گزارش عمیق صنعت IGBT: روند توسعه فناوری IGBT

1. IGBT: دستگاه اصلی در صنعت الکترونیک قدرت

IGBT "CPU" صنعت الکترونیک قدرت نامیده می شود.

IGBT عملکرد کلی بسیار خوبی دارد، IGBT به ترانزیستور دوقطبی گیت عایق معروف است که از لوله اثر میدان گیت عایق و دو قسمت ترانزیستور دوقطبی تشکیل شده است، هر دو با امپدانس ورودی بالا ماسفت، قدرت کنترل کوچک، مدار درایو ساده، سرعت سوئیچینگ سریع و BJT روشن-وضعیت جریان زیاد است، ولتاژ کاهش اتلاف آن است. نیمه هادی یکی از اصلی ترین جهت توسعه آینده

با عملکرد عالی، IGBT طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی پایین دستی دارد

IGBT به دلیل چگالی توان بالا، مدار درایو ساده و منطقه عملیاتی ایمن گسترده، به اولین انتخاب برای تجهیزات الکترونیکی توان متوسط ​​و بالا، متوسط ​​و فرکانس پایین تبدیل شده است. در محدوده فرکانس کاری زیر 105 هرتز، IGBT های مبتنی بر سیلیکون- دستگاه های نیمه هادی قدرت ترجیحی هستند، با محدوده توان از چند کیلووات تا ده مگاوات. کاربردهای معمولی شامل کنترل صنعتی (مبدل فرکانس، جوشکاری اینورتر، منابع تغذیه بدون وقفه و غیره) است. خودروهای انرژی جدید (درایوهای الکتریکی اصلی، OBC، تهویه مطبوع، فرمان و غیره)؛ تولید انرژی جدید (اینورترهای فتوولتائیک، مبدل های توربین بادی)؛ کالاهای سفید اینورتر (IPM)؛ حمل و نقل ریلی (مبدل کششی)؛ و تولید برق (مبدل توربین بادی). ) حمل و نقل ریلی (مبدل کششی)؛ شبکه هوشمند و غیره

روند توسعه فناوری IGBT

از منظر ساختار دروازه جلو، ساختار آن تکامل از دروازه مسطح به دروازه ترانشه و جدیدترین میکرو-دروازه سنگر را تجربه کرده است، و تراشه های جریان اصلی IGBT در بازار فعلی تحت سلطه دروازه ترانشه هستند. توسعه ساختار دروازه از مسطح به ترانشه منجر به افزایش چگالی جریان، کاهش{2}}افت ولتاژ حالت، کاهش اندازه سلول و کاهش هزینه‌های ساخت می‌شود.

از منظر ساختار بدن، سه نسل از تکامل را از نوع پانچ تار (PT، پانچ از طریق) به نوع غیر{0}} پانچ از طریق (NPT، غیر{1}} پانچ از طریق) تا نوع توقف در میدان (FS، Field Stop) تجربه کرده است.

از طریق تکرار مداوم فناوری، شاخص های عملکرد تراشه IGBT به طور مداوم بهینه می شوند. از اولین تکرار Planar Punch-Through (PT) تا Gate Trench Field Stop در سال 2018، شاخص‌های فنی تراشه‌های IGBT، مانند مساحت تراشه، پهنای خط فرآیند، -افت ولتاژ حالت روشن، زمان خاموش کردن-و تلفات برق به طور مداوم بهینه شده‌اند.

2. فضا: انرژی جدید و سایر محرک های تقاضای IGBT همچنان در حال رشد است

اندازه بازار جهانی IGBT از 6.6 میلیارد دلار فراتر رفته است

اندازه بازار جهانی IGBT همچنان در حال رشد است و اکنون از 6.6 میلیارد دلار آمریکا فراتر رفته است. طبق داده‌های سازمان تحقیقاتی Omdia، اندازه بازار جهانی IGBT در نزدیک به یک دهه گذشته برای حفظ رشد پایدار، از 3.2 میلیارد دلار در سال 2012 به 6.6 میلیارد دلار در سال 2020، نرخ رشد مرکب در دوره هشت ساله{12}}در حدود 10%. در سطح جهانی، کنترل صنعتی و وسایل نقلیه انرژی جدید دو منطقه پایین دستی هستند که بیشترین نسبت تقاضای IGBT را دارند. تقاضای پایین دستی (داده های 2017)، کنترل صنعتی بزرگترین بازار تقاضا برای IGBT است، با سهم تقاضا 37٪. خودروهای انرژی نو با سهم تقاضای 28 درصد، دومین بازار بزرگ را به خود اختصاص دادند. پس از آن بازار کالاهای سفید تولید انرژی جدید و اینورتر با سهم تقاضا به ترتیب 9 و 8 درصد قرار دارند.

اندازه بازار IGBT چین تقریباً 40٪ از کل جهان را به خود اختصاص داده است و نرخ رشد سریع‌تری دارد

اندازه بازار IGBT چین به سرعت در حال رشد است و در سال 2019 از 15 میلیارد یوان فراتر رفته است. با توجه به Wisdom Research Consulting، اندازه بازار IGBT چین به سرعت در حال رشد است، از 6 میلیارد یوان در سال 2012 به 15.5 میلیارد یوان در سال 2019، با نرخ رشد مرکب حدود 15 درصد، در مقایسه با نرخ رشد اندازه بازار جهانی IGBT بالاتر است.

کنترل صنعتی: دیسک پایه تقاضای IGBT، آینده رشد ثابتی را درک خواهد کرد

IGBT جزء اصلی صنایع کنترل صنعتی و منبع تغذیه سنتی مانند اینورتر، جوشکاری اینورتر، منبع تغذیه UPS و گرمایش القایی الکترومغناطیسی است. رایج ترین مورد استفاده در زمینه اینورتر کنترل صنعتی، به عنوان مثال، اینورتر یک ولتاژ ثابت است، فرکانس ثابت به ولتاژ و فرکانس می تواند تجهیزات را تغییر دهد، که معمولاً توسط قسمت یکسو کننده، قسمت فیلتر، قسمت اینورتر، مدار ترمز، مدار درایو و مدار تشخیص و غیره است. اینورتر برای تنظیم ولتاژ و فرکانس منبع تغذیه خروجی به IGBT داخلی متکی است.

وسایل نقلیه انرژی جدید: مهم ترین بازار افزایشی برای IGBT ها

IGBTها اجزای اصلی وسایل نقلیه با انرژی جدید هستند و به طور گسترده در وسایل نقلیه انرژی جدید استفاده می شوند و تأثیر قابل توجهی بر عملکرد کل وسیله نقلیه دارند. کاربردهای اصلی IGBT در وسایل نقلیه با انرژی جدید شامل کنترل‌کننده‌های موتور،{1}شارژرهای روی برد (OBC)، سیستم‌های تهویه مطبوع خودرو، و شمع‌های شارژ DC برای وسایل نقلیه با انرژی جدید است.

تولید انرژی جدید: IGBT ها به طور گسترده در صنایع فتوولتائیک و برق بادی استفاده می شوند.

تولید برق فتوولتائیک (PV) باید از طریق یک اینورتر PV به شبکه متصل شود و IGBTها اجزای اصلی اینورترهای PV هستند. اینورتر فتوولتائیک یکی از تجهیزات کلیدی در سیستم تولید برق فتوولتائیک خورشیدی است و نقش آن تبدیل جریان مستقیم تولید شده توسط تولید برق فتوولتائیک به جریان متناوب است که الزامات کیفیت برق شبکه برق را برآورده می‌کند و IGBT جزء اصلی اینورتر فتوولتائیک است.

کالاهای سفید اینورتر: لوازم خانگی اینورتر نیز یکی از کاربردهای مهم IGBT است

نرخ نفوذ کالاهای سفید اینورتر چین در حال افزایش است. سه فروش عمده کالاهای سفید چین در سال های اخیر در 300 میلیون بالا و پایین تثبیت شده است، و با بهبود شرایط صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار، نرخ تبدیل فرکانس کالاهای سفید چین در حال افزایش است، طبق داده های آنلاین صنعت، در سال 2021، نرخ تبدیل فرکانس تهویه مطبوع، یخچال و فریزر و ماشین لباسشویی به ترتیب 68% و 34% افزایش می یابد.

حمل و نقل ریلی: IGBT دستگاه اصلی در کشش حمل و نقل ریلی است

فناوری درایو AC انتخاب اصلی و فناوری اصلی درایو کششی حمل و نقل ریلی مدرن است. اصل درایو AC: وسیله نقلیه از طریق پانتوگراف از شبکه تماس برای به دست آوردن توان ولتاژ بالا{{2} AC تک فاز، برای کاهش ولتاژ به ترانسفورماتور کششی خودرو تحویل داده می شود و سپس از طریق یکسو کننده به DC تبدیل می شود و سپس توسط اینورتر از DC به FM تبدیل می شود-ولتاژ سه{4}} AC، و در نهایت به موتورهای کششی AC تحویل داده می شود، کل فرآیند شامل تغییرات متناوب - مستقیم - متناوب است. مزایای انتقال AC: (1) کشش خوب و عملکرد ترمز. (2) ضریب قدرت بالا، تداخل هارمونیک کوچک است. (3) قدرت موتور، اندازه کوچک، وزن سبک، قابلیت اطمینان عملیاتی بالا؛ (4) عملکرد دینامیکی خوب و استفاده از چسبندگی.

3. الگوی: تمرکز بالای انحصار خارجی، جایگزینی داخلی همچنان به شتاب ادامه می دهد

صنعت IGBT موانع زیادی برای ورود دارد

از منظر ورود به صنعت، آستانه ورود صنعت IGBT بسیار بالاست. به طور کلی، موانع صنعت IGBT برای ورود در سه حوزه، به ترتیب، برای موانع فنی، موانع بازار و موانع مالی، در اینجا ما بر دو مورد اول تمرکز می کنیم.

موانع فنی: پیوندهای فناوری IGBT شامل طراحی و ساخت تراشه‌های IGBT و طراحی و ساخت ماژول است. (1) تراشه‌های IGBT باید در محیط-جریان بالا،-ولتاژ بالا و فرکانس بالا- کار کنند، قابلیت اطمینان تراشه دارای الزامات بالایی است. در عین حال، طراحی تراشه همچنین باید اطمینان حاصل کند که تعادل افت ولتاژ روشن-روشن و خاموش-مقاومت اتصال کوتاه-و روشن{{8}خاموش است. بنابراین، نیازهای تحقیق و توسعه مستقل تراشه IGBT بسیار بالا است، طراحی و تنظیم پارامتر و بهینه‌سازی بسیار خاص و پیچیده است، با تعداد زیادی از صنعت می‌دانند که چگونه تجمع دارند. (2) پیوند تولید تراشه IGBT نیز درجه سختی بالایی دارد، از یک سو، پشت خود تراشه IGBT دشوارتر است، از سوی دیگر، حالت IDM خود{12}}ظرفیت تولید نیاز به سرمایه‌گذاری بسیار زیادی دارد و حالت Fabless باید با فناوری ریخته‌گری و فرآیند عمق ادغام محقق شود. (3) ماژول، با توجه به درجه یکپارچگی بالای ماژول، و کار در جریان{15}بالا، ولتاژ بالا، دمای بالا-و سایر محیط‌های خشن، بنابراین در فرآیند طراحی و ساخت ماژول باید همزمان عایق، تداخل ولتاژ و سایر عوامل انقطاع الکترومغناطیسی در نظر گرفته شود. برای درک قابلیت اطمینان، ثبات و سازگاری محصولات ماژول IGBT نیز به تجربه طولانی در صنعت نیاز دارد.

موانع بازار: IGBT دستگاه اصلی محصولات کاربردی پایین دستی است، عملکرد محصول IGBT، قابلیت اطمینان و ثبات تأثیر مستقیمی بر عملکرد محصولات پایین دستی دارد. در نتیجه، مشتریان در هنگام وارد کردن IGBT دارای چرخه های آزمایشی طولانی مدت و هزینه های جایگزینی بالایی هستند. بنابراین، مشتریان معمولا در انتخاب IGBT محافظه کارتر و محتاط تر هستند و پس از انتخاب برای ایجاد تغییرات و جایگزینی اراده قوی نیست.

الگو: موانع بالای IGBT برای تشکیل تعداد کمی از الگوی انحصار خارجی

بازار جهانی IGBT در حال حاضر در انحصار شرکت های آلمانی، ژاپنی و آمریکایی است. با توجه به آستانه ورود بالای صنعت IGBT، و تولیدکنندگان خارجی کسب و کار را زود شروع کردند، اولین مزیت جابجایی آشکار است (اولین-نسل محصولات IGBT Infineon در سال 1988 متولد شدند)، بنابراین شکل گیری انحصار بازار IGBT توسط شرکت های آلمانی، ژاپنی و ایالات متحده در این وضعیت، پنج فروشنده برتر فعلی IGBT، با احترام میتسوبیشی، فوجی الکتریک، ON Semiconductor and Semiconductor International Corporation (SMIC). و Infineon، میتسوبیشی، فوجی الکتریک و ON نیمه هادی حالت IDM، ادغام عمودی از کل زنجیره صنعت بالادست، پایین دست، و ایجاد یک خندق قوی است.

تغییرات در الگو: پیشرفت داخلی + امنیت زنجیره تامین برای ارتقاء شتاب تعویض دنده تعویض داخلی

دلایل ذاتی برای تسریع جایگزینی داخلی: (1) IGBT به عنوان یک دوره نیمه هادی قدرت، تکرار فناوری آن کندتر است، چرخه طولانی تر است، استفاده از یک نسل از محصولات برای مدت زمان بسیار طولانی، بیش از یک دهه. و مشتریان عمدتا به دنبال ثبات و قابلیت اطمینان محصولات IGBT هستند، پیگیری فناوری های جدید زیاد نیست (Infineon در سال 2007 راه اندازی شد، نسل چهارم تراشه IGBT هنوز هم محصولات اصلی صنعت فعلی است). ). بنابراین، اگر چه تولید کنندگان داخلی IGBT دیر شروع کردند، اما صنعت زمان کافی برای توسعه و عقب نشینی تولید کنندگان IGBT محلی را ترک کرده است، تولید کنندگان فعلی IGBT داخلی پیشرفت تکنولوژیکی سریع تر دارند، در حال حاضر محصولاتی برای رفع نیازهای مشتریان پایین دستی در مقادیر زیاد وجود دارد. (2) شرکت های محلی IGBT خدمات بهتری دارند، می توانند به سرعت به نیازهای مشتریان پایین دستی پاسخ دهند و قیمت محصول مزیت خاصی نسبت به سرمایه گذاران خارجی دارد که برای کاهش هزینه ها برای مشتریان پایین دستی مساعد است.

4. کاربید سیلیکون - نسل سوم-نیمه‌هادی‌های انرژی نویدبخش

مواد کاربید سیلیکون دارای عملکرد عالی است

مواد نیمه هادی رایج، از جمله سیلیکون، ژرمانیوم و سایر نیمه هادی های عنصری، و همچنین آرسنید گالیم، کاربید سیلیکون، نیترید گالیم و سایر مواد نیمه هادی مرکب، با توجه به تحقیقات و کاربردهای بزرگ زمان-به طور متوالی، صنعت معمولاً مواد نیمه هادی به سه نسل تقسیم می شوند:

اولین نسل از مواد نیمه هادی: سیلیکون و ژرمانیوم به عنوان نماینده، کاربرد معمولی مدارهای مجتمع است. مواد نیمه هادی سیلیکونی در حال حاضر بزرگترین تولید، پرکاربردترین مواد نیمه هادی است.

نسل دوم مواد نیمه هادی: آرسنید گالیم به عنوان نماینده. تحرک الکترون آرسنید گالیم بیش از 6 برابر سیلیکون است و دستگاه‌های آن دارای-فرکانس و{3}}عملکرد نوری با سرعت بالا هستند، بنابراین به طور گسترده در زمینه الکترونیک نوری و میکروالکترونیک استفاده می‌شوند.

نسل سوم مواد نیمه رسانا: توسط کاربید سیلیکون و نیترید گالیم نشان داده شده است. در مقایسه با دو نسل اول مواد نیمه هادی، کاربید سیلیکون دارای پهنای باند ممنوعه بزرگ، قدرت میدان شکست بالا، هدایت حرارتی بالا، نرخ اشباع الکترون بالا و مقاومت در برابر تشعشع قوی و غیره است. دستگاه های نیمه هادی با قدرت بالا-در زمینه الکترونیک قدرت.

دستگاه‌های کاربید سیلیکون نیز بهتر از دستگاه‌های{0}} مبتنی بر سیلیکون عمل می‌کنند

دستگاه های قدرت کاربید سیلیکون مبتنی بر کاربید سیلیکون به دلیل خواص عالی مواد، عملکرد الکتریکی برتری دارند:

مقاومت ولتاژ-بالا:قدرت میدان شکست مواد کاربید سیلیکون ده برابر مواد مبتنی بر سیلیکون معمولی است، بنابراین مقاومت ولتاژ بالا{1} دستگاه‌های قدرت کاربید سیلیکون به طور قابل‌توجهی قوی‌تر از دستگاه‌های قدرت مبتنی بر سیلیکون- با همان مشخصات است.

مقاومت در برابر دمای بالا:از یک طرف، رسانایی حرارتی کاربید سیلیکون بیش از سه برابر مواد سیلیکون است، بنابراین توانایی اتلاف گرما بهتری دارد و دمای پایین‌تری را در شرایط قدرت یکسان حفظ می‌کند، بنابراین الزامات طراحی اتلاف حرارت دستگاه را کاهش می‌دهد، که منجر به بهبود درجه یکپارچگی و توسعه دستگاه در جهت کوچک‌سازی می‌شود. از سوی دیگر، پهنای باند ممنوعه کاربید سیلیکون بیش از سه برابر سیلیکون است و هرچه پهنای باند ممنوع بیشتر باشد، دمای عملیاتی محدودکننده دستگاه بیشتر می‌شود (دستگاه نیمه‌رسانا در دماهای بالا پدیده تحریک ذاتی حامل را ایجاد می‌کند که می‌تواند منجر به از کار افتادن دستگاه‌های محدودکننده قدرت بیشتر از دمای سیلیس شود). 600 درجه، در مقایسه با IGBTهای مبتنی بر سیلیکون- فعلی که معمولاً در 175 درجه کار می کنند.

ضرر کم:سرعت رانش الکترون اشباع کاربید سیلیکون بیش از دو برابر سیلیکون است، بنابراین دستگاه‌های کاربید سیلیکون مقاومت کمتری در برابر-مقاومت و تلفات کمتری دارند. در دستگاه‌های کاربید سیلیکون هیچ کشش جریانی وجود ندارد، و تلفات سوئیچینگ نیز کمتر از دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون است، و فرکانس سوئیچینگ بالاتر نیز قابل درک است.

صنعت کاربید سیلیکون باعث توسعه سریع خواهد شد

با استفاده از وسایل نقلیه انرژی جدید، بازار دستگاه کاربید سیلیکون به سرعت رشد خواهد کرد. با توجه به پیش بینی Yole، با بهره مندی از کاربید سیلیکون در وسایل نقلیه انرژی جدید، صنعتی و انرژی و سایر زمینه های رشد تقاضا، بازار جهانی دستگاه های کاربید سیلیکون از 1 میلیارد دلار آمریکا در سال 2021 به بیش از 6 میلیارد دلار در سال 2027 رشد خواهد کرد، نرخ رشد مرکب به 34 درصد می رسد. که بازار دستگاه کاربید سیلیکون خودرو از 685 میلیون دلار آمریکا در سال 2021 به 5 میلیارد دلار در سال 2027 رشد خواهد کرد، نرخ رشد ترکیبی تا 40 درصد. بازار دستگاه های کاربید سیلیکون خودرو از 685 میلیون دلار در سال 2021 به حدود 5 میلیارد دلار در سال 2027 با نرخ رشد ترکیبی تا 40 درصد افزایش خواهد یافت و اندازه بازار دستگاه های کاربید سیلیکون خودرو تا سال 2027 حدود 80 درصد از کل اندازه بازار دستگاه های کاربید سیلیکون را تشکیل می دهد.