مقال واحد يفهم IGBT

الصفحة الرئيسية كاتب عمود تسليط الضوء اليومي مقال واحد يفهم IGBT

مقال واحد يفهم IGBT

2022-03-17 1161

1،ما هو IGBT؟

الاسم الكامل لـ IGBT هو ترانزستور البوابة ثنائي القطب المعزول، وهو جهاز ذو هيكل مركب. فهو يجمع بين مزايا ترانزستور MOS وترانزستور BJT ثنائي القطب. يستخدم على نطاق واسع في مجالات تحويل الجهد الحالي وإخراج الطاقة، خاصة في مجالات الجهد العالي والتيار العالي. IGBT هو أحد أجهزة أشباه الموصلات الأساسية التي يستخدمها البشر للتحكم في الطاقة واستخدامها. يستخدم جهاز أشباه الموصلات هذا بشكل أساسي في مجال تحويل الطاقة الإلكترونية، ونحن نسميه بشكل جماعي أشباه موصلات الطاقة. أبسط التطبيقات، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة لدينا، يتم تجهيزها بمحولات الطاقة، وهي IGBT، والتي تلعب دورًا في عملية زيادة ونقصان الجهد وتغيير التيار المتردد/المستمر. من الواضح أن IGBT هو أهم عضو في أشباه موصلات الطاقة. وظيفتها هي التحكم في الكهرباء، وهي الشريحة الأساسية لتحويل الطاقة الكهربائية وتطبيقها.

2،هل IGBT منتج مخصص أم منتج عام؟
بالمقارنة مع الرقائق الأخرى، يُعد IGBT منتجًا قياسيًا. عادةً ما يتم إصدار مقدمة مفصلة لمنتجات IGBT على الموقع الرسمي لمختلف الشركات، وسيتم ذكر المعلمات المختلفة لهذا المنتج IGBT، مثل أقصى تيار جامع ICM، وأقصى جهد باعث UCES، وجهد انهيار البوابة UGEM، وجهد التوصيل، ومستوى جهد التحمل، وسرعة التبديل، ونوع الناقل وعمره، وسعة الإدخال، وأقصى استهلاك طاقة جامع PCM، ونطاق درجة حرارة التشغيل، إلخ. بعد الاطلاع على هذه المعلمات، يمكن للعملاء تصميمها ومطابقتها وفقًا لمتطلبات التطبيق الفعلية. وفقًا لسيناريوهات التطبيق المختلفة والعملاء المختلفين، ستكون هناك تعديلات مختلفة. بمجرد الانتهاء، من غير المحتمل استبداله، ولكن في حالة عدم توفر العرض، من الممكن أيضًا استبدال منتج مماثل من شركة أخرى. ولكن في جوهره، لا نزال نعتقد أن IGBT منتج عالمي قياسي.

3،لماذا يعتبر IGBT هو أشباه الموصلات للطاقة الأكثر فائدة لتحقيق الحياد الكربوني؟
مع الترويج الواسع للطاقة النظيفة، ازداد الطلب على الترانزستورات ثنائية القطب (IGBT)، وأكثرها شيوعًا هو تطبيق العاكس الكهروضوئي، والذي يتطلب عددًا كبيرًا من وحدات الترانزستور ثنائية القطب (IGBT) عالية الجهد وفائقة الجهد، بحيث يمكن تحويل الكهرباء الخام المنبعثة من الترانزستورات ثنائية القطب (IGBT) إلى كهرباء دقيقة يمكن توصيلها بسلاسة بالإنترنت. لذلك، يُعد هذا رابطًا مهمًا للغاية لتحقيق الحياد الكربوني في المستقبل. في تطبيق الترانزستور ثنائي القطب (IGBT) في عصر المركبات الكهربائية، كانت جميع السيارات تعمل بالوقود، وبغض النظر عن كيفية تغيير البنزين، لا يمكن تغيير انبعاثات عوادم المركبات التي تعمل بالبنزين. ومع ذلك، يُنصح الآن باستخدام مركبات الطاقة الجديدة الموفرة للطاقة والصديقة للبيئة، وسيكون المستقبل عصر المركبات الكهربائية ذات الطاقة الجديدة، حيث تحتاج المركبات الكهربائية إلى عدد كبير من منتجات أشباه الموصلات الكهربائية مثل الترانزستور ثنائي القطب (IGBT). يعد الحصول على الطاقة الكهربائية النظيفة والاستفادة منها أمرًا أساسيًا لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتحقيق الحياد الكربوني في المستقبل، كما أن الاستفادة من الطاقة الكهربائية لا ينفصل عن أشباه الموصلات الكهربائية و IGBT.

4،ما هي مجالات تطبيقات المصب؟ ما حجم مساحة الصناعة؟
لأن أشباه الموصلات صناعة أساسية، فإن جميع المجالات المتعلقة بالكهرباء هي التي تلعب فيها أشباه موصلات الطاقة دورها، لذا فإن هذه الصناعة ضخمة جدًا، لأن ما لا يقل عن 50٪ من المنتجات من حولنا مرتبطة بالكهرباء والمنتجات الإلكترونية، مثل الهواتف الإلكترونية الاستهلاكية، وسماعات الرأس التي تعمل بتقنية البلوتوث، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والأجهزة المنزلية المختلفة، بالإضافة إلى المحركات الصناعية الكبيرة، ووسائل النقل بالسكك الحديدية، ومركبات الطاقة الجديدة، والمحولات الكهروضوئية، والشبكات الذكية، وما إلى ذلك. حيث تكون الكهرباء ضرورية، فإن IGBT لا غنى عنها بشكل أساسي. فيما يتعلق بحجم الصناعة، تجاوزت السوق العالمية لـ IGBT والوحدات النمطية 7 مليارات دولار أمريكي في عام 2019، وستتجاوز 10 مليارات دولار أمريكي هذا العام. ومن المتوقع أن تصل إلى 19 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2026، بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ حوالي 15٪. تنتمي إلى سوق سريع النمو نسبيًا، وهي شريحة نمو مستقرة نسبيًا. على عكس المنتجات الأخرى، مثل الذاكرة، التي تشهد صعودًا وهبوطًا وتغيرات دورية واضحة، تنتمي IGBT إلى نوع من النمو الثابت. مع المركبات الكهربائية ذات الطاقة الجديدة والكهرباء الإلكترونية لمختلف الصناعات، واستخدام الطاقة النظيفة، يواصل مجال أشباه موصلات الطاقة، بما في ذلك IGBT، الحفاظ على نمو قوي وفعال. عادةً، نقسم الجهد وفقًا لـ IGBT إلى درجات مختلفة. الجهد الأقل من 650 فولت إلى 900 فولت هو جهد متوسط ومنخفض، والجهد الأعلى من 900-1200 فولت هو جهد متوسط وعالي، والجهد الأعلى من 1200 فولت هو جهد عالي. يتوفر أيضًا IGBT أقل من 650 فولت، ولكن استخدامه ليس كبيرًا. تُستخدم منتجات MOSFET بشكل أكبر في هذا المجال. من بينها، تنتمي معظم الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والأجهزة المنزلية وما إلى ذلك إلى نطاق IGBT منخفض الجهد، والذي يمثل حوالي 30٪. يمثل IGBT عالي الجهد 20٪ في المجالات الصناعية عالية الطاقة. يمثل IGBT المستخدم في مجالات الطاقة عالية الجهد وعالية الطاقة، مثل السكك الحديدية عالية السرعة والعاكس الكهروضوئي والنقل بالسكك الحديدية، 15٪. وبالإضافة إلى ذلك، تشكل المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة في مجال إلكترونيات السيارات أكثر من 30%، وهو المسار الأكثر واعداً في المستقبل.

5،ما هو وضع العرض والطلب في السوق؟ ومن المتوقع أن يكون العرض والطلب متوازنين في غضون سنوات قليلة.
في الوقت الحاضر، يستمر سوق أشباه الموصلات بالكامل خارج المخزون منذ أكثر من عام. اعتبارًا من يوليو 2020، بدأت منتجات أشباه الموصلات تظهر درجات مختلفة من التوتر، وبعد أكتوبر، اندلعت بشكل شامل، وارتفعت الأسعار، لتصل إلى ذروتها في نهاية مايو من هذا العام. إن الزيادة في أسعار العديد من الرقائق مبالغ فيها للغاية، ويقوم مصنع الرقائق بتعديل الأسعار باستمرار. ومع ذلك، لا يزال تقديم الطلبات أمرًا جنونيًا، ويؤدي الاندفاع المحموم على الرقائق في المراحل النهائية إلى نهب الطاقة الإنتاجية الأولية، مما يؤدي إلى اختلال التوازن الكامل بين العرض والطلب في الصناعة بأكملها. لقد وضع العديد من الأشخاص في الصناعة تنبؤات وافتراضات مختلفة لصناعة أشباه الموصلات لاستعادة التوازن بين العرض والطلب والعودة إلى الحالة الطبيعية، وتوقعوا عقدًا زمنية مختلفة للعودة إلى الوضع الطبيعي، فضلاً عن الشروط المسبقة لتشكيل نقاط انعطاف . رأيي الشخصي هو أنه في شهر يونيو 2022 تقريبًا، دعونا أولاً نلقي نظرة على العوامل المختلفة التي تؤثر على العلاقة بين العرض والطلب. انطلاقًا من التجربة التاريخية للحكم على التغيرات في الصناعة، بشكل عام، تتراوح فترة ازدهار أشباه الموصلات من 24 إلى 36 شهرًا، والفترة الباردة من 12 إلى 18 شهرًا. منذ يونيو من العام الماضي، نعتقد أنها بداية فترة الازدهار، لذا ستستمر فترة الازدهار هذه حتى يونيو 2022. وبالنظر إلى العوامل المؤثرة للوباء، على الرغم من أن الوباء قد عطل إيقاع الصناعة العالمية، فإنه ينبغي أن يكون فرصة جديدة وتحديا جديدا لأشباه الموصلات، وخاصة بالنسبة للصين. على الأقل، نعتقد أنه كانت هناك نقطتا انفجار ضخمتان خلال هذين العامين. الأول هو العمل في المنزل بعد الوباء. أدى العمل عبر الإنترنت إلى ارتفاع الطلب على مختلف أجهزة الكمبيوتر المحمولة اللوحية، مما أدى إلى زيادة الطلب على رقائق أشباه الموصلات، لأن 90% من تكلفة هذه المنتجات هي أجهزة أشباه الموصلات. ولذلك، فقد تسببت هذه الطفرة. بعد كل وباء، تأتي الفترة الذهبية لمبيعات السيارات. لقد تم الآن فرض مفهوم ودورة مركبات الطاقة الجديدة. لقد تم زيادة محتوى منتجات أشباه الموصلات في السيارة بأكملها بشكل كبير، في حين أن محتوى مركبات الوقود التقليدية يبلغ حوالي 10-15% فقط. ومع ذلك، تمثل منتجات أشباه الموصلات في مركبات الطاقة الجديدة أكثر من 50%. الأجزاء الأكثر أهمية في هذه القطعة هي إلكترونيات السيارات المختلفة، وأشباه موصلات طاقة السيارات، وأجهزة الاستشعار، ووحدات التحكم الدقيقة المختلفة MCU، وما إلى ذلك. ما تشترك فيه هذه الرقائق هو أن عددًا لا بأس به من المنتجات يتم تصنيعها بواسطة عملية 8-0.25 مقاس 0.13 بوصات. ومع ذلك، فمن الصعب توسيع الطاقة الإنتاجية لخط 8 بوصة بسبب مشاكل في المعدات، وبالتالي فإن استمرار الطلب القوي على هذه المنتجات قد يؤدي إلى استمرار النقص في الرقائق. ومع ذلك، فإن السعر المرتفع جدًا سيقلل أيضًا من الطلب على المصب، لذا فإن استنتاجي هو أنه في ظل الظروف العادية، سيستمر حتى يونيو 2022. أعتقد أن هذه النقطة الزمنية هي نقطة التحول، وبعدها سيخف النقص في الرقائق وسيبدأ المخزون. هذا هو حكمي الشخصي، ولا أستبعد حتى أن تأتي هذه العقدة في وقت مبكر. الآن، سيؤدي انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع في الصين وتقييد الإنتاج إلى الضغط على الطلب المتضخم في المراحل النهائية وسيؤدي إلى تقلص فجوة الرقائق. ومن هذا المنطلق، لفترة من الوقت، سينخفض سعر الرقائق والطلب عليها بالتأكيد، لذلك أعتقد أن هذا الخلل الشديد سيستمر لمدة 6-9 أشهر أخرى على الأكثر، وسوف يتعافى بالتأكيد، باستثناء إلكترونيات السيارات، بالطبع. هذه الصناعة خاصة جدًا، وهناك العديد من العوامل التي تؤثر على استعادة السلسلة الصناعية.

6،ما مدى تأثير الوباء العالمي على قدرة إنتاج IGBT؟ متى يُتوقع أن يخفّ هذا التأثير؟
أثرت جائحة كورونا في الخارج بشكل كبير على العديد من شركات أشباه الموصلات العريقة، مثل إنفينيون وأنسينمي، وغيرها، حيث يعاني العرض من عدم استقرار شديد. يصعب تحديد موعد انحسارها. على الأقل، لا أعتقد أن هذا سيحدث قبل يونيو من العام المقبل، وقد يشهد نقطة تحول بعد يونيو. لطالما عانت سلع هذه المصانع الكبيرة من نقص، سواءً كان ذلك الآن أم لا. واستنادًا إلى الوضع في السنوات السابقة، ستكون هناك دائمًا فترة زمنية خلال العام لا يكون فيها العرض سلسًا، مما يؤدي إلى ارتفاع الأسعار، لكنها تركز بشكل رئيسي على المنتجات عالية الجودة. حاليًا، وتيرة استبدال منتجات IGBT منخفضة الجودة محليًا سريعة نسبيًا، ومن المؤكد أنها ستنخفض بعد إطلاق الطاقة الإنتاجية المستقبلية. في الوقت الحالي، تتمتع المنتجات المحلية متوسطة ومنخفضة الجهد بنضج كبير، وتتميز بأداء تكلفة مرتفع للغاية، ولكن لا تزال هناك فجوة معينة بين منتجات الجهد العالي عالية الجودة والمنتجات الأجنبية. أعتقد أن هذه الفجوة تتجلى بشكل رئيسي في كيفية الحفاظ على اتساق المنتجات واستقرارها أثناء الإنتاج الضخم. ليس الأمر أن الصين عاجزة عن ذلك، بل إن جودة منتجات الجهد المتوسط والمنخفض لا يمكن التحكم فيها عند توافرها بكميات كبيرة. وقد فسّر الزخم الإيجابي لاستبدال المنتجات محليًا كل شيء بالفعل.

7،ما الفرق بين الترانزستورات ثنائية القطب (IGBT) المستخدمة في مركبات الطاقة الجديدة، والخلايا الكهروضوئية، وتخزين الطاقة؟ وما هي وظائفها؟
في الوقت الحالي، تتراوح الطاقة الجديدة المستخدمة في السيارات بشكل رئيسي بين 650 و900 فولت، كما توفر بعض شركات السيارات أنظمة 1200 فولت، من بينها نظام OBC الذي يستخدم أنبوبًا واحدًا بجهد 650 فولت، ونظام PCU الذي يستخدم وحدات IGBT بجهد 900 فولت. يعتمد ذلك على أنظمة حزمة البطاريات والجهد لكل شركة مصنعة للسيارات، ثم اختيار نوع IGBT المناسب. يختلف الأمر اختلافًا كبيرًا. يلزم استخدام وحدة IGBT، وخاصةً IGBT، بالإضافة إلى بعض أجهزة أشباه موصلات الطاقة الأخرى مثل FRD (الاسترداد السريع) وTVS (الجهد اللحظي) وSBD، وغيرها، لتشكيل وحدة تلبي مختلف السيناريوهات والمتطلبات. في حالة وحدة IGBT IPM، يتم دمج الدائرة المتكاملة للتحكم في الطاقة الداخلية، بالإضافة إلى وجود دائرة متكاملة لإدارة الطاقة إلى جانب IGBT ومنتجات أشباه موصلات الطاقة الأخرى.

8،ما هي نسبة IGBT في تكلفة المركبات الجديدة للطاقة/الطاقة الشمسية/تخزين الطاقة؟
PCU + OBC، وهي مركبة طاقة جديدة، تمثل ما لا يقل عن 25٪ -30٪ من إجمالي المركبة، ونسبة التكلفة بين الطرز المختلفة مختلفة جدًا. على سبيل المثال، تُباع سيارة سحرية مثل Wuling mini مقابل 2.98 يوان إجمالاً، ولن تتجاوز تكلفة التحكم الإلكتروني 3,000 يوان. لا يحتاج هذا النوع من السيارات حتى إلى IGBT، فهو مصنوع بالكامل من MOSFET، وعلى سبيل المثال، تُباع سيارة Great Wall Euler Black Cat مقابل 60,000 أو 70,000 يوان للسيارة الواحدة، وتبلغ تكلفة حزمة البطارية 15,000 يوان، ويمكن استخدام IGBT. استهلاك وسعر IGBT في السيارات الراقية كبيران، ويُستخدم IGBT أيضًا كعاكس للطاقة الكهروضوئية وتخزين الطاقة. يصعب تحديد نسبة التكلفة هذه، لأن الجزء الأكبر من محطة الطاقة موجود في بطاريات perc والهياكل الأخرى، اعتمادًا على حجم الاستثمار.

9،هل سيكون هناك استحواذ على سعة IGBT بين الصناعات المختلفة؟
هذا هو الوضع الراهن للصناعة بأكملها، ويعني الآن أن من يملك المال يستطيع الاستحواذ على الطاقة الإنتاجية. تتمتع الشركات الكبيرة بميزة بفضل وفرة رأس المال. حاليًا، تُصنع نسبة كبيرة من أشباه موصلات الطاقة المحلية من نماذج IDM. على سبيل المثال، تمتلك شركتا Silanwei وShidai Electric خطوط إنتاج خاصة بهما، لذا لا يوجد ما يُسمى بالاستحواذ على الطاقة الإنتاجية. ومن الشركات الأخرى القادرة على إنتاج IGBT OEM شركة Hua Hong، وتعتمد هذه الطاقة الإنتاجية على الاستحواذ. وقد قامت بعض الشركات ذات الموارد المالية الكبيرة، مثل Starr، بتجميع خطوط إنتاج أخرى بالفعل.

10،هل ستكون خطوط إنتاج IGBT مُخصصة؟ ما الفرق الرئيسي؟
تختلف عملية IGBT اختلافًا كبيرًا عن المنتجات المنطقية الشائعة، فعلى الأقل تختلف عملية التطعيم بزراعة الأيونات وعملية الطرح العكسي اختلافًا جذريًا، كما توجد عمليات خاصة متعددة للطبقة الفوقية، وما إلى ذلك. هذه العمليات مختلفة تمامًا عن الدوائر الرقمية والتناظرية العادية.

11،هل يمكن لخط إنتاج IGBT تعديل مواصفات المنتج مؤقتًا، على سبيل المثال، خط إنتاج IGBT المستخدم في إنتاج الطاقة الكهروضوئية يتم تعديله مؤقتًا إلى خط إنتاج IGBT بدرجة مقياس السيارة؟
متطلبات فئة السيارات مرتفعة نسبيًا، وبمجرد تحديدها، يصعب استبدالها بسهولة. على الرغم من أنها جميعًا من نوع IGBT، إلا أن متطلباتها تختلف تمامًا نظرًا لاختلاف الصناعات الفرعية، ولا يمكن دمجها. ومع ذلك، نظرًا لأن جميعها تُنتج بواسطة شركة واحدة، يتم توزيع سعة IGBT المختلفة على خط الإنتاج، وهو أمر داخلي للشركة نفسها. لا تزال المعدات هي نفس المجموعة من المعدات، ولا يزال خط الإنتاج هو نفس المجموعة من خطوط الإنتاج. هناك بعض الاختلافات في التعبئة والتغليف، لذا لا يسعنا إلا أن نقول ذلك. في الوقت نفسه، لا يرغب العملاء في دمج خطوط الإنتاج مع منتجات أخرى، لذا فإن أسلاك IGBT للسيارات فريدة من نوعها.

12،هل هناك فرق كبير بين وقت اعتماد درجة مقياس السيارة وخط إنتاج IGBT الكهروضوئي؟
تختلف عن المتطلبات العالية جدًا للمقياس، فإن متطلبات فحص المصنع لمصنع المركبات بأكمله صارمة للغاية. ليس فقط الموردين، ولكن أيضًا موردي الموردين، وموردي المواد الخام للموردين، وما إلى ذلك، فإن خط الإنتاج الكهروضوئي بسيط نسبيًا، والفرق كبير.

13،ما هي أكبر نقطة ألم في توسيع القدرة الجديدة؟
فيما يتعلق بصعوبة العملية، تعتمد تقنية IGBT بشكل أساسي على تقنية 8 بوصات، وقد بدأت بعض شركات الصناعة في طرح تقنية 12 بوصة. وبناءً على ذلك، فإن زيادة الطاقة الإنتاجية لا يعني بالضرورة توسيع الإنتاج عند توفر المال. تكمن أكبر مشكلة في تقنية 8 بوصات في نقص المعدات وارتفاع أسعارها. على سبيل المثال، سعر معدات 8 بوصات مقارب لسعر معدات 12 بوصة، ودورة التسليم طويلة، بالإضافة إلى نقص الكفاءات الذي يعاني منه قطاع أشباه الموصلات الصيني. باختصار، يكمن السبب الرئيسي في نقص المعدات والكوادر ذات الخبرة.

ملخص: يُعدّ IGBT الرقاقة الأساسية لتحويل الطاقة الكهربائية وتطبيقاتها، وهو عنصر بالغ الأهمية لتحقيق الحياد الكربوني. ويتمثل أكبر استخداماته اللاحقة في مجال مركبات الطاقة الجديدة، وهو ثاني أعلى تكلفة بعد البطاريات. كما أن هناك طلبًا كبيرًا على IGBT في المحولات الكهروضوئية المستخدمة. في الوقت الحالي، يعاني سوق IGBT من اختلال كبير في العرض والطلب، وقد أدى انتشار الوباء في الخارج إلى محدودية الطاقة الإنتاجية للمصانع الكبيرة. ويكمن السبب الرئيسي لصعوبة توسيع المصنعين المحليين للإنتاج في نقص المعدات والكوادر الفنية ذات الخبرة. من ناحية أخرى، عادةً ما تستغرق المصانع الجديدة من سنة إلى ثلاث سنوات لدخول خطوط الإنتاج والتحقق من جاهزيتها، مما يتطلب وقتًا لإطلاق طاقة إنتاجية جديدة. ويتوقع الخبراء أن يعود التوازن بين العرض والطلب في يونيو 1.

تحليل مقارن لبراءة اختراع مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث للصين والولايات المتحدة

لتالي

شرح الرسوم المتحركة ثلاثية الأبعاد: لقد صدم مبدأ عمل الترانزستور أخيرًا. جوهر