1. IGBT: dispozitivul de bază în industria electronică de putere
IGBT este numit „CPU” al industriei electronice de putere.
IGBT are o performanță generală excelentă, IGBT este cunoscut sub numele de tranzistor bipolar cu poartă izolată, care constă dintr-un tub izolat cu efect de câmp și un tranzistor bipolar două părți, ambele cu impedanță mare de intrare MOSFET, putere de control mică, circuitul de comandă este simplu, viteza de comutare rapidă și curentul de stare BJT este mare, tensiunea de conducere este redusă, avantajul pierderii de putere este redusă, semiconductor una dintre principalele direcții viitoare de dezvoltare.
Cu performanțe excelente, IGBT are o gamă largă de aplicații în aval
IGBT a devenit prima alegere pentru echipamente electronice de putere medie și mare, frecvență medie și joasă, datorită densității sale mari de putere, circuitului de acționare simplu și zonei de operare sigure largi. În intervalul de frecvență de operare sub 105 Hz, IGBT-urile pe baza de siliciu sunt dispozitivele semiconductoare de putere preferate, cu o gamă de putere de la câțiva kilowați până la zece megawați. Aplicațiile tipice includ controlul industrial (convertoare de frecvență, sudoare cu invertor, surse de alimentare neîntreruptibile etc.); autovehicule cu energie nouă (motoare electrice principale, OBC-uri, aer condiționat, direcție etc.); generare de energie nouă (invertoare fotovoltaice, convertoare turbine eoliene); produse albe cu invertor (IPM); transport feroviar (convertoare de tracțiune); și generarea de energie (convertoare pentru turbine eoliene). ); transport feroviar (convertor de tracțiune); rețea inteligentă etc.
Tendință de dezvoltare a tehnologiei IGBT
Din perspectiva structurii porții din față, structura sa a cunoscut evoluția de la poarta plană la poarta de șanț și cea mai recentă poartă de micro-tranșeu, iar cipurile IGBT de pe piața actuală sunt dominate de poarta de șanț. Dezvoltarea structurii porții de la plană la șanț este favorabilă creșterii densității curentului, reducând-căderea de tensiune în stare, micșorând dimensiunea celulei și reducând costul de producție.
Din perspectiva structurii caroseriei, a cunoscut trei generații de evoluție de la tipul Punch Through (PT, Punch Through) la tipul Non-Punch Through (NPT, Non-Punch Through) la tipul Field Stop (FS, Field Stop).
Prin iterația continuă a tehnologiei, indicatorii de performanță a cipului IGBT sunt optimizați în mod constant. De la cea mai veche iterație a Planar Punch-Through (PT) până la poarta de șanț fin Field Stop din 2018, indicii tehnici ai cipurilor IGBT, cum ar fi suprafața cipului, lățimea liniei de proces, scăderea de tensiune-de stare, timpul de oprire-și pierderea de putere, au fost optimizați continuu.
2. Spațiu: cererea de energie nouă și alte tipuri de IGBT continuă să crească
Dimensiunea pieței globale IGBT a depășit 6,6 miliarde de dolari SUA
Dimensiunea pieței globale IGBT continuă să crească, a depășit acum 6,6 miliarde de dolari SUA. Conform datelor organizației de cercetare Omdia, dimensiunea pieței globale IGBT în ultimul deceniu pentru a menține o creștere susținută, de la 3,2 miliarde de dolari SUA în 2012 la 6,6 miliarde de dolari SUA în 2020, rata de creștere compusă din perioada de opt-de aproximativ 10%. La nivel global, controlul industrial și vehiculele cu energie nouă sunt cele două zone din aval cu cea mai mare proporție a cererii IGBT. Cererea în aval (date 2017), controlul industrial este cea mai mare piață a cererii pentru IGBT, cu o cotă de cerere de 37%; vehiculele cu energie nouă s-au clasat pe a doua cea mai mare piață, cu o cotă de cerere de 28%; urmată de producția de energie nouă și piața de electrocasnice cu invertor, cu o cotă a cererii de 9% și, respectiv, 8%.
Dimensiunea pieței IGBT din China a reprezentat aproape 40% din lume și o rată de creștere mai rapidă
Dimensiunea pieței IGBT din China crește rapid, iar în 2019 a depășit 15 miliarde de yuani. Potrivit Wisdom Research Consulting, dimensiunea pieței IGBT din China crește rapid, de la 6 miliarde de yuani în 2012 la 15,5 miliarde de yuani în 2019, cu o rată de creștere compusă de aproximativ 15%, în comparație cu rata de creștere a pieței globale IGBT este mai mare.
Control industrial: IGBT cerere disc de bază, viitorul va realiza o creștere constantă
IGBT este componenta de bază a industriilor tradiționale de control industrial și alimentare, cum ar fi invertorul, sudorul cu invertor, sursa de alimentare UPS și încălzirea prin inducție electromagnetică. Cel mai frecvent utilizat în domeniul invertorului de control industrial, de exemplu, invertorul este o tensiune fixă, frecvența fixă în tensiune și frecvența poate fi schimbată echipamentul, care este de obicei de partea redresorului, partea de filtrare, partea invertorului, circuitul de frânare, circuitul de acționare și circuitul de detectare, etc. Invertorul se bazează pe IGBT intern pentru a regla tensiunea și frecvența sursei de ieșire.
Vehicule cu energie noi: cea mai importantă piață incrementală pentru IGBT
IGBT-urile sunt componentele de bază ale vehiculelor cu energie nouă și sunt utilizate pe scară largă în vehiculele cu energie nouă și au un impact semnificativ asupra performanței întregului vehicul. Principalele aplicații ale IGBT-urilor în vehiculele cu energie nouă includ controlere de motoare, încărcătoare de bord (OBC), aparate de aer condiționat pentru mașini și pile de încărcare DC pentru vehicule cu energie nouă.
Nouă generare de energie electrică: IGBT-urile sunt utilizate pe scară largă în industria fotovoltaică și eoliană.
Generarea de energie fotovoltaică (PV) trebuie conectată la rețea printr-un invertor fotovoltaic, iar IGBT-urile sunt componentele de bază ale invertoarelor fotovoltaice. Invertorul fotovoltaic este unul dintre echipamentele cheie în sistemul de generare a energiei solare fotovoltaice, iar rolul său este de a converti curentul continuu generat de generarea de energie fotovoltaică în curent alternativ care îndeplinește cerințele de calitate a puterii rețelei electrice, iar IGBT este componenta de bază a invertorului fotovoltaic.
Produse albe cu invertor: aparatele electrocasnice cu invertor sunt, de asemenea, o aplicație importantă a IGBT-urilor
Rata de penetrare a bunurilor albe a invertorului din China este în creștere. Cele trei vânzări majore de produse albe ale Chinei în ultimii ani s-au stabilizat la 300 de milioane peste și mai jos, iar odată cu îmbunătățirea cerințelor de economisire a energiei și de reducere a emisiilor, rata de conversie a frecvenței produselor albe din China este în creștere, conform datelor online ale industriei, în 2021, rata de conversie a frecvenței aerului condiționat, frigiderelor și mașinilor de spălat va fi îmbunătățită în viitor cu 68%, 34% și, respectiv, 46%.
Transport feroviar: IGBT este dispozitivul de bază în tracțiunea transportului feroviar
Tehnologia de antrenare AC este alegerea principală și tehnologia de bază a sistemului de tracțiune modern de tranzit pe calea ferată. Principiul de antrenare AC: vehiculul prin pantograf din rețeaua de contact pentru a obține o putere monofazată de înaltă tensiune AC, livrat la transformatorul de tracțiune al vehiculului pentru reducerea tensiunii și apoi convertit în DC prin redresor, iar apoi de către invertor va fi convertit de la DC la FM-AC trifazat reglat cu tensiune, și livrat în cele din urmă la motoarele de tracțiune de curent alternativ, întregul proces conține modificări alternative alternative - directe -. Avantajele transmisiei AC: (1) performanță bună de tracțiune și frânare; (2) factor de putere mare, interferența armonică este mică; (3) puterea motorului, dimensiuni mici, greutate redusă, fiabilitate operațională ridicată; (4) performanță dinamică bună și utilizare a aderenței.
3. Model: concentrație mare de monopol străin, substituția internă continuă să se accelereze
Industria IGBT are bariere mari la intrare
Din perspectiva intrării în industrie, pragul de intrare al industriei IGBT este foarte mare. În general, barierele din industria IGBT la intrare în trei domenii, respectiv, pentru barierele tehnice, barierele de piață și barierele financiare, aici ne concentrăm pe primele două.
Bariere tehnice: legăturile tehnologice IGBT includ proiectarea și fabricarea cipurilor IGBT și proiectarea și fabricarea modulelor. (1) Cipurile IGBT trebuie să funcționeze în mediu de-curenți înalți, de-tensiune și de înaltă-frecvență, fiabilitatea cipului are cerințe ridicate; în același timp, designul cipului ar trebui să asigure, de asemenea, că pornirea și oprirea-, rezistența la scurt-circuit și pornirea-oprirea echilibrului căderii de tensiune. Prin urmare, cerințele de cercetare și dezvoltare independente de cip IGBT sunt foarte mari, proiectarea și ajustarea și optimizarea parametrilor sunt foarte speciale și complexe, cu o mulțime de acumulare de know how din industrie. (2) Legătura de producție a cipului IGBT are, de asemenea, un grad ridicat de dificultate, pe de o parte, partea din spate a cipului IGBT în sine este mai dificilă, pe de altă parte, modul IDM de capacitate de producție auto-construită necesită o investiție de capital foarte mare, iar modul Fabless trebuie realizat cu tehnologia de turnătorie și procesul de profunzime de integrare. (3) Modulul, datorită gradului ridicat de integrare a modulului, și funcționează în -curent ridicat, tensiune-înaltă, temperatură înaltă-și alte medii dure, astfel încât în proiectarea modulului și procesul de fabricație pentru a realiza modulul trebuie luate în considerare în același timp izolația, tensiunea, disiparea căldurii și interferența electromagnetică și mulți alți factori. Pentru a realiza fiabilitatea ridicată, stabilitatea și consistența produselor cu module IGBT au nevoie, de asemenea, de o experiență îndelungată în industrie.
Bariere pe piață: IGBT este dispozitivul de bază al produselor de aplicație din aval, performanța produsului IGBT, fiabilitatea și stabilitatea au un impact direct asupra performanței produselor din aval. Ca rezultat, clienții au cicluri lungi de testare de verificare și costuri mari de înlocuire atunci când importă IGBT-uri. Prin urmare, clienții sunt de obicei mai conservatori și precauți în selectarea IGBT, iar odată selectați pentru a face modificări și înlocuirea voinței nu sunt puternice.
Model: IGBT bariere mari în calea formării unui număr mic de model de monopol străin
Piața globală IGBT este în prezent monopolizată de companii germane, japoneze și americane. Datorită pragului ridicat de intrare al industriei IGBT și producătorilor străini ai afacerii au început devreme, avantajul primului-de mutare este evident (produsele IGBT de prima-generație ale Infineon s-au născut în 1988), astfel încât formarea monopolului actual de piață IGBT de către companiile germane, japoneze și americane în situație, cei mai buni cinci furnizori actuali, respectiv IGBT la nivel mondial Mitsubishi, Fuji Electric, ON Semiconductor și Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). Și Infineon, Mitsubishi, Fuji Electric și ON Semiconductor sunt modul IDM, integrarea verticală a întregului lanț industrial de amonte, aval și a stabilit un șanț puternic.
Schimbări ale modelului: progresul intern + securitatea lanțului de aprovizionare pentru a promova accelerarea schimbătorului de viteze de substituție internă
Motive intrinseci pentru accelerarea substituției interne: (1) IGBT ca perioadă de semiconductor de putere, iterația sa de tehnologie este mai lentă, ciclul este mai lung, utilizarea unei generații de produse pentru o perioadă foarte lungă de timp, mai mult de un deceniu; iar clienții caută în principal stabilitatea și fiabilitatea produselor IGBT, urmărirea noilor tehnologii nu este mare (Infineon a lansat în 2007, a patra generație a cipului IGBT este încă principalele produse ale industriei actuale). ). Prin urmare, deși producătorii autohtoni de IGBT au început târziu, dar industria a lăsat producătorilor locali de IGBT suficient timp pentru a se dezvolta și a prinde din urmă, actualii producători autohtoni de IGBT progres tehnologic mai rapid, există deja produse pentru a satisface nevoile clienților din aval în cantități mari. (2) Companiile locale IGBT au servicii mai bune, pot răspunde rapid nevoilor clienților din aval, iar prețul produsului are un anumit avantaj față de investitorii străini, ceea ce este favorabil pentru clienții din aval să reducă costurile.
4. Dispozitive de putere cu semiconductori de - generația a treia-promițătoare cu carbură de siliciu
Materialul din carbură de siliciu are performanțe superioare
Materiale semiconductoare comune, inclusiv siliciu, germaniu și alți semiconductori elementari, precum și arseniura de galiu, carbură de siliciu, nitrură de galiu și alte materiale semiconductoare compuse, conform cercetării și aplicării la scară largă-a timpului succesiv, industria este de obicei materiale semiconductoare sunt împărțite în trei generații:
Prima generație de materiale semiconductoare: siliciu și germaniu ca reprezentant, aplicația tipică este circuitele integrate. Materiale semiconductoare de siliciu este în prezent cea mai mare producție, cele mai utilizate materiale semiconductoare.
A doua generație de materiale semiconductoare: arseniura de galiu ca reprezentant. Mobilitatea electronilor cu arseniură de galiu este de peste 6 ori mai mare decât cea a siliciului, iar dispozitivele sale au performanțe optoelectronice de înaltă-frecvență și-viteză mare, așa că sunt utilizate pe scară largă în domeniul optoelectronică și microelectronică.
A treia generație de materiale semiconductoare: reprezentată de carbură de siliciu și nitrură de galiu. În comparație cu primele două generații de materiale semiconductoare, carbura de siliciu are o lățime de bandă interzisă mare, intensitate mare a câmpului de defalcare, conductivitate termică ridicată, rată mare de saturație a electronilor și rezistență puternică la radiații etc. Este potrivită pentru tensiune înaltă, frecvență înaltă și temperatură înaltă și este potrivită pentru scenarii deosebit de adecvate. dispozitive semiconductoare de mare-putere în domeniul electronicii de putere.
Dispozitivele cu carbură de siliciu depășesc, de asemenea, dispozitivele bazate{0}}siliciu
Dispozitivele de putere cu carbură de siliciu bazate pe carbură de siliciu au performanțe electrice superioare datorită proprietăților excelente ale materialului:
Rezistență la-tensiune ridicată:Intensitatea câmpului de rupere a materialelor cu carbură de siliciu este de zece ori mai mare decât a materialelor convenționale pe bază de siliciu-, astfel încât rezistența la tensiune înaltă-a dispozitivelor de alimentare cu carbură de siliciu este semnificativ mai puternică decât cea a dispozitivelor de putere pe bază de siliciu-cu aceeași specificație;
Rezistență la temperaturi ridicate:pe de o parte, conductivitatea termică a carburii de siliciu este de peste trei ori mai mare decât cea a materialului de siliciu, astfel încât are o capacitate mai bună de disipare a căldurii și menține o temperatură mai scăzută în aceeași condiție de putere, reducând astfel cerințele de proiectare a disipării căldurii a dispozitivului, ceea ce conduce la îmbunătățirea gradului de integrare și la dezvoltarea dispozitivului în direcția miniaturizării. Pe de altă parte, lățimea de bandă interzisă a carburii de siliciu este mai mare de trei ori mai mare decât a siliciului, iar cu cât lățimea de bandă interzisă este mai mare, cu atât este mai mare temperatura limită de funcționare a dispozitivului (dispozitivul semiconductor va genera un fenomen de excitație intrinsecă a purtătorului la temperaturi ridicate, ceea ce va duce la defectarea dispozitivului), prin urmare, temperatura limită de funcționare a dispozitivelor cu carbură de siliciu poate ajunge la grade mai mari decât 6,00. în comparație cu actualele IGBT-pe bază de siliciu care funcționează în general la 175 de grade .
Pierdere redusă:Viteza de deplasare a electronilor de saturație cu carbură de siliciu este mai mult de două ori mai mare decât cea a siliciului, astfel încât dispozitivele cu carbură de siliciu au o-rezistență mai mică și o-pierdere redusă; nu există nicio frecvență curentă în dispozitivele cu carbură de siliciu, iar pierderea de comutare este, de asemenea, mai mică decât cea a dispozitivelor bazate pe siliciu-și poate fi realizată și o frecvență de comutare mai mare.
Industria carburii de siliciu va introduce o dezvoltare rapidă
Impulsat de aplicarea vehiculelor cu energie noi, piața dispozitivelor cu carbură de siliciu va crește rapid. Conform prognozei lui Yole, beneficiind de carbura de siliciu în vehiculele cu energie nouă, industria și energia și alte domenii de creștere a cererii, piața globală a dispozitivelor cu carbură de siliciu va crește de la 1 miliard de dolari SUA în 2021 la peste 6 miliarde de dolari SUA în 2027, rata de creștere compusă va fi de până la 34%; dintre care piața de dispozitive din carbură de siliciu pentru automobile va crește de la 685 de milioane de dolari SUA în 2021 la 5 miliarde de dolari SUA în 2027, o rată de creștere compusă de până la 40%. Piața dispozitivelor cu carbură de siliciu pentru automobile va crește de la 685 milioane USD în 2021 la aproximativ 5 miliarde USD în 2027, cu o rată de creștere compusă de până la 40%, iar dimensiunea pieței dispozitivelor cu carbură de siliciu pentru automobile va reprezenta aproximativ 80% din dimensiunea totală a pieței dispozitivelor cu carbură de siliciu până în 2027.