Ein Artikel versteht IGBT

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2022-03-17 1161

1. Was ist IGBT?

Der vollständige Name von IGBT lautet Bipolartransistor mit isoliertem Gate, bei dem es sich um ein Gerät mit Verbundstruktur handelt. Es vereint die Vorteile eines MOS-Transistors und eines BJT-Bipolartransistors. Es wird häufig in den Bereichen Spannungs-Strom-Umwandlung und Leistungsabgabe eingesetzt, insbesondere im Hochspannungs- und Hochstrombereich. IGBT ist eines der wichtigsten Halbleiterbauelemente für die Steuerung und Nutzung von Energie durch den Menschen. Dieses Halbleiterbauelement wird hauptsächlich im Bereich der elektronischen Leistungsumwandlung eingesetzt und wird allgemein als Leistungshalbleiter bezeichnet. Die einfachsten Anwendungen, wie zum Beispiel unsere Notebook-Computer, sind mit Netzteilen ausgestattet, bei denen es sich um IGBT handelt, die beim Prozess der Spannungserhöhung und -senkung sowie der AC/DC-Änderung eine Rolle spielen. Offensichtlich ist der IGBT der wichtigste Vertreter der Leistungshalbleiter. Seine Funktion besteht darin, Elektrizität zu steuern, und es ist der Kernchip für die Umwandlung und Anwendung elektrischer Energie.

2. Ist IGBT ein kundenspezifisches Produkt oder ein allgemeines Produkt?
Verglichen mit anderen Chips ist ein IGBT ein Standardprodukt. Normalerweise werden auf den offiziellen Websites verschiedener Unternehmen detaillierte Einführungen zu IGBT-Produkten veröffentlicht, in denen verschiedene Parameter des jeweiligen IGBT-Produkts angegeben werden, wie z. B. maximaler Kollektorstrom ICM, maximale Emitterspannung UCES, Gate-Durchbruchspannung UGEM, Leitungsspannung, Spannungsfestigkeit, Schaltgeschwindigkeit, Trägertyp und -lebensdauer, Eingangskapazität, maximaler Kollektorstromverbrauch PCM, Betriebstemperaturbereich usw. Nach Einsicht dieser Parameter können Kunden das Produkt entsprechend ihren tatsächlichen Anwendungsanforderungen gestalten und anpassen. Je nach Anwendungsszenario und Kunde sind verschiedene Anpassungen erforderlich. Nach der Fertigstellung wird das Produkt wahrscheinlich nicht ersetzt. Sollte es jedoch nicht mehr lieferbar sein, kann es durch ein ähnliches Produkt eines anderen Unternehmens ersetzt werden. Im Wesentlichen betrachten wir IGBT jedoch weiterhin als universelles Standardprodukt.

3. Warum gilt IGBT als der vorteilhafteste Leistungshalbleiter für die CO2-Neutralität?
Mit der großflächigen Förderung sauberer Energie steigt auch die Nachfrage nach IGBTs. Typischerweise werden Photovoltaik-Wechselrichter eingesetzt. Diese benötigen eine große Anzahl von Hochspannungs- und Ultrahochspannungs-IGBTs und IGBT-Modulen, um den von der Photovoltaik erzeugten Grobstrom in Feinstrom umzuwandeln, der problemlos an das Internet angeschlossen werden kann. Dies ist daher ein wichtiger Schritt zur zukünftigen CO2-Neutralität. Beim Einsatz von IGBTs im Zeitalter der Elektrofahrzeuge waren früher alle Autos mit Benzinmotoren ausgestattet, und unabhängig von der Benzinvariante ließen sich die Abgasemissionen von Benzinfahrzeugen nicht verändern. Energiesparende und umweltfreundliche Fahrzeuge mit alternativen Antrieben werden jedoch heute gefördert, und die Zukunft wird die Ära der Elektrofahrzeuge mit alternativen Antrieben sein. Elektrofahrzeuge benötigen hierfür eine große Anzahl von Leistungshalbleiterprodukten wie IGBTs. Die Gewinnung und Nutzung sauberer elektrischer Energie ist der Schlüssel zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen und zur Erreichung der CO2-Neutralität in der Zukunft. Die Nutzung elektrischer Energie ist untrennbar mit Leistungshalbleitern und IGBTs verbunden.

4. Welche Bereiche gibt es für nachgelagerte Anwendungen? Wie groß ist die Industriefläche?
Da die Halbleiterindustrie eine Basisindustrie ist und Leistungshalbleiter in allen mit Elektrizität verbundenen Bereichen eine Rolle spielen, ist diese Branche sehr groß. Mindestens 50 % der uns umgebenden Produkte sind mit Elektrizität und Elektronikprodukten verbunden, wie z. B. Unterhaltungselektroniktelefone, Bluetooth-Headsets, Notebooks, verschiedene Haushaltsgeräte sowie große Industriemotoren, Schienenverkehr, Fahrzeuge mit alternativer Energie, Photovoltaik-Wechselrichter, intelligente Stromnetze usw. Wo immer Elektrizität benötigt wird, sind IGBTs grundsätzlich unverzichtbar. Was die Branchengröße betrifft, überstieg der globale Markt für IGBTs und Module 7 2019 Milliarden US-Dollar und wird in diesem Jahr 10 Milliarden US-Dollar übersteigen. Prognosen zufolge wird er bis 19 2026 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von etwa 15 %. Es handelt sich um einen relativ schnell wachsenden Markt und ein relativ stabiles Wachstumssegment. Im Gegensatz zu anderen Produkten wie Speichermedien, die Höhen und Tiefen sowie deutliche Zyklusänderungen aufweisen, gehören IGBTs zu einem stetigen Wachstumstyp. Mit der Einführung von Elektrofahrzeugen mit neuer Energie, der elektronischen Elektrifizierung verschiedener Branchen und der Nutzung sauberer Energien wächst der Bereich der Leistungshalbleiter, einschließlich IGBT, weiterhin stark und kräftig. Üblicherweise werden IGBTs je nach Spannung in verschiedene Klassen eingeteilt. Spannungen unter 650–900 V gelten als Mittel- und Niederspannung, Spannungen über 900–1200 V als Mittel- und Hochspannung und Spannungen über 1200 V als Hochspannung. IGBTs unter 650 V sind ebenfalls erhältlich, werden aber nicht so häufig verwendet. In diesem Bereich werden häufiger MOSFET-Produkte eingesetzt. Niederspannungs-IGBTs finden in den meisten Unterhaltungselektronikprodukten und Haushaltsgeräten etwa 30 % ihres Einsatzes. Hochspannungs-IGBTs machen in industriellen Hochleistungsbereichen 20 % aus. 15 % der IGBTs werden in Hochspannungs- und Hochleistungsenergiebereichen wie Hochgeschwindigkeitszügen, Photovoltaik-Wechselrichtern und im Schienenverkehr eingesetzt. Darüber hinaus machen Fahrzeuge mit neuer Energie im Bereich der Automobilelektronik mehr als 30 % aus und dies ist der vielversprechendste Bereich für die Zukunft.

5. Wie ist die Angebots- und Nachfragesituation auf dem Markt? Es wird erwartet, dass Angebot und Nachfrage in einigen Jahren ausgeglichen sein werden.
Derzeit besteht der gesamte Halbleiter-Out-of-Stock-Markt seit mehr als einem Jahr. Ab Juli 2020 kam es bei den Halbleiterprodukten zu unterschiedlich starken Spannungen, nach Oktober kam es zu einem allumfassenden Ausbruch, die Preise schossen in die Höhe und erreichten Ende Mai dieses Jahres ihren Höhepunkt. Die Preiserhöhung vieler Chips ist stark übertrieben und die Waferfabrik passt die Preise ständig an. Trotzdem ist es immer noch verrückt, Bestellungen aufzugeben, und der hektische Ansturm auf Chips im nachgelagerten Bereich führt zur Plünderung der vorgelagerten Produktionskapazitäten, was zu einem völligen Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage in der gesamten Branche führt. Viele Leute in der Branche haben verschiedene Vorhersagen und Annahmen getroffen, damit die Halbleiterindustrie das Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage wiederherstellen und zum Normalzustand zurückkehren kann, und haben verschiedene Zeitpunkte für die Rückkehr zum Normalzustand sowie die Voraussetzungen für die Bildung von Wendepunkten vorhergesagt . Meine persönliche Meinung ist, dass wir uns etwa im Juni 2022 zunächst einmal mit verschiedenen Faktoren befassen, die das Verhältnis zwischen Angebot und Nachfrage beeinflussen. Gemessen an den historischen Erfahrungen zur Beurteilung der Veränderungen in der Branche beträgt die Halbleiterboomphase im Allgemeinen 24 bis 36 Monate und die Kaltphase 12 bis 18 Monate. Seit Juni letzten Jahres glauben wir, dass es der Beginn der Boom-Periode ist, sodass diese Boom-Periode bis Juni 2022 andauern wird. In Anbetracht der Einflussfaktoren der Epidemie dürfte die Epidemie, obwohl sie den Rhythmus der globalen Industrie gestört hat, eine neue Chance und eine neue Herausforderung für die Halbleiterindustrie, insbesondere für China, darstellen. Zumindest glauben wir, dass es in diesen zwei Jahren zwei große Explosionspunkte gegeben hat. Die erste besteht darin, nach der Epidemie zu Hause zu arbeiten. Die Online-Arbeit hat zu einem Anstieg der Nachfrage nach verschiedenen Tablet-Laptops geführt, was die Nachfrage nach Halbleiterchips in die Höhe getrieben hat, da 90 % der Kosten für diese Produkte auf Halbleitergeräte entfallen. Daher wurde dieser Anstieg verursacht. Nach jeder Epidemie ist es die goldene Zeit des Automobilverkaufs. Gerade jetzt wurden das Konzept und der Zyklus neuer Energiefahrzeuge überlagert. Der Anteil an Halbleiterprodukten im gesamten Fahrzeug ist stark gestiegen, während er bei Fahrzeugen mit herkömmlichem Kraftstoff nur etwa 10-15 % beträgt. Allerdings machen die Halbleiterprodukte in New-Energy-Fahrzeugen mehr als 50 % aus. Die wichtigsten Teile dieses Stücks sind verschiedene Automobilelektronik, Automobil-Leistungshalbleiter, Sensoren, verschiedene Mikrosteuereinheiten MCU usw. Gemeinsam ist diesen Chips, dass eine ganze Reihe von Produkten im 8-Zoll-0.25-0.13-Verfahren hergestellt werden. Aufgrund von Ausrüstungsproblemen ist es jedoch schwierig, die Produktionskapazität der 8-Zoll-Linie zu erweitern, sodass die anhaltend starke Nachfrage nach diesen Produkten möglicherweise zu einer anhaltenden Chipknappheit führt. Allerdings wird ein zu hoher Preis auch die Downstream-Nachfrage verringern, sodass ich zu dem Schluss komme, dass es unter normalen Umständen bis Juni 2022 anhalten wird. Ich denke, dieser Zeitpunkt ist der Wendepunkt, nach dem sich die Chipknappheit abschwächen und die Lagerbestände beginnen werden. Das ist meine persönliche Einschätzung und ich schließe nicht einmal aus, dass dieser Knoten vorzeitig kommt. Jetzt werden Chinas umfangreiche Stromausfälle und Produktionsbeschränkungen die überhöhte Nachfrage nach unten verdrängen und die Lücke bei den Chips weiter schrumpfen lassen. Aus dieser Perspektive werden der Preis und die Nachfrage nach Chips für eine gewisse Zeit definitiv sinken, daher denke ich, dass dieses extreme Ungleichgewicht höchstens noch 6 bis 9 Monate anhalten und sich definitiv erholen wird, mit Ausnahme der Automobilelektronik. Natürlich. Diese Branche ist zu speziell, und es gibt zu viele Faktoren, die die Wiederherstellung der industriellen Wertschöpfungskette beeinflussen.

6. Wie groß sind die Auswirkungen der Epidemie im Ausland auf die IGBT-Produktionskapazität? Wann ist mit einer Linderung zu rechnen?
Die Epidemie im Ausland hat erhebliche Auswirkungen auf etablierte Halbleiterunternehmen wie Infineon und Ansenmei, und die Versorgung ist sehr instabil. Es ist schwer abzuschätzen, wann sich die Lage entspannt. Ich gehe zumindest nicht davon aus, dass sich die Lage vor Juni nächsten Jahres entspannen wird, und es könnte nach Juni einen Wendepunkt geben. Die Waren dieser großen Fabriken waren schon immer knapp, ob jetzt oder nicht. Ausgehend von der Situation der vergangenen Jahre wird es im Jahr immer eine Phase geben, in der die Versorgung nicht reibungslos verläuft und die Preise steigen. Diese Preissteigerungen betreffen jedoch hauptsächlich High-End-Produkte. Derzeit ist die inländische Substitutionsrate von Low-End-IGBT-Produkten relativ hoch und wird sich mit der Freigabe zukünftiger Produktionskapazitäten definitiv entspannen. Inländische Mittel- und Niederspannungsprodukte sind derzeit sehr ausgereift und ihr Preis-Leistungs-Verhältnis ist sehr hoch, aber es besteht immer noch eine gewisse Lücke zwischen High-End-Hochspannungsprodukten und ausländischen Produkten. Ich denke, diese Lücke spiegelt sich hauptsächlich darin wider, wie die Konsistenz und Stabilität der Produkte während der Massenproduktion aufrechterhalten werden kann. Es ist nicht so, dass China dazu nicht in der Lage wäre, sondern dass die Qualität von Mittel- und Niederspannungsprodukten nicht kontrolliert werden kann, wenn sie in großen Mengen vorhanden sind. Die gute inländische Substitutionsdynamik hat bereits alles erklärt.

7. Was ist der Unterschied zwischen IGBTs, die in Fahrzeugen mit alternativer Energie, Photovoltaik und Energiespeichern eingesetzt werden? Für welche Funktionen werden sie eingesetzt?
Derzeit liegt die von Automobilen genutzte neue Energie hauptsächlich zwischen 650 und 900 V. Einige Automobilhersteller verwenden auch 1200-V-Systeme, darunter OBC, das 650-V-Einzelröhrenmodul verwendet, und PCU, das 900-V-IGBT-Modul verwendet. Die Wahl des zu verwendenden IGBT-Typs hängt vom Batteriepack-System und der Spannung des jeweiligen Automobilherstellers ab. Die verschiedenen Typen sind sehr unterschiedlich. IGBT-Module, hauptsächlich IGBTs, und einige andere Leistungshalbleiterbauelemente wie FRD (Fast Recovery), TVS (Instantaneous Voltage), SBD usw. werden benötigt, um ein Modul zu bilden, das verschiedenen Szenarien und Anforderungen gerecht wird. Bei einem IGBT-IPM-Modul ist der interne Leistungssteuerungs-IC integriert, und neben IGBTs und anderen Leistungshalbleiterprodukten gibt es auch einen Leistungsverwaltungs-IC.

8. Welchen Anteil haben IGBTs an den Kosten für Fahrzeuge mit neuer Energie/Photovoltaik/Energiespeicher?
PCU+OBC, ein Fahrzeug mit alternativer Energie, macht mindestens 25–30 % des Gesamtfahrzeugs aus, und das Kostenverhältnis ist bei verschiedenen Modellen sehr unterschiedlich. Beispielsweise kostet ein magisches Auto wie der Wuling Mini insgesamt 2.98 Yuan, und die Kosten für die elektronische Steuerung übersteigen nicht 3,000 Yuan. Dieses Auto benötigt nicht einmal IGBT, sondern ausschließlich MOSFET. Beispielsweise kostet ein Great Wall Euler Black Cat 60,000 bis 70,000 Yuan pro Stück, und die Kosten für ein Batteriepaket betragen 15,000 Yuan, und ein IGBT kann verwendet werden. Der Verbrauch und die Kosten von IGBT sind in Autos der oberen Preisklasse hoch, und IGBT werden auch als Wechselrichter für Photovoltaik und Energiespeicher verwendet. Dieses Kostenverhältnis ist schwer zu beziffern, da der Großteil eines Kraftwerks aus Perchlorethylen-Batterien und anderen Strukturen besteht, die von der Investitionshöhe abhängen.

9. Wird es in verschiedenen Branchen zu einer Kapazitätsübernahme bei IGBTs kommen?
Dies ist der Status quo der gesamten Branche. Das bedeutet, dass jeder, der über genügend Geld verfügt, Produktionskapazitäten ergattern kann. Große Unternehmen sind aufgrund ihrer hohen Finanzkraft im Vorteil. Derzeit sind ein beträchtlicher Anteil der inländischen Leistungshalbleiter IDM-Modelle. Silanwei und Shidai Electric beispielsweise verfügen über eigene Produktionslinien und können sich daher keine Produktionskapazitäten sichern. Ein weiteres Unternehmen, das IGBT-OEM-Arbeit leisten kann, ist Hua Hong, dessen Produktionskapazitäten auf Eroberung angewiesen sind. Einige finanzkräftige Unternehmen wie Starr haben bereits eine Reihe anderer Unternehmen unter Vertrag genommen.

10. Werden für IGBT individuelle Anforderungen an die Produktionslinien gestellt? Was ist der Hauptunterschied?
Der Prozess von IGBT unterscheidet sich erheblich von dem herkömmlicher Logikprodukte. Zumindest der Dotierungsprozess durch Ionenimplantation und der Rücksubtraktionsprozess unterscheiden sich deutlich, und es gibt verschiedene spezielle Epitaxieschichtprozesse usw. Diese unterscheiden sich grundlegend von gewöhnlichen digitalen und analogen Schaltkreisen.

11. Kann die IGBT-Produktionslinie die Produktspezifikationen vorübergehend anpassen, beispielsweise kann die für die Photovoltaikproduktion verwendete IGBT-Produktionslinie vorübergehend auf die IGBT-Produktionslinie für Pkw-Messgeräte umgestellt werden?
Die Anforderungen an die Automobilqualität sind relativ hoch, und wenn sie einmal festgelegt sind, ist ein einfacher Austausch nicht mehr möglich. Obwohl es sich bei allen um IGBTs handelt, stellen sie aufgrund ihrer unterschiedlichen Branchen völlig unterschiedliche Anforderungen an IGBTs, und eine Vermischung ist nicht möglich. Da jedoch alles von einem Unternehmen produziert wird, wird die Kapazität verschiedener IGBTs auf die Produktionslinie verteilt, was eine unternehmensinterne Angelegenheit ist. Die Ausrüstung ist immer noch diese Ausrüstung, und die Produktionslinie ist immer noch diese Produktionslinie. Es gibt gewisse Unterschiede in der Verpackung, daher können wir nur darauf hinweisen. Gleichzeitig mischen Kunden Produktlinien nicht gerne mit anderen Produkten, daher sind IGBT-Leitungen für Automobile einzigartig.

12. Gibt es einen großen Unterschied zwischen der Zertifizierungszeit der Fahrzeugspurweite und der Photovoltaik-IGBT-Produktionslinie?
Anders als die sehr hohen Anforderungen an das Messgerät sind die Werksinspektionsanforderungen der gesamten Fahrzeugfabrik äußerst streng. Nicht nur die Lieferanten, sondern auch die Lieferanten der Lieferanten, die Rohstofflieferanten der Lieferanten usw., die PV-Produktlinie ist relativ einfach und der Unterschied ist groß.

13. Was ist das größte Problem beim Ausbau neuer Kapazitäten?
Was die Prozessschwierigkeiten betrifft, so können IGBTs grundsätzlich im 8-Zoll-Verfahren hergestellt werden, und einige Industrieunternehmen haben bereits mit der Einführung von 12-Zoll-Prozessen begonnen. Der Aufbau neuer Produktionskapazitäten bedeutet jedoch nicht, die Produktion zu erweitern, wenn das Geld vorhanden ist. Die größten Probleme bei 8-Zoll-Prozessen sind der Mangel an Ausrüstung und der höhere Preis. So ist der Preis für 8-Zoll-Ausrüstung fast gleich hoch wie für 12-Zoll-Ausrüstung, die Lieferzeiten sind lang, und der Fachkräftemangel plagt die chinesische Halbleiterindustrie. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es vor allem an Ausrüstung und erfahrenen Mitarbeitern mangelt.

Zusammenfassung: IGBT ist der Kernchip für die Umwandlung und Anwendung elektrischer Energie und ein sehr wichtiger Bestandteil der CO1-Neutralität. Sein größtes nachgelagertes Anwendungsgebiet ist der Bereich der Fahrzeuge mit alternativer Energie, und er stellt nach Batterien den zweitgrößten Kostenfaktor dar. Darüber hinaus besteht eine große Nachfrage nach IGBT für Wechselrichter in der Photovoltaik. Derzeit herrscht auf dem IGBT-Markt ein erhebliches Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage, und die Epidemie in Übersee führt zu begrenzten Produktionskapazitäten großer Fabriken. Der Hauptgrund für die Schwierigkeiten inländischer Hersteller bei der Produktionsausweitung liegt im Mangel an Ausrüstung und erfahrenem Fachpersonal. Andererseits dauert es in der Regel ein bis drei Jahre, bis neue Fabriken die Produktion aufnehmen und verifiziert werden, sodass die Freigabe neuer Produktionskapazitäten einige Zeit in Anspruch nimmt. Experten gehen davon aus, dass Angebot und Nachfrage im Juni 3 wieder ausgeglichen sein werden.

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