Kernideen:

Für Leistungshalbleiter wird 2021 ein starker Aufschwung erwartet. 2018 kam es aufgrund der rasant steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und anderen Chips, die die Produktionskapazität von 8-Zoll-Chips auslasteten, zu Engpässen und Preiserhöhungen. 2019 stagnierte der Markt für Leistungshalbleiter aufgrund des Rückgangs bei Smartphones und traditionellen Autos sowie der stetigen Entwicklung der Elektromobilität. 2020 war die Nachfrage nach Leistungshalbleitern in der ersten Jahreshälfte aufgrund der Pandemie schwach, stieg aber ab dem dritten Quartal deutlich an. Treiber dieser Entwicklung waren unter anderem die Stromversorgung für 5G, Smartphones, Industrie, Elektrofahrzeuge und IoT-Geräte. Die Pandemie im Ausland beeinträchtigte die Produktionskapazitäten ausländischer Hersteller, was bei einigen Produkten zu Engpässen und Preiserhöhungen führte. Wir gehen davon aus, dass Leistungshalbleiter aufgrund der vielfältigen Nachfrage 2021 einen starken Aufschwung erleben werden.

Branchenperspektive

Im Jahr 2021 werden Nachfragewachstum, Preissteigerungen und die Substitution durch inländische Anbieter gute Entwicklungschancen für Leistungshalbleiter bieten: Aufgrund der globalen COVID-4-Pandemie wird der weltweite Markt für Leistungshalbleiter im Jahr 2020 zurückgehen. QYResearch prognostiziert für 2020 einen Rückgang von 9.1 % gegenüber dem Vorjahr. Für 2021 wird ein Wachstum von 8.1 % gegenüber dem Vorjahr erwartet, getrieben durch die Nachfrage nach 5G-Mobiltelefonen, Elektrofahrzeugen und IoT. Im vierten Quartal 2020 verlängerten sich die Lieferzeiten für Leistungshalbleiterprodukte von ON Semiconductor (Infineon, STMicroelectronics und Diodes) generell. Der Preisanstieg bei einigen MOSFET-Produkten, insbesondere von Infineon, war deutlich. Auch inländische Marken verzeichneten Lieferengpässe und Preiserhöhungen. Die MOSFET-Preise stiegen im Allgemeinen um 10–20 %. Im Jahr 2019 entwickelte sich China zum weltweit größten Markt für Leistungshalbleiter mit einem Marktanteil von 35.9 %. Der Selbstversorgungsgrad ist jedoch gering. Am Beispiel von IGBTs lässt sich zeigen, dass er 2019 lediglich 16.3 % betrug. Wir gehen davon aus, dass Leistungshalbleiter im Jahr 2021 aufgrund von Nachfragewachstum, Preissteigerungen und der Substitution durch inländische Hersteller gute Entwicklungschancen erhalten werden, wovon die gesamte Wertschöpfungskette profitieren wird.

Der Markt für Elektrofahrzeuge boomt, und die Nachfrage nach IGBTs steigt rasant. Elektrofahrzeuge befinden sich in einer Phase starken Wachstums. Im November 2020 lagen Produktion und Absatz von Elektrofahrzeugen bei 198,000 bzw. 200,000 Einheiten, was einem Anstieg von 75.1 % bzw. 104.9 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Prognosen zufolge wird die weltweite Anzahl von Elektrofahrzeugen bis 2025 11 Millionen erreichen, wobei China 50 % davon ausmachen wird. Elektrofahrzeuge benötigen eine große Menge neuer Leistungshalbleiter. Ein 48-V-Mildhybridfahrzeug erfordert Mehrkosten von über 90 US-Dollar, ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug Mehrkosten von über 330 US-Dollar. Es wird erwartet, dass die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von IGBT-Modulen für die Automobilindustrie von 2018 bis 2023 23.5 % erreichen wird. Die Herstellung von Leistungshalbleitern für die Automobilindustrie ist komplex und der Markt stark konzentriert, wobei europäische und amerikanische Hersteller eine führende Position innehaben. 2019 war Infineon mit einem Marktanteil von 25.5 % der weltweit größte Hersteller von IGBT-Halbleitern, gefolgt von STMicroelectronics mit 13.9 %. Die fünf größten Unternehmen vereinten insgesamt 62.1 % auf sich, was auf eine hohe Marktkonzentration hindeutet. Chinesische Unternehmen verfügen im Bereich der Leistungshalbleiter für die Automobilindustrie über eine schwache Basis. Der rasante Aufstieg der Elektromobilität in China in den letzten Jahren hat jedoch auch die Entwicklung der IGBT-Industrie beflügelt. Infineon belegte 2019 mit einem Marktanteil von 49.3 % den ersten Platz im chinesischen IGBT-Segment für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben, gefolgt von BYD mit 20 % Marktanteil, das hauptsächlich Eigenprodukte anbietet. Star Semiconductor belegte mit einem Marktanteil von 16.6 % und starkem Wachstum den dritten Platz.

Die Leistung von Halbleitern der dritten Generation ist exzellent und die Nachfrage steigt stetig. Siliziumkarbid (SiC) findet hauptsächlich Anwendung in Haushaltsgeräten, im Bereich erneuerbarer Energien (Elektrofahrzeuge, Windkraft, Photovoltaik) und in industriellen Anwendungen. Prognosen zufolge wird der Markt für Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter im Jahr 2027 die 10-Milliarden-US-Dollar-Marke überschreiten. Im Automobilbereich sind SiC-MOSFETs hinsichtlich ihrer Leistung deutlich überlegen, da sie Verluste reduzieren und Modulvolumen und -gewicht verringern können. Das Model 3 war das erste Fahrzeug mit SiC-MOSFETs und ebnete damit den Weg für den Einsatz von SiC in Elektrofahrzeugen. Im Jahr 2020 verwendete auch BYD Han SiC-Module, wodurch Beschleunigung, Leistung und Reichweite deutlich verbessert wurden. Das Brennstoffzellenfahrzeug Toyota Mirai ist ebenfalls mit SiC ausgestattet, wodurch das Volumen des Leistungsmoduls um 30 % und die Verluste um 70 % reduziert werden konnten. Wir sind überzeugt, dass SiC mit sinkenden Kosten und zunehmender technologischer Reife ein großes Anwendungspotenzial im Bereich der Elektrofahrzeuge bietet.

Wichtige Unternehmen: Star Semiconductor, Hua Hong Semiconductor, China Resources Micro, Silan Micro und New Clean Energy.

Risikohinweis: Die Entwicklung von Elektrofahrzeugen entspricht nicht den Erwartungen, der Absatz von Smartphones entspricht nicht den Erwartungen und der Fortschritt bei 5G ist geringer als erwartet.

1. Breites Anwendungsspektrum und stetige Entwicklung der Leistungshalbleiterindustrie

1.1 Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate des globalen Marktes für Leistungshalbleiter wird von 2019 bis 2025 voraussichtlich 4.3 % betragen.

Leistungshalbleiter finden breite Anwendung in verschiedenen Elektronikprodukten. Der Markt für Leistungshalbleiter hatte 2019 ein Volumen von 17.5 Milliarden US-Dollar. Yole prognostiziert für 2025 ein Marktvolumen von 22.5 Milliarden US-Dollar und eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 4.3 % im Zeitraum von 2019 bis 2025.

Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von IGBT-Modulen beträgt von 2019 bis 2025 18 %. Dank der rasanten Entwicklung neuer Energien (Elektrofahrzeuge, Windkraft und Photovoltaik) und der industriellen Steuerungstechnik wird prognostiziert, dass der Gesamtmarkt für IGBT-Module im Jahr 2025 ein Volumen von 5.4 Milliarden US-Dollar erreichen und damit 24 % des gesamten Leistungshalbleitermarktes ausmachen wird.

Den größten Anteil hat der Automobilsektor, gefolgt vom Motorensektor. Im Jahr 2019 betrug der Umsatz im Automobilsektor (einschließlich Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Silizium-MOSFETs) 1.5 Milliarden US-Dollar, im Bereich Motorantriebe (Motorantriebe, IGBT-Module) 1.4 Milliarden US-Dollar, in Smartphones und drahtlosen Geräten (Silizium-MOSFETs) 1.3 Milliarden US-Dollar, in Computertechnologie (Computing) und Datenspeicherung (Silizium-MOSFETs) 1.2 Milliarden US-Dollar, im Industriesektor (Silizium-MOSFETs) 1.1 Milliarden US-Dollar und im Bereich Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge (IGBT-Module) 600 Millionen US-Dollar (sonstige Bereiche: 10.4 Milliarden US-Dollar). Betrachtet man den Anteil der verschiedenen Komponenten am Markt für Leistungshalbleiter, so entfallen 45 % auf Silizium-MOSFETs. Eine weitere wichtige Komponente sind IGBT-Module mit einem Marktvolumen von 3.7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2019. Anwendungen in der Industrie, in Wechselrichtern zur Energierückgewinnung sowie in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen haben großes Interesse geweckt (insbesondere Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge als neueste Anwendungsbereiche).

Rasantes Wachstum bei SiC-MOSFETs für die Automobilindustrie. Aufgrund der Nachfrage von Automobilherstellern wie Tesla in den USA und BYD in China ersetzen Siliziummodule zunehmend IGBT-Module als Hauptwechselrichter. Es wird prognostiziert, dass der Markt für SiC-MOSFETs aufgrund des Wachstums von Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen ebenfalls expandieren wird. Diskrete SiC-Transistoren werden zukünftig als effiziente On-Board-Ladesysteme mit MOSFETs konkurrieren.

1.2 Chinas Markt für Leistungshalbleiter ist weltweit führend, und die führenden inländischen Unternehmen entwickeln sich rasant.

Im Jahr 2019 entfielen 35.9 % des globalen Marktes auf Chinas Leistungshalbleiter: China ist der weltweit größte Verbraucher von Leistungshalbleitern, und die wichtigsten Produkte im Segment der Leistungshalbleiter belegen alle den ersten Platz im chinesischen Marktanteil.

Der globale Marktanteil der führenden chinesischen Leistungshalbleiter ist nach wie vor sehr gering, und es besteht eine deutliche Lücke zu den internationalen Giganten: Ähnlich wie in der gesamten Halbleiterindustrie unterscheiden sich die Jahresumsätze der führenden chinesischen Leistungshalbleiterhersteller (China Resources Micro, Star Semiconductor, New Clean Energy, Yangjie Technology, China Microelectronics, Silan Micro usw.) im Vergleich zu ausländischen IDM-Herstellern erheblich von denen der internationalen Marktführer. Die Produktstruktur ist im Niedrigpreissegment angesiedelt, was auf eine erhebliche Diskrepanz zwischen Marktgröße und Autonomiegrad im chinesischen Leistungshalbleitermarkt hindeutet und ein enormes Potenzial für die Substitution durch inländische Hersteller bietet. Derzeit entwickelt sich Chinas Leistungshalbleiterindustrie rasant. Wingtech Technology übernahm Nexperia, und zahlreiche Leistungshalbleiterunternehmen wie Star Semiconductor, China Resources Micro und New Clean Energy sind nacheinander an die Börse gegangen und verzeichnen ein starkes Wachstum.

2. Aufgrund der hohen Nachfrage werden Leistungshalbleiter im Jahr 2021 einen starken Aufschwung erleben.

2.1 Die Lieferzeiten der wichtigsten internationalen Leistungshalbleiterhersteller haben sich verlängert.

Im vierten Quartal 2020 verlängerten sich die Lieferzeiten für MOSFETs, IGBTs und andere Produkte von Infineon generell, wobei die längste Lieferzeit bis zu 30 Wochen betrug. Die Preise für Niederspannungs- und Hochspannungs-MOSFETs sowie für Transistoren für die militärische Luftfahrt stiegen. Die Lieferzeiten für Leistungshalbleiterprodukte von STMicroelectronics verlängerten sich ebenfalls, die Preise blieben jedoch stabil.

Im vierten Quartal 2020 verlängerten sich die Lieferzeiten für MOSFET- und Transistorprodukte von Diodes, wobei der längste Lieferzyklus 20 Wochen betrug. Gleichzeitig stiegen die Preise für Niederspannungs-MOSFETs. Auch die Lieferzeiten für die Leistungselektronikprodukte von ON Semiconductor verlängerten sich, und die Preise für Hoch- und Niederspannungs-MOSFETs stiegen.

2.2 Der Preisanstiegstrend bei Leistungshalbleiter-MOSFETs ist offensichtlich.

Die Preise für MOSFETs stiegen um 10–20 %. Laut Branchenanalysen waren ausländische Marken, insbesondere Infineon, von November bis Dezember 2020 nicht lieferbar. Auch inländische Marken verzeichneten Engpässe und Preiserhöhungen. Die MOSFET-Preise am Markt stiegen generell um 10–20 %.

China hat einen hohen Bedarf an MOSFETs, ist aber stark von Importen abhängig. Laut IHS-Daten betrug der weltweite MOSFET-Markt 2019 ein Volumen von 7.6 Milliarden US-Dollar, wovon 39 % auf den chinesischen Markt entfielen. Betrachtet man die Marktstruktur, so halten Infineon, ON Semiconductor, Toshiba, ST und Renesas zusammen 61 % des chinesischen Marktanteils. Große internationale Hersteller leiden unter Lieferengpässen und deutlichen Lieferengpässen.

Die Nachfrage stieg sprunghaft an, und unzureichende Produktionskapazitäten für 8-Zoll-MOSFETs führten zu Engpässen und Preiserhöhungen. Die Elektrifizierung von Automobilen hat den Bedarf an MOSFETs enorm gesteigert. Die Forderung nach Energieeinsparung und Umweltschutz in nachgelagerten Elektronikgeräten hat nicht nur das Nachfragewachstum befeuert, sondern auch zu einer raschen Weiterentwicklung der Produktstruktur geführt. Der Beginn der 5G-Kommerzialisierung hat die Nachfrage nach MOSFETs exponentiell ansteigen lassen. Im Bereich der Stromversorgung von Ladesäulen und der 5G-Kommunikation wird für dieses Jahr ein Nachfragewachstum von 20–30 % prognostiziert. Die im ersten Halbjahr aufgestaute Nachfrage nach Computern, Haushaltsgeräten und Schnellladetechnologie wird nun schrittweise befriedigt. Auf der Angebotsseite basiert die MOSFET-Produktion hauptsächlich auf 8- und 6-Zoll-Wafer-Foundries, wobei Wafer mit 12 Zoll und kleiner über 80 % ausmachen. Laut Branchenanalysen sind die Produktionskapazitäten der großen Wafer-Foundries für 8-Zoll-Wafer derzeit voll ausgelastet. Beispielsweise sind die Kapazitätsauslastungsraten inländischer 8-Zoll-Waferfabriken wie Huahong und China Resources Micro nahezu voll ausgelastet, und die Kapazität der 8-Zoll-Waferfabrik von UMC wird bis zur zweiten Hälfte des Jahres 2021 voll ausgelastet sein.

Diodes (USA und Taiwan) erhöht ab dem 1. Januar 2021 die Preise für einige Produkte. In einer Preisankündigung an die Kunden erklärte das Unternehmen, dass es aufgrund der Auswirkungen der COVID-19-Pandemie mit gestiegenen Kosten und verlängerten Lieferzeiten der Zulieferer konfrontiert sei. Aus diesem Grund werden die Preise für einige Produkte ab dem 1. Januar 2021 angehoben.

Die Preise für SGT-MOS-Produkte von Silan Micro steigen um 20 %. Hangzhou Silan Microelectronics gab am 9. Dezember bekannt, dass die Kosten für die entsprechenden Produkte aufgrund steigender Preise für MOS-Wafer und Verpackungsmaterialien sowie der Auswirkungen auf die Produktionskapazität weiter steigen. Um die Produktversorgung sicherzustellen und die guten Geschäftsbeziehungen aufrechtzuerhalten, hat das Unternehmen nach sorgfältiger Prüfung beschlossen, die Preise für seine SGT-MOS-Produkte ab dem 9. Dezember 2020 um 20 % zu erhöhen.

Xinjie Energy wird die Preise einiger Produkte ab dem 1. Januar 2021 erhöhen. Bereits am 21. Dezember 2020 informierte Wuxi New Clean Energy seine Kunden über eine Preisanpassung. Darin hieß es, dass die Produktkosten aufgrund stetig steigender Rohstoff- und Verpackungskosten, begrenzter Produktionskapazitäten und verlängerter Produktionszyklen deutlich gestiegen seien und der ursprüngliche Preis die Nachfrage nicht mehr decken könne.

Für Leistungshalbleiter wird 2021 ein starker Aufschwung erwartet. 2018 kam es aufgrund der rasant steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und anderen Chips, die die Produktionskapazität von 8-Zoll-Chips auslasteten, zu Engpässen und Preiserhöhungen. 2019 stagnierte der Markt für Leistungshalbleiter aufgrund des Rückgangs bei Smartphones und traditionellen Autos sowie der stetigen Entwicklung der Elektromobilität. 2020 war die Nachfrage nach Leistungshalbleitern in der ersten Jahreshälfte aufgrund der Pandemie schwach. Ab dem dritten Quartal stieg sie jedoch deutlich an, angetrieben durch den Bedarf an 5G-Netzteilen, Smartphones, Schnellladetechnologie, Industrieanwendungen, Elektrofahrzeugen und IoT-Geräten. Einige Produkte waren erneut von Engpässen und Preiserhöhungen betroffen. Wir gehen davon aus, dass Leistungshalbleiter 2021 einen starken Aufschwung erleben werden.

3. Starke Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, getrieben durch Bedarf in verschiedenen Bereichen und Substitution im Inland – IGBT hat eine vielversprechende Zukunft.

3.1 IGBT – das Kronjuwel der Leistungshalbleiter, CPUs in leistungselektronischen Geräten und Systemen

Der IGBT ist ein integriertes Leistungshalbleiterbauelement mit komplexem Funktionsprinzip. Strukturell vereint er nahezu alle Grundstrukturen von Halbleiterbauelementen, wie Dioden, Bipolartransistoren (BJTs), Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs), MOSFETs und Thyristoren (SCRs). Änderungen der Strukturparameter des IGBT führen zu entsprechenden Änderungen seiner Leistungsfähigkeit. Prozesstechnisch nutzt der IGBT die MOS-Technologie für die großflächige Leistungsintegration. Das Design ermöglicht eine Verkleinerung der Einheitszellen. Je mehr Zellen parallel geschaltet sind, desto geringer wird der Spannungsabfall im Durchlasszustand (Leitungsverlust).

Die IGBT-Technologie existiert seit über 30 Jahren und hat im Wesentlichen sechs Generationen von Technologie- und Prozessverbesserungen durchlaufen. Strukturell lassen sich IGBTs in vertikale Bauweise, IGBT-Gate-Struktur und Siliziumwafer-Verarbeitungstechnologie unterteilen. Der Hauptentwicklungstrend zielt auf die Reduzierung von Verlusten ab.

IGBTs eignen sich für Hochspannungsanwendungen: Sie sind zusammengesetzte Leistungshalbleiterbauelemente, die Bipolartransistoren (BJT) und MOSFETs kombinieren. Sie vereinen die Vorteile von MOSFETs – hohe Schaltgeschwindigkeit, hohe Eingangsimpedanz, geringe Steuerleistung, einfache Ansteuerschaltung und geringe Schaltverluste – mit den Vorteilen von BJTs – niedrige Durchlassspannung, hoher Durchlassstrom und geringe Verluste. In Bezug auf hohe Spannung, hohen Strom und hohe Schaltgeschwindigkeit sind sie anderen Leistungshalbleitern überlegen. Daher sind sie ideale Schaltelemente für die Leistungselektronik und prägen die zukünftige Anwendungsentwicklung. Die Stabilität von IGBTs ist etwas geringer als die von MOSFETs, aber höher als die von BJTs. Allerdings lässt sich die Spannungsfestigkeit von IGBTs leichter erhöhen als die von MOSFETs, und sie sind weniger anfällig für Ausfälle durch Sekundärdurchbrüche. Dies macht sie für Hochspannungsanwendungen geeignet.

Als Kernkomponente in der industriellen Steuerung und Automatisierung finden IGBT-Module breite Anwendung in Bereichen wie der Energieeinsparung in Motoren, dem Schienenverkehr, intelligenten Stromnetzen, der Luft- und Raumfahrt, Haushaltsgeräten, Automobilelektronik, der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und Elektrofahrzeugen. Mit der Entwicklung von Elektrofahrzeugen und der zunehmenden Verbreitung von frequenzgeregelten Haushaltsgeräten boomt der IGBT-Markt. IGBTs verbessern nicht nur den Automatisierungsgrad und die Steuerungsgenauigkeit von Anlagen in industriellen Anwendungen, sondern steigern auch die Effizienz der elektrischen Energienutzung erheblich, reduzieren gleichzeitig Produktvolumen und -gewicht und sparen Material.

IGBTs bieten deutliche Vorteile oberhalb von 600 V und können aktuell bis zu Hochspannungen von 6500 V eingesetzt werden. Im Hochspannungsbereich stellen SiC-MOSFETs eine Alternative zu IGBTs dar, sind aber nach wie vor teuer.

Mit der ständigen Weiterentwicklung von Anwendungen steigen auch die Anforderungen an IGBT-Chips und -Module. Die Chips müssen flächenschonender sein und schnelle Schaltzeiten ermöglichen. IGBTs müssen höhere Spannungen und Ströme übertragen können und sich durch geringe Verluste und hohe Zuverlässigkeit auszeichnen.

Leistungsmodule in Automobilqualität erfordern eine höhere elektrische Betriebssicherheit, eine längere Lebensdauer, eine bessere Energieeinsparung, eine hohe Störfestigkeit, ein geringes Gewicht, Kompaktheit usw.

Um den vielfältigen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden, wird auch die Technologie für die Gehäuse von Leistungsmodulen ständig weiterentwickelt. Dies umfasst vor allem neue Technologien für Si-Bauelemente, die Reduzierung des Wärmewiderstands, neue Chip-Schweißverfahren, die beidseitige Wärmeableitung, die Verbesserung der Integration usw.

3.2 Fahrzeuge mit neuer Energie sind die Haupttriebkraft für das Wachstum von IGBT-Modulen.

Der Wert von Leistungshalbleitern für Elektrofahrzeuge hat deutlich zugenommen: Der Wert neuer Leistungshalbleiter stammt hauptsächlich aus den drei Antriebssystemen von Automobilen: Leistungssteuerung, elektrischer Antrieb und Batteriesystem. In der Leistungssteuerung wandeln IGBT- oder SiC-Module Hochspannungs-Gleichstrom in Wechselstrom um, der den Drehstrommotor antreibt. In On-Board-Ladegeräten (AC/DC- und DC/DC-Wandlern) kommen IGBT- oder SiC-, MOS- und SBD-Transistoren zum Einsatz. In Hochspannungs-Hilfssteuergeräten wie der elektrischen Servolenkung, Wasserpumpen, Ölpumpen, PTC-Reglern und Klimakompressoren werden IGBT-Transistoren oder -Module verwendet. In ISG-Start-Stopp-Systemen von Elektrofahrzeugen werden MOS-Transistoren in Niederspannungssteuergeräten wie Scheibenwischern eingesetzt.

(1) Elektrisches Drehzahlregelungssystem: In Drehzahlregelungssystemen für Elektrofahrzeuge gibt es zwei Hauptarten von Leistungshalbleitern: Chopper für Gleichstrommotoren und Wechselrichter für Wechselstrommotoren. (1) Chopper: Für die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren werden üblicherweise Chopper eingesetzt. Der Leistungsschaltkreis ist relativ einfach und der Wirkungsgrad relativ hoch. Mit der Weiterentwicklung der Leistungshalbleiter kann die Frequenz des Choppers mehrere tausend Hertz erreichen, wodurch er sich sehr gut für die Drehzahlregelung von Gleichstrom-Traktionsmotoren eignet. Elektrofahrzeuge werden von Gleichstrommotoren angetrieben. Unabhängig davon, ob es sich um Reihenschluss- oder Fremderregungsmotoren handelt, werden Chopper als Leistungswandler eingesetzt. Die Leistungshalbleiter von Choppern verwenden meist MOSFETs und BJTs. (2) Im DC/DC-Wandlungsmodus des Wechselrichters gibt es im Allgemeinen zwei Methoden: DC-Chopper plus Wechselrichter und DC/DA-Wechselrichter. Da die Versorgungsspannung von Elektrofahrzeugen niedrig ist, würde die Verwendung der erstgenannten Methode zu viele Energieübertragungsglieder erfordern, was den Wirkungsgrad des Gesamtsystems verringern würde. Die Verwendung eines PWM-Spannungswechselrichters zeichnet sich durch einen einfachen Schaltkreis, wenige Glieder und einen hohen Wirkungsgrad aus. Darüber hinaus sind mittlerweile auch Resonanz-DC-Zwischenkreisumrichter und Hochfrequenz-Resonanz-AC-Zwischenkreisumrichter verfügbar. Dank der Nulldurchgangsschaltung (Nullspannungs- oder Nulldurchgangsschaltung) zeichnen sich Resonanzumrichter durch geringe Schaltverluste, geringe elektromagnetische Störungen, niedriges Rauschen, hohe Leistungsdichte und hohe Zuverlässigkeit aus.

(2) Energiewandler: Die Hauptkomponente des Energiewandlers von Elektrofahrzeugen ist das Leistungshalbleiterbauelement. Gängige Leistungshalbleiterbauelemente sind derzeit CTO, BJT, MOSFET, IGBT, SITSITH und MCT. CTO und MCT zeichnen sich durch hohe Schaltgeschwindigkeit, hohe Energieübertragungskapazität, hervorragende dynamische Eigenschaften und hohe Zuverlässigkeit aus. Sie eignen sich daher sehr gut für den Antrieb von Elektrofahrzeugen. Gleichzeitig beeinflussen Leistungshalbleiterbauelemente die Struktur des Energiewandlers. DC/DC- und DC/AC-Wandler werden in Gleichstrommotoren bzw. Wechselstrommotoren eingesetzt.

(3) On-Board-Ladegerät: Die Entwicklung von On-Board-Ladegeräten ist eine notwendige Voraussetzung für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen, da sie die Stromversorgung der Fahrzeugbatterien durch das Wechselstromnetz effektiv ergänzen. Die Funktion des Ladegeräts besteht in der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, wofür Leistungshalbleiter wie IGBTs benötigt werden. Elektrofahrzeuge stellen neue Anforderungen an diese Leistungshalbleiter. Sie erfordern nicht nur zweistufiges Laden mit Konstantstrom und Konstantspannung, sondern auch hohe Effizienz, geringes Gewicht, vielfältige Schutzfunktionen wie Selbstprüfung und automatisches Laden sowie die Möglichkeit, die Ladekurve zu programmieren, die Batterietemperatur zu überwachen und das Stromnetz nicht zu belasten.

(4) Ladesäulen: Als unverzichtbare Basisinfrastruktur für Elektrofahrzeuge befindet sich die Ladesäulenindustrie meines Landes in einer Phase rasanten Wachstums und bietet großes Zukunftspotenzial. Laut Infineon-Statistiken benötigt eine 100-kW-Ladesäule ein Leistungsgerät im Wert von 200–300 US-Dollar, wobei das IGBT-Modul das Kernstück der Ladesäule darstellt.

Unterschiedliche Elektrofahrzeuge benötigen unterschiedliche Mengen an Leistungshalbleiterbauelementen. Mit der steigenden Anzahl rein elektrischer Fahrzeuge werden sowohl die Stückzahlen als auch die Preise für Leistungshalbleiterbauelemente im Automobilbereich steigen.

Laut Daten von Infineon werden im Jahr 2020 für 48-V-Mildhybridfahrzeuge zusätzliche Leistungshalbleiter im Wert von 90 US-Dollar benötigt, und für Elektrofahrzeuge oder Hybride werden zusätzliche Leistungshalbleiter im Wert von 330 US-Dollar benötigt.

Im Jahr 2019 erreichte die weltweite Anzahl von Elektrofahrzeugen 2.21 Millionen, ein Anstieg von 10 % gegenüber dem Vorjahr. In China belief sich der Absatz von Fahrzeugen mit neuer Energie auf 1.206 Millionen, ein Rückgang von 4.0 % gegenüber dem Vorjahr.

Im November 2020 lagen Produktion und Absatz von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben bei 198,000 bzw. 200,000 Einheiten, was einem Anstieg von 75.1 % bzw. 104.9 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Von Januar bis November 2020 betrugen Produktion und Absatz 1.119 Millionen bzw. 1.109 Millionen Fahrzeuge mit alternativen Antrieben. Die Produktion ging im Vergleich zum Vorjahr um 0.1 % zurück, der Absatz stieg hingegen um 3.9 %.

BloombergNEF prognostiziert, dass die weltweite Anzahl von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben im Jahr 2025 voraussichtlich 11 Millionen erreichen wird, wobei China 50 % davon ausmachen wird. Für 2030 wird ein Anstieg auf 28 Millionen und für 2040 auf 56 Millionen Fahrzeuge erwartet. Bis dahin werden Elektrofahrzeuge 57 % aller Neuwagenverkäufe ausmachen.

Der Markt für Leistungshalbleiter in der Automobilindustrie ist komplex und stark konzentriert, wobei europäische und amerikanische Hersteller die Marktführerschaft innehaben. 2019 erreichte der globale Markt für Automobil-Halbleiter ein Volumen von 37.2 Milliarden US-Dollar. Infineon belegte mit einem Marktanteil von 13.4 % den ersten Platz, die fünf größten Unternehmen erreichten zusammen 49.1 %. Infineon ist mit einem Marktanteil von 25.5 % der weltweit größte Hersteller von Leistungshalbleitern für die Automobilindustrie. Der zweitgrößte Hersteller ist STMicroelectronics mit einem Marktanteil von 13.9 %. Die fünf größten Unternehmen vereinen insgesamt 62.1 % auf sich, was auf eine hohe Marktkonzentration hindeutet.

Star Semiconductor verzeichnet ein rasantes Wachstum. Der chinesische Automobilmarkt weist im Bereich der Leistungshalbleiter für Fahrzeuge eine schwache Basis und eine langsame Entwicklung auf. Chinas Elektrofahrzeuge haben sich jedoch in den letzten Jahren rasant entwickelt, was auch die Entwicklung der IGBT-Industrie beflügelt hat. Laut Daten von Zos Automotive Research belegte Infineon 2019 mit einem Marktanteil von 49.3 % den ersten Platz im chinesischen Markt für IGBTs für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben. BYD, das hauptsächlich eigene Produkte anbietet, folgte mit 20 % Marktanteil, während Star Semiconductor mit 16.6 % den dritten Platz belegte.

3.3 Industrielle Steuerungstechnik, neue Energien, Frequenzumwandlung für Haushaltsgeräte und andere Bereiche fördern das stabile Wachstum von IGBTs.

Leistungshalbleiterbauelemente finden zunehmend Anwendung in der Energiemanagementbranche. Zukünftig werden industrielle Steuerungstechnik, neue Energien, frequenzvariable Haushaltsgeräte, Rechenzentren, 5G, IoT und weitere Bereiche die Kerngebiete für ein rasantes Wachstum von Leistungshalbleiterbauelementen sein, und die Nachfrage nach IGBTs wird weiter steigen.

3.3.1 Die industrielle Steuerungstechnik ist das größte Anwendungsgebiet von IGBTs mit stetig wachsender Nachfrage.

IGBT-Module sind Kernkomponenten in traditionellen Industriezweigen der Steuerungstechnik und Stromversorgung, beispielsweise in Frequenzumrichtern und Inverter-Schweißmaschinen, und finden in diesem Bereich breite Anwendung. Mit der allmählichen Erholung der Märkte für industrielle Steuerungstechnik und Stromversorgung ist zu erwarten, dass auch der Markt für IGBT-Module in diesem Bereich stetig wachsen wird.

1) Frequenzumrichterindustrie: IGBT-Module übernehmen in Frequenzumrichtern nicht nur die Funktion herkömmlicher Transistoren, sondern beinhalten auch die Gleichrichtung. Das vom Controller erzeugte Sinussignal wird optisch isoliert und dem IGBT zugeführt. Dieser wandelt die gleichgerichtete Gleichspannung von 380 V (220 V) entsprechend der Signaländerung wieder in Wechselspannung um.

Der Markt für Frequenzumrichter in meinem Land wächst generell. Frequenzumrichter finden zunehmend Anwendung im Bereich der neuen Energien und werden in Industriezweigen wie der Metallurgie, der Kohle- und der Petrochemie ein stetiges Wachstum verzeichnen. Angesichts der zunehmenden Urbanisierung wird die Nachfrage nach Frequenzumrichtern in öffentlichen Einrichtungen wie der Stadtverwaltung und dem Schienenverkehr weiter steigen und somit das Marktwachstum fördern. In den nächsten Jahren wird der Markt für Hochspannungswechselrichter mit hoher Effizienz und Energiesparfunktionen, angetrieben durch politische Maßnahmen, weiter wachsen. Bis 2023 wird der Markt für Hochspannungswechselrichter ein Volumen von rund 17.5 Milliarden Yuan erreichen.

2) Inverter-Schweißgeräteindustrie: Inverter-Lichtbogenschweißstromversorgungen, auch als Lichtbogenschweißinverter bekannt, sind eine neue Art von Schweißstromversorgung. Diese Stromversorgung wandelt die dreiphasige Netzspannung (50 Hz) mittels Gleichrichtung und Filterung durch einen Eingangsgleichrichter in Gleichstrom um und wandelt diesen anschließend durch das Schalten von Hochleistungsschaltelementen (IGBTs) in eine Wechselspannung mit mittlerer Frequenz von einigen tausend bis zehntausend Hertz um. Gleichzeitig wird diese Spannung durch einen Transformator auf eine zum Schweißen geeignete Spannung von einigen zehn Volt reduziert und anschließend durch eine Reaktanz erneut gleichgerichtet und gefiltert, um einen relativ stabilen Gleichstrom für das Schweißen auszugeben.

Laut Angaben des Nationalen Statistikamtes betrug die Produktion von Elektroschweißgeräten in meinem Land im Jahr 2018 8.533 Millionen Einheiten, ein Anstieg um 584,600 Einheiten gegenüber 2017. Die anhaltende Dynamik des Schweißgerätemarktes wird auch einen allmählichen Anstieg der Nachfrage nach IGBTs gewährleisten.

3.3.2 Die Stromerzeugung aus Photovoltaik und Windkraft wächst rasant, und IGBT begrüßt neue Wachstumstreiber.

Da die elektrische Energieerzeugung aus neuen Energiequellen nicht den Anforderungen des Stromnetzes entspricht, muss sie mittels eines Photovoltaik- oder Windkraftwechselrichters in Gleichstrom umgewandelt und anschließend in netzkonformen Wechselstrom gewandelt werden, bevor sie ins Netz eingespeist werden kann. IGBT-Module sind die Kernkomponenten von Photovoltaik- und Windkraftwechselrichtern. Die rasante Entwicklung der Branche für neue Energiequellen wird ein weiterer Wachstumstreiber für die IGBT-Modulindustrie sein. Die weltweite Stromerzeugung betrug 2015 6414 GW und wird voraussichtlich bis 2025 auf 8647 GW ansteigen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 3.0 % über zehn Jahre entspricht. Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien verzeichnet dabei mit einer CAGR von 5.9 % das schnellste Wachstum. Weiter aufgeschlüsselt, ist die Wachstumsrate der Solar- und Windenergieerzeugung höher als die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der gesamten erneuerbaren Energieerzeugung. Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) der Solarenergieerzeugung über 15–25 Jahre beträgt 16.4 %. Die CAGR der Windenergieerzeugung liegt bei 10 % und damit deutlich über dem Branchendurchschnitt. Regional betrachtet wächst die Windenergie rasant in China, Europa und den USA, während die Solarenergie in China, Europa, den USA und anderen Regionen des asiatisch-pazifischen Raums stark zunimmt.

Windkraft: Die Windkraft wird hauptsächlich von China und den USA aktiv ausgebaut. Mittel- bis langfristig wächst die Windenergieerzeugung stetig. Im Vergleich zur thermischen Stromerzeugung ist der Bedarf an Halbleitern pro 1 MW Windkraftanlagen 30-mal höher. Die Leistung von Windkraftanlagen lag 2011 bei 1.5 MW und ist bis 2017 auf 2–3 MW angestiegen. Das stetige Wachstum der Windenergieerzeugung wird neue Anforderungen an Leistungshalbleiter stellen.

Solarenergieerzeugung: IHS prognostiziert für den Zeitraum von 2016 bis 2021 eine jährliche Wachstumsrate der Nachfrage nach IGBT-Modulen im Bereich der Solarenergie von 9.0 %. Um den Bedarf an umweltfreundlicher Solarenergieerzeugung und Netzanbindung von Wechselrichtern effektiv zu decken, ist eine optimale Kombination von Steuerungs-, Treiber- und Leistungshalbleitern erforderlich. IGBTs sind als Leistungsschalter unverzichtbar, und PV-Wechselrichter gehören zu den ersten SiC-basierten Bauelementen, was den Wert von IGBTs deutlich steigern wird.

Chinas Hersteller von Photovoltaik-Wechselrichtern sind auf dem Vormarsch, und auch IGBTs gewinnen zunehmend an Bedeutung. Derzeit erzielen lokale Hersteller, allen voran Huawei und Sungrow, weiterhin große Erfolge auf dem Markt für Photovoltaik-Wechselrichter. Laut SolarEdge-Statistiken erreichte Huawei 2018 einen Marktanteil von 22 % am globalen Wechselrichtermarkt und belegte damit weltweit den ersten Platz. Sungrow folgte mit einem Marktanteil von 15 % und belegte damit den zweiten Platz. Insbesondere im Markt für dreiphasige String-Wechselrichter erreichte Huawei 2017 einen Marktanteil von 56 % und sicherte sich damit einen deutlichen Wettbewerbsvorteil. Die rasante Entwicklung der chinesischen Photovoltaik-Wechselrichterhersteller hat erhebliche Vorteile durch die Lokalisierung der Produktion und damit die Substitution einheimischer IGBTs mit sich gebracht.

3.3.3 Die Frequenzumwandlung in Haushaltsgeräten weltweit gewinnt zunehmend an Bedeutung, und IGBTs stehen vor guten Entwicklungschancen.

Das IGBT-Modul ist die Kernkomponente des Frequenzumrichters für Haushaltsgeräte. Die Hochfrequenz-Schaltfunktion des IGBT bietet folgende Vorteile: 1. Geringe Leitungs- und Schaltverluste; 2. Hervorragende EMV-Eigenschaften, die durch Anpassung des Treiberwiderstands bei gleichzeitig begrenzten Schaltverlusten die EMV-Anforderungen erfüllen können; 3. Hohe Kurzschlussfestigkeit; 4. Geringe Spannungsspitzen (zum Schutz der Haushaltsgeräte). Als weltweit größter Markt und Produktionsstandort für Haushaltsgeräte fördert China auch einen umfangreichen IGBT-Markt. Ähnlich wie in der Klimaanlagenindustrie entwickelt sich in China als größter Markt und Produktionsstandort für Haushaltsgeräte auch ein umfangreicher IGBT-Markt.

Die Frequenzumwandlung von Haushaltsgeräten ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Haushaltsgeräten bieten frequenzumwandelnde Geräte deutliche Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz, Leistung und intelligenter Steuerung. In den letzten Jahren haben sich frequenzumwandelnde Haushaltsgeräte stark weiterentwickelt und werden hauptsächlich in Klimaanlagen, Mikrowellen, Kühlschränken, Warmwasserbereitern und anderen Geräten mit hohem Stromverbrauch eingesetzt. Beispielsweise weisen frequenzumwandelnde Kühlschränke im Vergleich zu herkömmlichen Kühlschränken eine längere Lebensdauer und einen geringeren Geräuschpegel auf und können bis zu 40 % Energie einsparen.

Es wird prognostiziert, dass der Anteil von Haushaltsgeräten mit Frequenzumrichter im Jahr 2022 bei 65 % liegen wird. Laut IHS-Statistiken belief sich der weltweite Absatz von Haushaltsgeräten im Jahr 2017 auf rund 711 Millionen Einheiten. Davon entfielen 467 Millionen Einheiten (66 %) auf Geräte mit fester Frequenzumrichterfunktion und 244 Millionen Einheiten (34 %) auf Geräte mit variabler Frequenzumrichterfunktion. Bis 2022 wird ein Absatzvolumen von 585 Millionen Einheiten (65 %) erwartet, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 19.1 % im Zeitraum von 17 bis 22 entspricht. Gleichzeitig soll das Absatzvolumen von Haushaltsgeräten mit fester Frequenzumrichterfunktion auf 317 Millionen Einheiten (35 %) sinken.

Der Wert von Leistungshalbleitern für frequenzumwandelnde Haushaltsgeräte ist deutlich gestiegen. Der rasante Anstieg der Nachfrage nach frequenzumwandelnden Haushaltsgeräten wird den Wert der Halbleiter pro Gerät erheblich steigern. Infineon prognostiziert einen Anstieg des Halbleiterwerts von 0.7 Euro für nicht-frequenzumwandelnde Haushaltsgeräte auf 9.5 Euro. Bei den zusätzlichen Halbleitern handelt es sich hauptsächlich um Leistungshalbleiter. Geht man von einem durchschnittlichen Halbleiterwert von 9.5 Euro pro frequenzumwandelndem Haushaltsgeräte aus, wird ein Wachstum des Marktes für Halbleiter in Haushaltsgeräten von 2.645 Milliarden Euro im Jahr 2017 auf 2.645 Milliarden Euro im Jahr 2022 (5.779 Milliarden Yuan) erwartet, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 16.9 % über den Zeitraum von 17 bis 22 Jahren entspricht.

Laut IHS-Daten wird der Markt für Leistungshalbleiter in Privathaushalten voraussichtlich von 1.44 Milliarden US-Dollar im Jahr 2017 auf 2.67 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 wachsen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 1 % entspricht.

Mit der energischen Förderung globaler Energieeinsparung und des Umweltschutzes wird die Verbreitung von Frequenzumrichtern bei Haushaltsgeräten allmählich zunehmen, wovon Leistungshalbleiter als Kernkomponenten von Frequenzumrichtern erheblich profitieren werden.

3.4 Wachstum in verschiedenen Bereichen: Für IGBT-Module für Automobile wird von 2018 bis 2023 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 23.5 % erwartet.

Der globale IGBT-Markt erreichte 2018 ein Volumen von 6.21 Milliarden US-Dollar. Laut IHS-Daten betrug das Volumen des globalen IGBT-Marktes 2017 5.255 Milliarden US-Dollar, was einem Anstieg von 16.5 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Das Volumen des globalen IGBT-Marktes im Jahr 2018 lag somit bei rund 6.21 Milliarden US-Dollar.

4. Angetrieben durch die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen eröffnen sich für Siliziumkarbid neue Entwicklungsmöglichkeiten.

4.1 Hervorragende Leistung, die dritte Generation von Halbleitern erschien zum historischen Zeitpunkt

SiC- und GaN-basierte MOSFETs haben die Leistungsgrenzen durchbrochen, und technologische Weiterentwicklungen sind unerlässlich: Im Vergleich zu Halbleitermaterialien der ersten und zweiten Generation weisen Halbleitermaterialien der dritten Generation eine große Bandlücke, eine hohe Durchbruchfeldstärke, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Elektronensättigungsrate und eine höhere Strahlungsbeständigkeit auf und eignen sich daher besser für die Herstellung von Hochtemperatur-, Hochfrequenz-, strahlungsbeständigen und Hochleistungsbauelementen. Im Bestreben nach kleineren Bauelementen und besserer Leistung fördern Hersteller von Leistungshalbleitern schrittweise Technologielösungen der nächsten Generation für SiC- und GaN-basierte MOSFETs. Beispielsweise: 1) SiC-basierte MOSFETs besitzen im Vergleich zu Silizium-basierten MOSFETs eine deutlich stabilere Kristallstruktur und können bei Temperaturen bis zu 600 °C betrieben werden; 2) Die Durchbruchfeldstärke von SiC ist mehr als zehnmal so hoch wie die von Silizium, wodurch die Sperrspannung von SiC-basierten MOSFETs höher ist; 3) Die Leitungsverluste von SiC sind deutlich geringer als die von Siliziumbauelementen und ändern sich kaum mit der Temperatur. 4) Die Wärmeleitfähigkeit von SiC ist fast 2.5-mal so hoch wie die von Si. Die Sättigungs-Elektronendriftgeschwindigkeit ist doppelt so hoch wie die von Si, daher können SiC-Bauelemente bei höheren Frequenzen betrieben werden.

SiC wird hauptsächlich in Haushaltsgeräten, neuen Energien (Elektrofahrzeuge, Windkraft, Photovoltaik), industriellen Anwendungen usw. eingesetzt.

4.2 Siliziumkarbid wird voraussichtlich eine wichtige Rolle im Bereich der Elektrofahrzeuge spielen.

Im Automobilbereich ist der SiC-MOSFET hinsichtlich der Leistung deutlich überlegen, da er Verluste reduziert und Modulvolumen und -gewicht verringert. IGBTs zeichnen sich durch höhere Zuverlässigkeit und Robustheit aus. Siliziumkarbid-Bauelemente werden in Fahrzeugladesystemen und Leistungswandlungssystemen eingesetzt, wodurch Schaltverluste effektiv reduziert, die maximale Betriebstemperatur erhöht und die Systemeffizienz verbessert werden kann.

Das Modell 3 war das erste, das SiC-MOSFETs verwendete und damit Pionierarbeit beim Einsatz von SiC in Elektrofahrzeugen leistete.

Teslas Wechselrichtermodul war das erste, das 24 Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFETs) von STMicroelectronics verwendete. Später wurde Infineon ebenfalls Lieferant von SiC-Leistungshalbleitern für Tesla. Die gesamte Leistungsmoduleinheit besteht aus Einzelröhrenmodulen mit einer standardmäßigen 6-Schalter-Wechselrichtertopologie. Jeder Schalter besteht aus 4 Einzelröhrenmodulen, insgesamt also 24. Das Bauteil hat eine Spannungsfestigkeit von 650 V. Das Design der SiC-Einzelröhrenmodule des Model 3 entspricht dem der IGBT-Einzelröhrenmodule von Infineon im Model S/X. Der Vorteil liegt in der Skalierbarkeit bei unterschiedlichen Leistungsstufen, der verbesserten Modulausbeute und den reduzierten Kosten der Halbleiterbauelemente.

BYD Han verwendet SiC-MOSFETs, um Beschleunigungsleistung, Energieverbrauch und Ausdauer zu verbessern.

Im Jahr 2020 verwendete BYD mit seinem Han EV-Motorcontroller erstmals ein von BYD selbst entwickeltes und hergestelltes SiC-MOSFET-Steuermodul, was die Motorleistung erheblich verbesserte.

Siliziumkarbid bietet eine gute Beschleunigungsleistung. Der größte Vorteil der großen Bandlücke ist die höhere Durchbruchfeldstärke, wodurch es hohen Spannungen standhält und somit höhere Systemspannungen ermöglicht. BYD Han kann dank Siliziumkarbid auf der 650-V-Spannungsplattform eingesetzt werden. Hohe Spannung bedeutet geringen Strom, wodurch die Verluste in den Gerätewiderständen reduziert werden. Auch für die Motorkonstruktion ist es einfacher, höhere Leistungen bei geringer Größe zu erzielen. Daher erreicht BYD Han problemlos eine Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in 3.9 Sekunden.

Siliziumkarbid ermöglicht eine hohe Wahrscheinlichkeit und lange Batterielebensdauer. Neben den Vorteilen der großen Bandlücke bietet Siliziumkarbid zwei weitere wesentliche Vorteile: eine höhere Sättigungselektronengeschwindigkeit sowie eine höhere Wärmeleitfähigkeit und höhere Temperaturbeständigkeit. Sättigungselektronen sind schnell und können daher höhere Ströme leiten. Die Sättigungselektronengeschwindigkeit von Siliziumkarbid ist doppelt so hoch wie die von Silizium. Daher lässt sich bei der Geräteentwicklung die Stromstärke leichter außerhalb des Sättigungsstroms des Geräts einstellen, wodurch ein geringerer Widerstand im eingeschalteten Zustand erzielt wird. Dies reduziert Leistungsverluste, verringert die Gerätewärme und vereinfacht die Wärmeableitung. Insbesondere bei kurzzeitig hohen Strömen wird die Wärmeentwicklung im Gerät reduziert. In Verbindung mit der erhöhten Temperaturbeständigkeit und der höheren Wärmeleitfähigkeit des Materials wird die Wärmeableitung ebenfalls erleichtert. Fahrzeuge können auch mit höherer Leistung betrieben werden. Dies ist der Grund, warum der BYD Han eine Leistung von 363 kW erreicht. Mit Lithium-Eisenphosphat kann die Reichweite bis zu 605 Kilometer erreichen, was offensichtlich auch auf Siliziumkarbid zurückzuführen ist.

Das Toyota-Brennstoffzellenfahrzeug Mirai verwendet Siliziumkarbidmodule.

Denso hat die Serienproduktion einer neuen Generation von Aufwärtswandlern mit SiC-Leistungshalbleitern (Siliziumkarbid) aufgenommen, die im Toyota-Brennstoffzellenfahrzeug Mirai zum Einsatz kommen. Die SiC-Leistungsmodule von Denso und Toyota werden bereits in Hybridfahrzeugen, Brennstoffzellenbussen und Brennstoffzellen-Pkw verwendet. Die Kernkomponente der neuen Festkörperbrennstoffzelle des Mirai, der Toyota FC Stack, ist mit einem Brennstoffzellen-Aufwärtswandler kombiniert, der mehrere SiC-Leistungshalbleiter nutzt. Der Aufwärtswandler erzeugt eine höhere Ausgangsspannung als die Eingangsspannung.

Die Größe des Leistungsmoduls wird um 30 % und die Verluste um 70 % reduziert. Laut Berechnungen von Denso ist das neue Boost-Leistungsmodul mit SiC-Leistungshalbleitern (einschließlich Dioden und Transistoren) im Vergleich zu Produkten mit Si-basierten Leistungshalbleitern etwa 30 % kleiner und weist um etwa 70 % geringere Verluste auf. Dadurch wird eine Miniaturisierung des Leistungsmoduls bei gleichzeitiger Verbesserung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs erreicht.

Der neue Mirai mit SiC-Modulen bietet eine um 30 % höhere Reichweite. Toyota erklärt, dass durch den Einsatz von SiC-Halbleitern im Aufwärtstransformator der Brennstoffzelle und Lithium-Ionen-Niedervoltbatterien die Energieverluste im System reduziert werden. Gleichzeitig wird durch die verbesserte Leistung der Brennstoffzellenstapel und den Einsatz einer katalysatoraktiven Regenerationssteuerung die Stromerzeugungseffizienz gesteigert. Dadurch erreicht der neue Mirai im WLTC-Zyklus eine maximale Reichweite von rund 850 km, was etwa 30 % mehr ist als beim Vorgängermodell.

4.3 Es wird prognostiziert, dass der Markt für Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter im Jahr 2027 einen Wert von über 10 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Es wird prognostiziert, dass der Markt für Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter im Jahr 2027 ein Volumen von über 10 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Im Jahr 2018 lag das Marktvolumen bei rund 390 Millionen US-Dollar. Angetrieben durch die enorme Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, Stromversorgungsanlagen und anderen Anwendungsbereichen, prognostiziert IHS, dass der Markt für Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter bis 2027 die 10-Milliarden-US-Dollar-Marke überschreiten wird. Ab 2021, angetrieben durch die Elektromobilität, wird der SiC-MOSFET ein rasantes Wachstum verzeichnen und sich zum meistverkauften diskreten SiC-Leistungshalbleiter entwickeln.

5. Mehr als 80 % der Leistungshalbleiter sind auf Importe angewiesen, und die heimischen Unternehmen versuchen, aufzuholen.

5.1 Europäische, amerikanische und japanische Unternehmen haben im Bereich der Leistungshalbleiter deutliche Vorteile.

Laut Infineon-Statistiken betrug der weltweite Markt für Leistungshalbleiterbauelemente und -module im Jahr 2019 21 Milliarden US-Dollar. Europa, die USA und Japan dominierten den Markt. Infineon belegte mit einem Marktanteil von 19 % den ersten Platz, gefolgt von ON Semiconductor mit 8.4 %. Die zehn größten Unternehmen erreichten zusammen einen Marktanteil von 58.3 %.

Der globale MOSFET-Markt erreichte 2019 ein Volumen von 8.1 Milliarden US-Dollar. Infineon belegte mit einem Marktanteil von 24.6 % und absolutem Vorsprung den ersten Platz, während die fünf größten Unternehmen zusammen 59.8 % Marktanteil auf sich vereinten. Nexperia Semiconductor (übernommen von Wingtech) und China Resources Microelectronics (CRM), ein in China ansässiges Unternehmen, schafften es mit Marktanteilen von 4.1 % bzw. 3.0 % unter die Top Ten.

Der Markt für IGBT-Module hatte 2019 ein Volumen von 3.31 Milliarden US-Dollar. Infineon belegte mit einem Marktanteil von 35.6 % den ersten Platz, die fünf größten Unternehmen vereinten insgesamt 68.8 % auf sich. Star Semiconductor, ein führendes chinesisches IGBT-Unternehmen, entwickelte sich in den letzten Jahren rasant und schaffte es unter die Top Ten. 2019 belegte es mit einem Marktanteil von 2.5 % den achten Platz.

Der Markt für diskrete IGBTs hatte 2019 ein Volumen von 1.44 Milliarden US-Dollar. Infineon belegte mit einem Marktanteil von 32.5 % den ersten Platz. Die fünf größten Unternehmen vereinten insgesamt 63.9 % auf sich. Der chinesische Hersteller Silan Micro schaffte es mit einem Marktanteil von 2.2 % unter die Top Ten.

Der Markt für integrierte Modulationsmaschinen (IPMs) hatte 2019 ein Volumen von 1.59 Milliarden US-Dollar. Der japanische Konzern Mitsubishi belegte mit einem Marktanteil von 32.7 % den ersten Platz. Die fünf größten Unternehmen vereinten insgesamt 76.9 % auf sich. Die chinesischen Hersteller Silan Microelectronics und China Microelectronics schafften es mit Marktanteilen von 1.1 % bzw. 0.8 % unter die Top Ten.

5.2 Chinesische Leistungshalbleiterunternehmen holen auf und leiten eine Phase rasanter Entwicklung ein.

China ist der weltweit größte Markt für Leistungshalbleiter. Ein Großteil des Umsatzes führender internationaler Unternehmen stammt aus China. Beispielsweise erwirtschaften Dal Technology und NXP über 50 % bzw. 40 % ihres Umsatzes in Festlandchina. China ist ein bedeutender Markt für Elektrofahrzeuge. Infineons IGBTs machen über 60 % des chinesischen Elektrofahrzeugmarktes aus. Daraus lässt sich schließen, dass der chinesische Markt für Leistungshalbleiter eine enorme Nachfrage aufweist und lokale Hersteller ein großes Potenzial zur Importsubstitution haben.

Chinas Selbstversorgungsgrad bei IGBTs steigt weiter. Laut Daten von Zhiyan Consulting liegt er seit 2015 über 10 % und hat sich kontinuierlich erhöht. Prognosen zufolge wird er von 10.1 % im Jahr 2015 auf 18.4 % im Jahr 2020 steigen. Die Produktionsmenge der chinesischen IGBT-Industrie soll 2024 78 Millionen Einheiten erreichen, bei einer Nachfrage von rund 196 Millionen Einheiten. Der Selbstversorgungsgrad wird dann 40 % betragen. Insgesamt besteht in Chinas IGBT-Industrie jedoch weiterhin eine große Lücke zwischen Angebot und Nachfrage. Die Substitution ausländischer Produkte durch heimische Hersteller wird daher zukünftig eine wichtige Entwicklungsrichtung der Branche darstellen.

Mittel- und High-End-Leistungshalbleiterprodukte sind stark von ausländischen Märkten abhängig. Chinesische Unternehmen wie BYD, Huawei, CRRC und Sungrow gehören zu den weltweit führenden Abnehmern von Leistungshalbleitern. Allerdings sind diese Unternehmen weiterhin stark von ausländischen Zulieferern wie Infineon, Fuji Electric und Mitsubishi Electric abhängig. China ist der größte Markt für Elektro- und Hybridfahrzeuge, doch ausländische Lieferketten liefern nach wie vor die meisten Leistungshalbleitermodule für chinesische Systeme. Auf dem globalen Leistungshalbleitermarkt konzentrieren sich die Hersteller von Mittel- und High-End-Produkten hauptsächlich in Europa, den USA und Japan. Die meisten Leistungshalbleiterhersteller in Europa, den USA und Japan sind IDM-Hersteller (Integrated Device Manufacturer). Infineon, ON Semiconductor, STMicroelectronics, Mitsubishi, Toshiba usw. sind führende Unternehmen der Branche. Auch Taiwan ist ein relativ großer Produzent von Leistungshalbleitern. Die meisten Hersteller sind Fabless-Hersteller (Fabless Manufacturing), und ihre Produkte konzentrieren sich hauptsächlich auf den Low-End-Bereich. Der taiwanesische Leistungshalbleitermarkt deckt etwa 36 % der weltweiten Nachfrage ab. Im Bereich der Luxusprodukte ist man zu etwa 80 % auf Importe angewiesen.

Chinas Leistungshalbleiterindustrie entwickelt sich rasant. Die chinesischen Halbleiterhersteller basieren hauptsächlich auf dem IDM-Modell (Integrated Manufacturing and Manufacturing), und die Produktionskette ist relativ vollständig. Der Produktschwerpunkt liegt auf Low-End-Bereichen wie Dioden, Niederspannungs-MOSFETs und Thyristoren. IGBTs haben sich zunehmend durchgesetzt. Die Produktionstechnologie ist ausgereift und bietet Kostenvorteile. Die Rentabilität führender Unternehmen der Branche ist deutlich höher als die von Herstellern in Taiwan und anderen chinesischen Ländern. Im Bereich von High-End-Produkten wie erneuerbaren Energien, elektrischer Energie und Schienenverkehr verfügen nur wenige inländische Hersteller über Produktionskapazitäten. Der Markt für High-End-Produkte wird hauptsächlich von europäischen, amerikanischen und japanischen Herstellern wie Infineon, ON Semiconductor, Renesas und Toshiba dominiert.

Derzeit werden die in- und ausländischen IGBT-Märkte noch überwiegend von ausländischen Unternehmen dominiert. Chinesische IGBT-Hersteller, allen voran Star Semiconductor, entwickeln sich rasant und erzielen schrittweise Durchbrüche in Bereichen wie Industriesteuerung, Elektromobilität, Windkraft, Photovoltaik, Elektrizität und Hochgeschwindigkeitszüge. Ihr Marktanteil wächst kontinuierlich. 2019 war Infineon, gemessen am Liefervolumen, mit einem Marktanteil von 49.3 % Marktführer bei IGBTs für Elektrofahrzeuge in China, gefolgt von BYD mit 20 % (hauptsächlich Eigenproduktion). Star Semiconductor belegte mit 16.6 % den dritten Platz. Star Semiconductor weist im Bereich der IGBTs für Elektrofahrzeuge eine hohe Chip-Eigenproduktionsrate von über 90 % auf.

Auf dem chinesischen Markt für Leistungshalbleiter haben einheimische Hersteller begonnen, Importe im Bereich der Niedrigpreisprodukte zu ersetzen. Unternehmen wie Nexperia, Star Semiconductor, China Resources Micro, Xinjie Neng, Lion Micro, China Microelectronics, Yangjie Technology, Silan Micro, Sanan Optoelectronics und Jiejie Microelectronics, die von Wingtech Technology übernommen wurden, zählen zu den qualitativ hochwertigen Unternehmen der Branche, weisen aber noch geringe Marktanteile auf.

6. Optimistisch hinsichtlich der Branchenführer.

Die chinesische Leistungshalbleiterindustrie befindet sich derzeit in einer zunehmend perfektionierten Phase und verzeichnet technologische Durchbrüche. China ist der weltweit größte Verbraucher von Leistungshalbleitern und deckte 2019 35.9 % des globalen Bedarfs ab. Das Wachstum liegt deutlich über dem weltweiten Durchschnitt. Zukünftig wird Chinas Nachfragewachstum aufgrund der steigenden Nachfrage nach neuen Energien (Elektrofahrzeuge, Photovoltaik, Windkraft), industrieller Steuerungstechnik, Frequenzumrichtern für Haushaltsgeräte, IoT-Geräten usw. weiterhin über dem weltweiten Durchschnitt liegen, und die Branche wird stetig wachsen. Wir sehen großes Potenzial für die Substitution von Leistungshalbleitern durch chinesische Hersteller in den einzelnen Segmenten: Star Semiconductor, China Resources Micro, Hua Hong Semiconductor, Silan Micro, New Clean Energy, Leon Micro, Sanan Optoelectronics, Wingtech Technology und CRRC Times Electric.

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