1. IGBT: perangkat inti dalam industri elektronika daya
IGBT disebut sebagai "CPU" industri elektronika daya.
IGBT memiliki kinerja keseluruhan yang sangat baik, IGBT dikenal sebagai transistor bipolar gerbang terisolasi, yang terdiri dari tabung efek medan gerbang terisolasi dan transistor bipolar dua bagian, keduanya dengan impedansi masukan MOSFET tinggi, daya kontrol kecil, rangkaian penggerak sederhana, kecepatan peralihan cepat dan BJT pada-arus keadaan besar, tegangan konduksi berkurang, keuntungan dari kerugian rendah, itu adalah semikonduktor daya salah satunya arah utama pembangunan masa depan.
Dengan kinerja luar biasa, IGBT memiliki beragam aplikasi hilir
IGBT telah menjadi pilihan pertama untuk peralatan elektronik berdaya frekuensi menengah dan tinggi, frekuensi menengah dan rendah berdasarkan kepadatan daya yang tinggi, sirkuit penggerak sederhana, dan area pengoperasian aman yang luas. Dalam rentang frekuensi pengoperasian di bawah 105Hz, IGBT berbasis silikon-adalah perangkat semikonduktor daya yang lebih disukai, dengan rentang daya beberapa kilowatt hingga sepuluh megawatt. Aplikasi yang umum mencakup kontrol industri (konverter frekuensi, tukang las inverter, catu daya tak terputus, dll.); mobil energi baru (penggerak listrik utama, OBC, AC, kemudi, dll.); pembangkit listrik energi baru (inverter fotovoltaik, konverter turbin angin); barang putih inverter (IPM); transportasi kereta api (konverter traksi); dan pembangkit listrik (konverter turbin angin). ); transportasi kereta api (konverter traksi); jaringan pintar, dll.
Tren perkembangan teknologi IGBT
Dari perspektif struktur gerbang depan, strukturnya telah mengalami evolusi dari gerbang planar menjadi gerbang parit dan gerbang parit mikro{0}}terbaru, dan chip IGBT mainstream di pasar saat ini didominasi oleh gerbang parit. Pengembangan struktur gerbang dari planar ke parit kondusif untuk meningkatkan kepadatan arus, mengurangi penurunan tegangan pada kondisi, menurunkan ukuran sel, dan mengurangi biaya produksi.
Dari segi struktur bodi, ia telah mengalami tiga generasi evolusi dari tipe Punch Through (PT, Punch Through) ke tipe Non-Punch Through (NPT, Non-Punch Through) hingga tipe Field Stop (FS, Field Stop).
Melalui iterasi teknologi yang berkelanjutan, indikator kinerja chip IGBT terus dioptimalkan. Dari iterasi paling awal dari Planar Punch-Through (PT) hingga gerbang parit halus Field Stop pada tahun 2018, indeks teknis chip IGBT, seperti area chip, lebar saluran proses, penurunan tegangan dalam keadaan-, waktu mati-dan kehilangan daya, telah terus dioptimalkan.
2. Ruang angkasa: energi baru dan pendorong lainnya Permintaan IGBT terus meningkat
Ukuran pasar IGBT global telah melampaui 6,6 miliar dolar AS
Ukuran pasar IGBT global terus berkembang, kini telah melampaui 6,6 miliar dolar AS. Menurut data organisasi riset Omdia, ukuran pasar IGBT global dalam hampir satu dekade terakhir mempertahankan pertumbuhan berkelanjutan, dari 3,2 miliar dolar AS pada tahun 2012 menjadi 6,6 miliar dolar AS pada tahun 2020, tingkat pertumbuhan gabungan dalam periode delapan-tahun sekitar 10%. Secara global, pengendalian industri dan kendaraan energi baru adalah dua wilayah hilir dengan proporsi permintaan IGBT terbesar. Permintaan hilir (data 2017), kontrol industri adalah pasar permintaan terbesar untuk IGBT, dengan pangsa permintaan sebesar 37%; kendaraan energi baru menduduki peringkat pasar terbesar kedua, dengan pangsa permintaan sebesar 28%; diikuti oleh pasar pembangkit listrik energi baru dan inverter, dengan pangsa permintaan masing-masing sebesar 9% dan 8%.
Ukuran pasar IGBT Tiongkok mencakup hampir 40% pasar dunia, dan tingkat pertumbuhannya lebih cepat
Ukuran pasar IGBT Tiongkok berkembang pesat, dan pada tahun 2019 telah melampaui 15 miliar yuan. Menurut Wisdom Research Consulting, ukuran pasar IGBT Tiongkok berkembang pesat, dari 6 miliar yuan pada tahun 2012 menjadi 15,5 miliar yuan pada tahun 2019, dengan tingkat pertumbuhan gabungan sekitar 15%, dibandingkan dengan tingkat pertumbuhan ukuran pasar IGBT global yang lebih tinggi.
Kontrol industri: Disk dasar permintaan IGBT, masa depan akan mewujudkan pertumbuhan yang stabil
IGBT adalah komponen inti dari kontrol industri tradisional dan industri catu daya seperti inverter, tukang las inverter, catu daya UPS, dan pemanas induksi elektromagnetik. Yang paling umum digunakan di bidang inverter kontrol industri, misalnya inverter adalah tegangan tetap, frekuensi tetap menjadi tegangan dan frekuensi dapat diubah peralatan, yang biasanya dengan bagian penyearah, bagian penyaringan, bagian inverter, rangkaian pengereman, rangkaian penggerak dan rangkaian deteksi, dll. IGBT biasanya digunakan pada rangkaian inverter dan rangkaian pengereman pada inverter, yang terutama digunakan dalam penerapan inverter sirkuit. Inverter mengandalkan IGBT internal untuk mengatur tegangan dan frekuensi catu daya keluaran.
Kendaraan energi baru: pasar tambahan terpenting bagi IGBT
IGBT adalah komponen inti kendaraan energi baru, dan banyak digunakan pada kendaraan energi baru dan memiliki dampak signifikan terhadap kinerja keseluruhan kendaraan. aplikasi utama IGBT pada kendaraan energi baru mencakup pengontrol motor,-pengisi daya terpasang (OBC), AC mobil, dan tiang pengisi daya DC untuk kendaraan energi baru.
Pembangkit listrik energi baru: IGBT banyak digunakan dalam industri fotovoltaik dan tenaga angin.
Pembangkit listrik fotovoltaik (PV) perlu dihubungkan ke jaringan listrik melalui inverter PV, dan IGBT adalah komponen inti inverter PV. Inverter fotovoltaik adalah salah satu peralatan utama dalam sistem pembangkit listrik fotovoltaik surya, dan perannya adalah mengubah arus searah yang dihasilkan oleh pembangkit listrik fotovoltaik menjadi arus bolak-balik yang memenuhi persyaratan kualitas daya jaringan listrik, dan IGBT adalah komponen inti dari inverter fotovoltaik.
Barang putih inverter: peralatan rumah tangga inverter juga merupakan aplikasi penting IGBT
Tingkat penetrasi barang elektronik inverter di Tiongkok meningkat. Tiga penjualan barang putih utama di Tiongkok dalam beberapa tahun terakhir telah stabil di angka 300 juta ke atas dan ke bawah, dan dengan peningkatan persyaratan penghematan energi dan pengurangan emisi, tingkat konversi frekuensi barang putih di Tiongkok meningkat, menurut data online industri, pada tahun 2021, tingkat konversi frekuensi AC, lemari es, dan mesin cuci masing-masing sebesar 68%, 34%, dan 46%, dan masa depan akan lebih ditingkatkan.
Transportasi kereta api: IGBT adalah perangkat inti dalam traksi transportasi kereta api
Teknologi penggerak AC adalah pilihan utama dan teknologi inti penggerak traksi angkutan kereta api modern. Prinsip penggerak AC: kendaraan melalui pantograf dari jaringan kontak untuk memperoleh daya tegangan tinggi-AC fase tunggal, dikirim ke transformator traksi kendaraan untuk pengurangan tegangan, dan kemudian diubah menjadi DC melalui penyearah, dan kemudian oleh inverter akan diubah dari DC ke FM-tegangan yang diatur AC tiga-fase, dan akhirnya dikirim ke motor traksi AC, seluruh proses berisi perubahan bolak-balik - langsung -. Keunggulan transmisi AC: (1) performa traksi dan pengereman yang baik; (2) faktor daya tinggi, interferensi harmonik kecil; (3) tenaga motor, ukuran kecil, ringan, keandalan operasional tinggi; (4) kinerja dinamis dan pemanfaatan adhesi yang baik.
3. Pola: tingginya konsentrasi monopoli asing, substitusi dalam negeri terus meningkat
Industri IGBT memiliki hambatan masuk yang tinggi
Dari segi masuknya industri, ambang masuk industri IGBT sangat tinggi. Secara keseluruhan, hambatan masuk industri IGBT ada di tiga bidang, masing-masing, untuk hambatan teknis, hambatan pasar, dan hambatan finansial, di sini kami fokus pada dua yang pertama.
Hambatan teknis: Tautan teknologi IGBT mencakup desain dan pembuatan chip IGBT serta desain dan pembuatan modul. (1) Chip IGBT perlu bekerja di lingkungan-arus,-tegangan tinggi, dan frekuensi-tinggi, keandalan chip memiliki persyaratan yang tinggi; pada saat yang sama, desain chip juga harus memastikan keseimbangan antara-menghidupkan dan mematikan,-resistansi hubung singkat, dan-mematikan penurunan tegangan. Oleh karena itu, persyaratan penelitian dan pengembangan independen chip IGBT sangat tinggi, desain dan penyesuaian parameter serta optimalisasinya sangat istimewa dan kompleks, dengan banyak industri yang tahu bagaimana akumulasinya. (2) Tautan pembuatan chip IGBT juga memiliki tingkat kesulitan yang tinggi, di satu sisi, bagian belakang chip IGBT itu sendiri lebih sulit, di sisi lain, mode IDM kapasitas produksi yang dibuat sendiri memerlukan investasi modal yang sangat besar, dan mode Fabless perlu diwujudkan dengan teknologi pengecoran dan proses integrasi yang mendalam. (3) Modul, karena tingkat integrasi modul yang tinggi, dan bekerja di-arus tinggi, tegangan-tinggi, suhu-tinggi, dan lingkungan keras lainnya, maka dalam desain modul dan proses manufaktur untuk mewujudkan modul harus dipertimbangkan pada saat yang sama isolasi, tegangan, pembuangan panas dan interferensi elektromagnetik dan banyak faktor lainnya. Untuk mewujudkan keandalan, stabilitas, dan konsistensi produk modul IGBT yang tinggi juga memerlukan pengalaman industri yang panjang.
Hambatan pasar: IGBT adalah perangkat inti produk aplikasi hilir, kinerja produk IGBT, keandalan dan stabilitas berdampak langsung pada kinerja produk hilir. Akibatnya, pelanggan mempunyai siklus pengujian verifikasi yang panjang dan biaya penggantian yang tinggi saat mengimpor IGBT. Oleh karena itu, pelanggan biasanya lebih konservatif dan berhati-hati dalam pemilihan IGBT, dan begitu dipilih untuk melakukan perubahan dan penggantian, kemauannya tidak kuat.
Pola: Hambatan IGBT yang tinggi terhadap pembentukan sejumlah kecil pola monopoli asing
Pasar IGBT global saat ini dimonopoli oleh perusahaan Jerman, Jepang, dan Amerika. Karena ambang masuk yang tinggi dalam industri IGBT, dan produsen asing memulai bisnis ini lebih awal, keuntungan-penggerak pertama terlihat jelas (produk IGBT-generasi pertama Infineon lahir pada tahun 1988), sehingga pembentukan monopoli pasar IGBT saat ini oleh perusahaan Jerman, Jepang, dan AS dalam situasi tersebut, lima vendor teratas IGBT global saat ini, masing-masing, Infineon, Mitsubishi, Fuji Electric, ON Semiconductor dan Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). Dan Infineon, Mitsubishi, Fuji Electric dan ON Semiconductor adalah mode IDM, integrasi vertikal seluruh rantai industri hulu, hilir, dan membangun parit yang kuat.
Perubahan pola: kemajuan dalam negeri + keamanan rantai pasokan untuk mendorong percepatan perpindahan gigi substitusi dalam negeri
Alasan intrinsik percepatan substitusi dalam negeri: (1) IGBT sebagai periode semikonduktor daya, iterasi teknologinya lebih lambat, siklusnya lebih panjang, penggunaan generasi produk untuk waktu yang sangat lama, lebih dari satu dekade; dan pelanggan terutama mencari stabilitas dan keandalan produk IGBT, pengejaran terhadap teknologi baru tidaklah tinggi (Infineon diluncurkan pada tahun 2007, chip IGBT generasi keempat masih menjadi produk utama industri saat ini). ). Oleh karena itu, meskipun produsen IGBT dalam negeri terlambat memulai, namun industri telah memberikan cukup waktu bagi produsen IGBT lokal untuk berkembang dan mengejar ketinggalan, produsen IGBT dalam negeri saat ini mengalami kemajuan teknologi yang lebih cepat, dan sudah terdapat produk untuk memenuhi kebutuhan pelanggan hilir dalam jumlah besar. (2) Perusahaan IGBT lokal memiliki pelayanan yang lebih baik, dapat dengan cepat merespon kebutuhan pelanggan hilir, dan harga produk memiliki keunggulan tertentu dibandingkan investor asing, sehingga kondusif bagi pelanggan hilir untuk mengurangi biaya.
4. Perangkat daya semikonduktor silikon karbida - generasi ketiga-menjanjikan
Bahan silikon karbida memiliki kinerja yang unggul
Bahan semikonduktor umum, termasuk silikon, germanium, dan semikonduktor unsur lainnya, serta galium arsenida, silikon karbida, galium nitrida, dan bahan semikonduktor senyawa lainnya, menurut penelitian dan-aplikasi skala besar waktu berturut-turut, industri biasanya bahan semikonduktor dibagi menjadi tiga generasi:
Bahan semikonduktor generasi pertama: silikon dan germanium sebagai perwakilan, aplikasi tipikal adalah sirkuit terpadu. Bahan semikonduktor silikon saat ini merupakan produksi terbesar, bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan.
Bahan semikonduktor generasi kedua: gallium arsenide sebagai perwakilannya. Mobilitas elektron Gallium arsenida lebih dari 6 kali lipat silikon, dan perangkatnya memiliki kinerja optoelektronik frekuensi tinggi dan kecepatan tinggi, sehingga banyak digunakan di bidang optoelektronik dan mikroelektronika.
Bahan semikonduktor generasi ketiga: diwakili oleh silikon karbida dan galium nitrida. Dibandingkan dengan dua generasi pertama bahan semikonduktor, silikon karbida memiliki lebar pita terlarang yang besar, kekuatan medan tembus yang tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, laju saturasi elektron yang tinggi dan ketahanan radiasi yang kuat, dll. Cocok untuk skenario tegangan tinggi, frekuensi tinggi, dan suhu tinggi, dan sangat cocok untuk pembuatan perangkat semikonduktor-berdaya tinggi di bidang elektronika daya.
Perangkat silikon karbida juga mengungguli perangkat-berbasis silikon
Perangkat listrik silikon karbida berdasarkan silikon karbida memiliki kinerja listrik yang unggul karena sifat material yang sangat baik:
Resistensi tegangan-tinggi:Kekuatan medan tembus bahan silikon karbida sepuluh kali lipat dari bahan berbasis silikon-konvensional, sehingga ketahanan-tegangan tinggi perangkat daya silikon karbida jauh lebih kuat dibandingkan perangkat daya berbasis silikon-dengan spesifikasi yang sama;
Ketahanan suhu tinggi:di satu sisi, konduktivitas termal silikon karbida lebih dari tiga kali lipat bahan silikon, sehingga memiliki kemampuan pembuangan panas yang lebih baik dan mempertahankan suhu yang lebih rendah pada kondisi daya yang sama, sehingga mengurangi persyaratan desain pembuangan panas perangkat, yang kondusif untuk meningkatkan tingkat integrasi, dan membuat perangkat berkembang ke arah miniaturisasi. Di sisi lain, bandwidth terlarang silikon karbida lebih dari tiga kali lipat silikon, dan semakin lebar bandwidth terlarang, semakin tinggi batas suhu pengoperasian perangkat (perangkat semikonduktor akan menghasilkan fenomena eksitasi intrinsik pembawa pada suhu tinggi, yang akan mengakibatkan kegagalan perangkat), oleh karena itu, batas suhu pengoperasian perangkat daya silikon karbida dapat mencapai lebih dari 600 derajat , dibandingkan dengan IGBT berbasis silikon saat ini yang umumnya beroperasi pada 175 derajat .
Kerugian rendah:Kecepatan penyimpangan elektron saturasi silikon karbida lebih dari dua kali lipat kecepatan aliran elektron dari silikon, sehingga perangkat silikon karbida memiliki-resistensi dan-kerugian yang lebih rendah; tidak ada hambatan arus pada perangkat silikon karbida, dan kerugian peralihan juga lebih rendah dibandingkan perangkat berbasis silikon-, dan frekuensi peralihan yang lebih tinggi juga dapat diwujudkan.
Industri silikon karbida akan mengantarkan perkembangan pesat
Didorong oleh penerapan kendaraan energi baru, pasar perangkat silikon karbida akan berkembang pesat. Menurut perkiraan Yole, dengan memanfaatkan silikon karbida pada kendaraan energi baru, industri dan energi serta bidang pertumbuhan permintaan lainnya, pasar perangkat silikon karbida global akan tumbuh dari 1 miliar dolar AS pada tahun 2021 menjadi lebih dari 6 miliar dolar AS pada tahun 2027, tingkat pertumbuhan gabungan akan mencapai 34%; dimana pasar perangkat silikon karbida otomotif akan tumbuh dari 685 juta dolar AS pada tahun 2021 menjadi 5 miliar dolar AS pada tahun 2027, dengan tingkat pertumbuhan gabungan hingga 40%. Pasar perangkat silikon karbida otomotif akan tumbuh dari $685 juta pada tahun 2021 menjadi sekitar $5 miliar pada tahun 2027, dengan tingkat pertumbuhan gabungan hingga 40%, dan ukuran pasar perangkat silikon karbida otomotif akan mencapai sekitar 80% dari total ukuran pasar perangkat silikon karbida pada tahun 2027.