1. IGBT: o dispositivo central na indústria de eletrônica de potência
O IGBT é chamado de “CPU” da indústria de eletrônica de potência.
IGBT tem excelente desempenho geral, IGBT é conhecido como transistor bipolar de porta isolada, que consiste em tubo de efeito de campo de porta isolada e transistor bipolar de duas partes, ambos com alta impedância de entrada MOSFET, pequena potência de controle, circuito de acionamento é simples, velocidade de comutação rápida e BJT em - corrente de estado é grande, a tensão de condução é reduzida, as vantagens de baixa perda, é a potência semicondutores uma das principais direções futuras de desenvolvimento.
Com excelente desempenho, o IGBT possui uma ampla gama de aplicações downstream
O IGBT se tornou a primeira escolha para equipamentos eletrônicos de potência de média e alta potência, média e baixa frequência em virtude de sua alta densidade de potência, circuito de acionamento simples e ampla área operacional segura. Na faixa de frequência operacional abaixo de 105 Hz, os IGBTs baseados em silício são os dispositivos semicondutores de potência preferidos, com uma faixa de potência de alguns quilowatts a dez megawatts. As aplicações típicas incluem controle industrial (conversores de frequência, soldadores inversores, fontes de alimentação ininterruptas, etc.); automóveis de novas energias (acionamentos elétricos principais, OBCs, ar condicionado, direção, etc.); geração de energia nova (inversores fotovoltaicos, conversores de turbinas eólicas); linha branca inversora (IPM); transporte ferroviário (conversores de tração); e geração de energia (conversores de turbinas eólicas). ); transporte ferroviário (conversor de tração); rede inteligente, etc.
Tendência de desenvolvimento da tecnologia IGBT
Do ponto de vista da estrutura do portão frontal, sua estrutura experimentou a evolução do portão planar para o portão de trincheira e o mais recente portão de micro-trincheira, e os principais chips IGBT no mercado atual são dominados pelo portão de trincheira. O desenvolvimento da estrutura da porta do plano à trincheira conduz ao aumento da densidade de corrente, reduzindo a queda de tensão no-estado, diminuindo o tamanho da célula e reduzindo o custo de fabricação.
Do ponto de vista da estrutura corporal, ele passou por três gerações de evolução, desde o tipo Punch Through (PT, Punch Through) até o tipo Non-Punch Through (NPT, Non{1}}Punch Through) até o tipo Field Stop (FS, Field Stop).
Através da iteração contínua da tecnologia, os indicadores de desempenho do chip IGBT são constantemente otimizados. Desde a primeira iteração do Planar Punch-Through (PT) até o Field Stop da vala fina em 2018, os índices técnicos dos chips IGBT, como área do chip, largura de linha do processo, queda de tensão-no estado ligado, tempo-desligado e perda de energia, foram continuamente otimizados.
2. Espaço: novas energias e outros impulsionadores da procura de IGBT continuam a crescer
O tamanho do mercado global de IGBT ultrapassou 6,6 bilhões de dólares americanos
O tamanho do mercado global de IGBT continua a crescer, já ultrapassou 6,6 bilhões de dólares americanos. De acordo com os dados da organização de pesquisa Omdia, o tamanho do mercado global de IGBT nos últimos quase uma década para manter o crescimento sustentado, de 3,2 bilhões de dólares americanos em 2012 para 6,6 bilhões de dólares americanos em 2020, a taxa de crescimento composta do período de oito-anos em cerca de 10%. Globalmente, o controlo industrial e os veículos de novas energias são as duas áreas a jusante com a maior proporção de procura de IGBT. Demanda downstream (dados de 2017), o controle industrial é o maior mercado de demanda para IGBT, com uma participação de demanda de 37%; os veículos de novas energias ocuparam o segundo maior mercado, com uma quota de procura de 28%; seguido pelo mercado de geração de energia nova e linha branca de inversores, com uma participação de demanda de 9% e 8%, respectivamente.
O tamanho do mercado IGBT da China representou quase 40% do mundo e taxa de crescimento mais rápida
O tamanho do mercado IGBT da China está crescendo rapidamente e, em 2019, ultrapassou 15 bilhões de yuans. De acordo com a Wisdom Research Consulting, o tamanho do mercado de IGBT da China está crescendo rapidamente, de 6 bilhões de yuans em 2012 para 15,5 bilhões de yuans em 2019, com uma taxa composta de crescimento de cerca de 15%, em comparação com a taxa de crescimento do tamanho do mercado global de IGBT é maior.
Controle industrial: disco básico de demanda IGBT, o futuro alcançará um crescimento constante
IGBT é o componente principal das indústrias tradicionais de controle industrial e fornecimento de energia, como inversor, soldador inversor, fonte de alimentação UPS e aquecimento por indução eletromagnética. O mais comumente usado no campo de inversor de controle industrial, por exemplo, inversor é uma tensão fixa, frequência fixa em tensão e frequência pode ser alterada de equipamento, que geralmente é pela parte retificadora, parte de filtragem, parte do inversor, circuito de frenagem, circuito de acionamento e circuito de detecção, etc. O inversor depende do IGBT interno para ajustar a tensão e a frequência da fonte de alimentação de saída.
Novos veículos de energia: o mercado incremental mais importante para IGBTs
Os IGBTs são os componentes principais dos veículos de novas energias e são amplamente utilizados em veículos de novas energias e têm um impacto significativo no desempenho de todo o veículo. as principais aplicações de IGBTs em veículos de novas energias incluem controladores de motor, carregadores-de bordo (OBCs), condicionadores de ar de automóveis e pilhas de carregamento CC para veículos de novas energias.
Nova geração de energia: Os IGBTs são amplamente utilizados nas indústrias fotovoltaica e eólica.
A geração de energia fotovoltaica (PV) precisa ser conectada à rede por meio de um inversor fotovoltaico, e os IGBTs são os componentes principais dos inversores fotovoltaicos. O inversor fotovoltaico é um dos principais equipamentos do sistema de geração de energia solar fotovoltaica, e sua função é converter a corrente contínua gerada pela geração de energia fotovoltaica em corrente alternada que atenda aos requisitos de qualidade de energia da rede elétrica, sendo o IGBT o componente principal do inversor fotovoltaico.
Produtos da linha branca inversora: eletrodomésticos inversores também são uma aplicação importante de IGBTs
A taxa de penetração de produtos da linha branca com inversores na China está aumentando. As três principais vendas de produtos da linha branca da China nos últimos anos se estabilizaram em 300 milhões acima e abaixo, e com a melhoria dos requisitos de economia de energia e redução de emissões, a taxa de conversão de frequência de produtos da linha branca da China está aumentando, de acordo com dados on-line da indústria, em 2021, taxa de conversão de frequência de ar condicionado, refrigeradores e máquinas de lavar de 68%, 34% e 46%, respectivamente, e o futuro será ainda mais aprimorado.
Transporte ferroviário: IGBT é o dispositivo central na tração do transporte ferroviário
A tecnologia de acionamento CA é a escolha principal e a tecnologia principal dos acionamentos de tração de trânsito ferroviário modernos. Princípio de acionamento CA: o veículo através do pantógrafo da rede de contato para obter energia monofásica-CA de alta-tensão, entregue ao transformador de tração do veículo para redução de tensão e, em seguida, convertida em CC através do retificador e, em seguida, pelo inversor será convertido de CC para FM-tensão regulada trifásica-CA, e finalmente entregue aos motores de tração CA, todo o processo contém as mudanças alternadas - diretas - alternadas. Vantagens da transmissão AC: (1) bom desempenho de tração e frenagem; (2) alto fator de potência, a interferência harmônica é pequena; (3) potência do motor, tamanho pequeno, peso leve, alta confiabilidade operacional; (4) bom desempenho dinâmico e utilização de adesão.
3. Padrão: alta concentração de monopólio estrangeiro, substituição interna continua a acelerar
A indústria IGBT tem grandes barreiras de entrada
Do ponto de vista da entrada na indústria, o limiar de entrada da indústria IGBT é muito elevado. No geral, as barreiras à entrada da indústria IGBT em três áreas, respectivamente, para as barreiras técnicas, barreiras de mercado e barreiras financeiras, aqui nos concentramos nas duas primeiras.
Barreiras técnicas: As ligações tecnológicas IGBT incluem a concepção e fabrico de chips IGBT e a concepção e fabrico de módulos. (1) Os chips IGBT precisam funcionar em ambientes de alta-corrente, alta-tensão e alta{4}}frequência, a confiabilidade do chip tem altos requisitos; ao mesmo tempo, o design do chip também deve garantir que o equilíbrio entre-ligar e desligar-, resistência de curto-circuito e queda de tensão liga-desligada. Portanto, os requisitos de pesquisa e desenvolvimento independentes de chips IGBT são muito altos, o design e o ajuste e otimização de parâmetros são muito especiais e complexos, com muito acúmulo de know-how da indústria. (2) O link de fabricação do chip IGBT também tem um alto grau de dificuldade, por um lado, a parte traseira do chip IGBT em si é mais difícil, por outro lado, o modo IDM de capacidade de produção auto{12}}construída requer um investimento de capital muito grande, e o modo Fabless precisa ser realizado com a tecnologia de fundição e o processo de profundidade da integração. (3) Módulo, devido ao alto grau de integração do módulo, e trabalha em alta-corrente, alta-tensão, alta-temperatura e outros ambientes agressivos, portanto, no projeto do módulo e no processo de fabricação para realizar o módulo deve ser considerado ao mesmo tempo isolamento, tensão, dissipação de calor e interferência eletromagnética e muitos outros fatores. Para obter a alta confiabilidade, estabilidade e consistência dos produtos de módulos IGBT, também é necessário um longo tempo de experiência no setor.
Barreiras de mercado: IGBT é o dispositivo central dos produtos de aplicação downstream, o desempenho, a confiabilidade e a estabilidade dos produtos IGBT têm um impacto direto no desempenho dos produtos downstream. Como resultado, os clientes têm longos ciclos de testes de verificação e altos custos de reposição ao importar IGBTs. Portanto, os clientes costumam ser mais conservadores e cautelosos na seleção do IGBT, e uma vez selecionados para fazer alterações e substituições, a vontade não é forte.
Padrão: Altas barreiras do IGBT à formação de um pequeno número de padrão de monopólio estrangeiro
O mercado global de IGBT é atualmente monopolizado por empresas alemãs, japonesas e norte-americanas. Devido ao alto limite de entrada da indústria de IGBT e os fabricantes estrangeiros do negócio começaram cedo a vantagem-do pioneiro é óbvia (os produtos IGBT de primeira-geração da Infineon nasceram em 1988) portanto a formação do atual monopólio de mercado de IGBT por empresas alemãs japonesas e norte-americanas na situação os atuais cinco principais fornecedores globais de IGBT respectivamente Infineon Mitsubishi, Fuji Electric, ON Semiconductor e Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). E Infineon, Mitsubishi, Fuji Electric e ON Semiconductor são o modo IDM, a integração vertical de toda a cadeia da indústria de upstream, downstream e estabeleceu um fosso forte.
Mudanças no padrão: progresso interno + segurança da cadeia de abastecimento para promover a aceleração da mudança de marcha da substituição interna
Razões intrínsecas para a aceleração da substituição doméstica: (1) IGBT como período de semicondutor de potência, sua iteração tecnológica é mais lenta, o ciclo é mais longo, o uso de uma geração de produtos por um tempo muito longo, mais de uma década; e os clientes procuram principalmente a estabilidade e confiabilidade dos produtos IGBT, a busca por novas tecnologias não é alta (Infineon lançada em 2007, a quarta geração do chip IGBT ainda é o principal produto da indústria atual). ). Portanto, embora os fabricantes nacionais de IGBT tenham começado tarde, mas a indústria tenha deixado aos fabricantes locais de IGBT tempo suficiente para se desenvolverem e se atualizarem, os atuais fabricantes nacionais de IGBT têm um progresso tecnológico mais rápido, já existem produtos para atender às necessidades dos clientes a jusante em grandes quantidades. (2) As empresas locais IGBT têm um melhor serviço, podem responder rapidamente às necessidades dos clientes a jusante, e o preço do produto tem uma certa vantagem sobre os investidores estrangeiros, o que é propício para os clientes a jusante reduzirem custos.
4. Dispositivos de energia semicondutores de terceira-geração de carboneto de silício - promissores
O material de carboneto de silício tem desempenho superior
Materiais semicondutores comuns, incluindo silício, germânio e outros semicondutores elementares, bem como arsenieto de gálio, carboneto de silício, nitreto de gálio e outros materiais semicondutores compostos, de acordo com a pesquisa e aplicação em grande-escala do tempo sucessivamente, a indústria geralmente é materiais semicondutores são divididos em três gerações:
A primeira geração de materiais semicondutores: silício e germânio como representantes, a aplicação típica são circuitos integrados. Materiais semicondutores de silício são atualmente a maior produção, os materiais semicondutores mais utilizados.
A segunda geração de materiais semicondutores: arsenieto de gálio como representante. A mobilidade dos elétrons do arsenieto de gálio é mais de seis vezes maior que a do silício, e seus dispositivos têm desempenho optoeletrônico de alta-frequência e alta{3}}velocidade, por isso são amplamente utilizados no campo da optoeletrônica e microeletrônica.
A terceira geração de materiais semicondutores: representados por carboneto de silício e nitreto de gálio. Comparado com as duas primeiras gerações de materiais semicondutores, o carboneto de silício tem uma grande largura de banda proibida, alta intensidade de campo de ruptura, alta condutividade térmica, alta taxa de saturação de elétrons e forte resistência à radiação, etc. É adequado para cenários de alta-tensão, alta-frequência e alta-temperatura, e é especialmente adequado para a fabricação de dispositivos semicondutores de alta-potência na área de eletrônica de potência.
Os dispositivos de carboneto de silício também superam os dispositivos-baseados em silício
Dispositivos de potência de carboneto de silício baseados em carboneto de silício apresentam desempenho elétrico superior devido às excelentes propriedades do material:
Resistência de alta-tensão:A intensidade do campo de ruptura dos materiais de carboneto de silício é dez vezes maior que a dos materiais convencionais à base de-silício, portanto, a resistência à alta-tensão dos dispositivos de alimentação de carboneto de silício é significativamente mais forte do que a dos dispositivos de alimentação à base de silício-com a mesma especificação;
Resistência a altas temperaturas:por um lado, a condutividade térmica do carboneto de silício é mais de três vezes maior que a do material de silício, por isso tem melhor capacidade de dissipação de calor e mantém temperatura mais baixa sob a mesma condição de energia, reduzindo assim os requisitos de design de dissipação de calor do dispositivo, o que é propício para melhorar o grau de integração e fazer com que o dispositivo se desenvolva na direção da miniaturização. Por outro lado, a largura de banda proibida do carboneto de silício é mais de três vezes maior que a do silício, e quanto maior a largura de banda proibida, maior será a temperatura limite de operação do dispositivo (o dispositivo semicondutor gerará fenômeno de excitação intrínseca da portadora em altas temperaturas, o que resultará na falha do dispositivo), portanto, a temperatura limite de operação dos dispositivos de potência de carboneto de silício pode atingir mais de 600 graus, em comparação com os atuais IGBTs baseados em silício-que geralmente operam a 175 graus.
Baixa perda:A velocidade de desvio de elétrons de saturação de carboneto de silício é duas vezes maior que a do silício, portanto, os dispositivos de carboneto de silício têm menor-resistência e baixa-perda; não há resistência à corrente em dispositivos de carboneto de silício, e a perda de comutação também é menor do que a dos dispositivos baseados em silício, e uma frequência de comutação mais alta também pode ser obtida.
A indústria de carboneto de silício dará início a um rápido desenvolvimento
Impulsionado pela aplicação de novos veículos energéticos, o mercado de dispositivos de carboneto de silício crescerá rapidamente. De acordo com a previsão de Yole, beneficiando-se do carboneto de silício em novos veículos energéticos, industriais e energéticos e outras áreas de crescimento da demanda, o mercado global de dispositivos de carboneto de silício crescerá de 1 bilhão de dólares americanos em 2021 para mais de 6 bilhões de dólares americanos em 2027, a taxa de crescimento composta chegará a 34%; dos quais o mercado automotivo de dispositivos de carboneto de silício crescerá de 685 milhões de dólares americanos em 2021 para 5 bilhões de dólares americanos em 2027, uma taxa de crescimento composta de até 40%. O mercado de dispositivos automotivos de carboneto de silício crescerá de US$ 685 milhões em 2021 para cerca de US$ 5 bilhões em 2027, com uma taxa composta de crescimento de até 40%, e o tamanho do mercado de dispositivos automotivos de carboneto de silício representará cerca de 80% do tamanho total do mercado de dispositivos de carboneto de silício até 2027.