowitej wielkości rynku urządzeń z węglika krzemu do 2027 r.