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Leistungshalbleiter gehören zum Gebiet der pananalogen Schaltungen. Sie sind unverzichtbare Konsumgüter. So wie Menschen Lebensmittel wie Brennholz, Reis, Öl und Salz benötigen, verbrauchen auch Maschinen Leistungshalbleiter. Leistungshalbleiter werden überall dort benötigt, wo elektrische Energie umgewandelt wird. Die Branchenschwankungen korrelieren mit den Rohstoffpreisen, und die Produkte stehen in engem Zusammenhang mit der globalen BIP-Entwicklung. Die Branchenschwankungen der letzten vier bis fünf Jahre stimmen weitgehend mit dem Halbleiterzyklus überein.

Der steigende Siliziumanteil in Einzelmaschinen treibt die industrielle Entwicklung voran, während höhere Effizienz und ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis den technologischen Fortschritt fördern. Die Nachfrage kommt aus allen Bereichen, und die Erhöhung des Halbleiteranteils (Silizium) in Einzelmaschinen ist dabei die zentrale Regel. Alle technologischen Fortschritte zielen auf 1) höhere Leistung, 2) kleinere Abmessungen, 3) geringere Verluste und 4) ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis ab. Die führenden Hersteller im Wettbewerb verfolgen alle das IDM-Modell: 1) Qualität bei gleichbleibender Produktionsmenge und 2) kontinuierliche Effizienzsteigerung bei gleichzeitiger Kostenoptimierung jedes einzelnen Produkts.

Bahnbrechende Materialentwicklungen haben die Branche maßgeblich vorangebracht. Die Produktformen haben sich von Einzeldioden und MOSFETs hin zu integrierten IGBTs und von Siliziumsubstraten hin zu Halbleitersubstraten mit breiter Bandlücke entwickelt. Die größere Bandlücke verbessert die Produktleistung und Effizienz deutlich gegenüber Siliziumsubstrat-Leistungshalbleitern, bietet aber derzeit noch kein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis. Zukünftige Trends: Mit sinkenden Herstellungskosten für Verbindungshalbleiter wird es in Kürze möglich sein, Silizium-basierte Leistungshalbleiter durch deren Vorteile zu ersetzen.

Hochwertige Produkte werden seit Langem von europäischen und amerikanischen Herstellern monopolisiert, und eine Substitution durch inländische Hersteller steht unmittelbar bevor. Es gibt nur sehr wenige inländische IDM-Modellfabriken. Die Kernprozesse werden ausschließlich von europäischen und amerikanischen Herstellern intern abgewickelt. Diese nutzen ihre Produktvorteile, um die Lieferzeiten und damit das Preissystem der gesamten Branche zu kontrollieren. Insbesondere bei Hochvolt-MOSFETs und Hochleistungs-IGBTs beträgt die Lieferzeit oft mehr als 50 Wochen, und die Preise steigen seit 2016 tendenziell kontinuierlich.

Das IDM-Modell bietet mehr Vorteile, während Fabless-Unternehmen schneller expandieren. Investitionsmöglichkeiten im Jahr 2020 ergeben sich aus dem 3- bis 4-jährigen Makrozyklus, in dem sich der Halbleitermarkt erholt und weiter wächst. Unternehmen mit IDM-Modell haben gegenüber Fabless-Unternehmen Kostenvorteile. Es wird empfohlen, die folgenden Unternehmen der zugehörigen Wertschöpfungskette im Auge zu behalten: Wingtech Technology (600745), Jiejie Microelectronics (300623), Yangjie Technology (300373), Taiji Technology (300046), China Microelectronics (600360), Star Semiconductor (603290), New Energy Saving (A18105) und China Resources Microelectronics (A19303).

Risikowarnung

1) Die Fortschritte bei der Herstellung von Chips im Inland sind geringer als erwartet;

2) Die politische Unterstützung für die integrierte Schaltungsindustrie hat nachgelassen;

3) Ausländische Halbleiteranlagenhersteller liefern ihre Ausrüstung nicht an inländische Unternehmen.

Halbleiter-Leistungsbauelemente sind grundlegende Schaltungskomponenten mit einer einzigen Funktion, die hauptsächlich der Verarbeitung und Umwandlung elektrischer Energie dienen.

Die Diode hat einen einfachen Aufbau, kann aber nur zur Gleichrichtung verwendet werden und lässt sich nicht gezielt ein- oder ausschalten. Stromgesteuerte Schaltelemente wie Leistungstransistoren und Thyristoren hingegen sind spannungsgesteuerte Schaltelemente. MOSFETs und IGBTs sind spannungsgesteuerte Schaltelemente, die sich durch einfache Ansteuerung, hohe Schaltgeschwindigkeit und geringe Verluste auszeichnen.

Leistungshalbleiter bilden das Herzstück der Leistungswandlung und Schaltungssteuerung in elektronischen Geräten. Sie werden hauptsächlich zur Änderung von Spannung und Frequenz, zur Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlung usw. eingesetzt. Leistungshalbleiter finden in jedem Schaltungssystem Verwendung, das Strom-, Spannungs- und Phasenumwandlung erfordert. Die Hauptfunktion von MOSFETs und IGBTs besteht darin, den von Energieerzeugungsanlagen erzeugten „groben Strom“ mit unregelmäßigen Spannungen und Frequenzen durch eine Reihe von Modulationsstufen in „feinen Strom“ mit spezifischen elektrischen Energieparametern und Leistungsanschlüssen mit variierendem Angebot und Bedarf umzuwandeln. Sie gehören zu den Kernkomponenten elektronischer Leistungswandler.

Im Zuge der Entwicklung diskreter Bauelemente wurden in den 1950er Jahren Leistungsdioden und Leistungstransistoren eingeführt und in Industrie- und Energiesystemen eingesetzt.

Von den 1960er bis zu den 1970er Jahren wurden Halbleiter-Leistungsbauelemente wie Thyristoren rasant weiterentwickelt.

Ende der 1970er Jahre wurden planare Leistungs-MOSFETs entwickelt;

In den späten 1980er Jahren wurden nach und nach Trench-Power-MOSFETs und IGBTs verfügbar, und Halbleiter-Leistungsbauelemente traten offiziell in das Zeitalter der elektronischen Anwendungen ein.

In den 1990er Jahren kamen nach und nach Superjunction-MOSFETs auf den Markt, die die traditionellen „Silizium-Beschränkungen“ durchbrachen, um den Anforderungen von Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen gerecht zu werden.

Im Jahr 2008 übernahm Infineon die Führung bei der Einführung des Shielded Gate Power MOSFET und verbesserte damit die Leistungsfähigkeit von Halbleiter-Leistungsbauelementen weiter.

Für den heimischen Markt werden die meisten diskreten Bauelemente wie Leistungsdioden, Leistungstrioden und Thyristoren im Inland hergestellt. MOSFETs und IGBTs hingegen sind aufgrund ihrer fortschrittlichen Technologien und Fertigungsprozesse weiterhin stark von Importen abhängig. Hier besteht zukünftig ein erhebliches Potenzial zur Importsubstitution.

In den letzten Jahren haben sich die Anwendungsgebiete von Leistungshalbleitern von der industriellen Steuerungstechnik und Unterhaltungselektronik auf neue Energien, Schienenverkehr, intelligente Stromnetze, Frequenzumrichter für Haushaltsgeräte und viele weitere Märkte ausgeweitet, und der Markt verzeichnete ein stetiges Wachstum. Laut Prognose von IHS Markit betrug das weltweite Marktvolumen für Leistungshalbleiter im Jahr 2018 rund 39.1 Milliarden US-Dollar und wird bis 2021 voraussichtlich auf 44.1 Milliarden US-Dollar ansteigen, was einer jährlichen Wachstumsrate von 4.1 % entspricht.

Die chinesische Leistungshalbleiterindustrie befindet sich derzeit in einer zunehmend perfektionierten Phase und verzeichnet technologische Durchbrüche. Gleichzeitig ist China der weltweit größte Verbraucher von Leistungshalbleitern. Im Jahr 2018 erreichte die Marktnachfrage 13.8 Milliarden US-Dollar, was einem Wachstum von 9.5 % entspricht und 35 % der globalen Nachfrage ausmacht. Es wird erwartet, dass Chinas Leistungshalbleitermarkt auch in Zukunft ein hohes Wachstum verzeichnen wird und bis 2021 ein Marktvolumen von 15.9 Milliarden US-Dollar erreichen wird, was einer jährlichen Wachstumsrate von 4.8 % entspricht.

Das Marktforschungsunternehmen IC Insights wies darauf hin, dass unter den verschiedenen Arten von Halbleiter-Leistungsbauelementen die Produkte mit dem stärksten Wachstum in der Zukunft MOSFET- und IGBT-Module sein werden.

Der MOSFET ist ein Feldeffekttransistor, der in analogen und digitalen Schaltungen weit verbreitet ist. Er zeichnet sich durch geringen Einschaltwiderstand, niedrige Verluste, einfache Ansteuerschaltung und gute thermische Beständigkeit aus. Er eignet sich besonders für Anwendungen in der Leistungselektronik, beispielsweise in Computern, Mobiltelefonen, mobilen Stromversorgungen, Fahrzeugnavigationssystemen, Elektrofahrzeugen und USV-Anlagen.

Im Jahr 2016 erreichte der globale MOSFET-Markt 6.2 Milliarden US-Dollar, und es wird erwartet, dass die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate des MOSFET-Marktes von 2016 bis 2022 3.4 % erreichen wird; es wird erwartet, dass der globale MOSFET-Markt bis 2022 ein Volumen von fast 7.5 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Laut Statistiken von IHSMarkit betrug der MOSFET-Markt in meinem Land im Jahr 2018 ein Volumen von 2.792 Milliarden US-Dollar, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 15.03 % von 2016 bis 2018 entspricht. Mit dem weltweiten Wachstum von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben wird ein rasantes Wachstum der Marktnachfrage nach MOSFETs in Automobilanwendungen erwartet, und zwar mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 5.1 % von 2016 bis 2022. Bis 2022 wird die Nachfrage in Automobilanwendungen die Nachfrage im Computer- und Datenspeicherbereich übertreffen und 22 % des Gesamtmarktes ausmachen.

Der IGBT (Integrated Booster Transformer) ist ein vollständig gesteuertes, spannungsgesteuertes Halbleiterbauelement, bestehend aus einer Bipolartriode (BJT) und einem MOSFET (Mounted Sensor Field Transfer Transformer). Er vereint die Vorteile der hohen Eingangsimpedanz des MOSFET mit dem geringen Spannungsabfall der Bipolartriode (BJT). Der IGBT benötigt eine geringe Treiberleistung und weist eine niedrige Sättigungsspannung auf. Er eignet sich hervorragend für den Einsatz in Umrichtersystemen mit einer Gleichspannung von 600 V und darüber, wie z. B. Wechselstrommotoren, Wechselrichter, Schaltnetzteile, Beleuchtungsanlagen, Traktionsantriebe usw.

Laut Daten des China Industry Information Network wird der globale Markt für IGBT-Einzelröhren bis 2020 ein Volumen von rund 6 Milliarden US-Dollar erreichen – ein enormes Marktpotenzial. Es wird erwartet, dass der chinesische Markt für neue Energiefahrzeuge und Ladeinfrastruktur die Inlandsnachfrage nach IGBT-Modulen in den nächsten fünf Jahren auf 20 Milliarden Yuan steigern wird. Laut Daten des China Industry Information Network erreichte der chinesische IGBT-Markt bis 2018 ein Volumen von 16.19 Milliarden Yuan, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 14.77 % zwischen 2010 und 2018 entspricht. Da der chinesische IGBT-Markt jedoch erst spät in den Markt eingestiegen ist, besteht zukünftig ein erhebliches Potenzial zur Importsubstitution.

Zu den Leistungshalbleiterbauelementen zählen hauptsächlich Leistungsdioden, Leistungstransistoren, Thyristoren, MOSFETs, IGBTs usw., die in nahezu allen Bereichen der Elektronikfertigung eingesetzt werden, darunter Computer, Netzwerkkommunikation, Unterhaltungselektronik, Automobilelektronik, Industrieelektronik und weitere Elektronikindustrien. Darüber hinaus haben sich aufstrebende Anwendungsfelder wie Elektrofahrzeuge/Ladesäulen, die Herstellung intelligenter Geräte, das Internet der Dinge und Photovoltaik zu wichtigen Märkten für Leistungshalbleiterbauelemente entwickelt und treiben somit deren Nachfragewachstum an. Am globalen Markt für Leistungshalbleiter entfallen 34 % auf die industrielle Steuerungstechnik, 23 % auf die Automobilindustrie, 20 % auf die Unterhaltungselektronik und 23 % auf die Kommunikationstechnik.

Laut Statistiken des Verbands der Unterhaltungselektronikindustrie (CEA) erreichte der chinesische Markt für Unterhaltungselektronik im Jahr 2013 ein Volumen von 1,632.5 Milliarden Yuan und war damit der größte Markt weltweit. Dem 3C Industry Report 2017 zufolge wird der chinesische Markt für Unterhaltungselektronik im Jahr 2017 die Marke von 2 Billionen Yuan überschreiten, was einem Wachstum von 7.1 % entspricht.

Für alle Schnittstellen eines Mobiltelefons, wie Mikrofone, Ohrhörer, Kopfhörer, Lautsprecher, SIM-Karten, Micro-SD-Karten, NFC-Antennen, GPS-Antennen, WLAN-Antennen, Touchscreens, 2G/3G/4G-HF-Antennen, USB-Anschlüsse, Lithium-Akkus und den Ein-/Ausschalter, ist ein ESD-Schutz erforderlich. Die meisten Mobiltelefone verwenden mehr als 20 solcher Schutzvorrichtungen, einige wenige sogar mehr als 10.

Da die Anforderungen der Verbraucher an die Ladeeffizienz stetig steigen, hat sich für das Laden von Mobiltelefonen ein „Schnelllademodus“ entwickelt, der durch Erhöhung der Spannung ein Laden mit hohem Strom und hoher Leistung ermöglicht. Hohe Spannungen bergen jedoch Sicherheitsrisiken und erfordern den Einsatz von synchronen Gleichrichter-MOSFETs zur Justierung;

Später wurde ein sichererer „Blitzlademodus“ entwickelt, der durch niedrige Spannung und hohen Strom ein schnelles Laden ermöglicht. Dieser Modus stellt höhere Anforderungen an synchrone Gleichrichter-MOSFETs. Aktuell werden meist GaN-FETs verwendet, da sie eine geringere Wärmeentwicklung und kleinere Abmessungen ermöglichen.

Die Automobilelektronik spielt eine sehr wichtige Rolle in Fahrzeugen. Aus Kostensicht ist sie besonders wichtig für Fahrzeuge der Mittel- und Oberklasse, Elektrofahrzeuge usw.

Von traditionellen Autos hin zu Elektrofahrzeugen – den größten Wertzuwachs verzeichnen Leistungshalbleiter. In herkömmlichen Fahrzeugen werden Leistungshalbleiter hauptsächlich für Start-, Stopp- und Sicherheitssysteme eingesetzt und machen nur 20 % aus. Der Wert eines Halbleiterbauteils in einem herkömmlichen Fahrzeug beträgt 350 US-Dollar, der Wert der Leistungshalbleiter 70 US-Dollar. Die Batteriemodule von Elektrofahrzeugen benötigen eine große Menge an Leistungselektronik, die allesamt Leistungshalbleiter enthält. Bei Hybridfahrzeugen liegt der Anteil der Leistungshalbleiter bei 40 %, bei reinen Elektrofahrzeugen bei 55 %. Ausgehend vom Wert eines Halbleiterbauteils in einem reinen Elektrofahrzeug von 750 US-Dollar beträgt der Wert eines Leistungshalbleiterbauteils in einem Elektrofahrzeug 413 US-Dollar. Der Anteil der in Elektrofahrzeugen verwendeten Leistungshalbleiter ist somit siebenmal so hoch wie in herkömmlichen Fahrzeugen.

Da Fahrzeuge mit alternativen Antrieben keine mechanischen Komponenten wie Motoren mehr benötigen, wird ihre Struktur sehr einfach. Sie besteht im Wesentlichen aus Batterien, Motoren und elektronischen Steuerungen. Zu den elektronischen Systemen von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben gehören im Wesentlichen Batteriemanagementsysteme, Motorsteuerungen, On-Board-Ladegeräte, Wandler, Wechselrichter, Lenksysteme, Relais und passive Bauelemente.

Da in realen Anwendungsszenarien jedes Modul des Fahrzeugs Wechselstrom benötigt, die Lithiumbatterie jedoch Gleichstrom liefert und die Spannungen der verschiedenen elektrischen Geräte unterschiedlich sind, ist ein entsprechendes Stromwandlungssystem erforderlich. Je nach den unterschiedlichen Wandlungssequenzen von Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC) lässt sich die Stromwandlung in vier Modi unterteilen: Transformator (AC-AC), Gleichrichter (AC-DC), Konverter (DC-DC) und Wechselrichter (DC-AC).

Transformator (Wechselstrom-Wechselstrom): Die Eingangsspannung einer Lithium-Autobatterie liegt zwischen 12 V und 36 V, die Netzspannung beträgt jedoch 220 V. Ein Transformator wird benötigt, um die Netzspannung in die Eingangsspannung umzuwandeln.

Gleichrichter (AC-DC): Lithiumbatterien müssen mit Gleichstrom (DC) geladen werden, die Ladesäule liefert jedoch Wechselstrom (AC), daher muss das Autoladegerät einen DC-Wandler verwenden.

Wandler (DC/DC): Der Eingang ist eine feste Gleichspannung (DC) von der Lithiumbatterie, der Ausgang eine variable Gleichspannung (DC). In Elektrofahrzeugen wird er hauptsächlich zur Aufwärtswandlung von 300 V auf 650 V für die elektrische Energieübertragung, zur Abwärtswandlung für die Versorgung von 12-V-Schaltungen und zur Spannungsstabilisierung für Batteriespeicher eingesetzt.

Wechselrichter (DC-AC): Elektrofahrzeuge sind mit wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkus ausgestattet, die die gespeicherte elektrische Energie nutzen, um den Motor anzutreiben und so das Fahrzeug zu bewegen. Der Wechselrichter wandelt den 12-V-Gleichstrom (DC) des Akkus in den 220-V-Drehstrom (AC) des Antriebsmotors um und liefert damit die grundlegende Antriebskraft für Elektrofahrzeuge.

Von 2014 bis 2021 stieg der weltweite Absatz von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor von über 87 Millionen auf über 98 Millionen Einheiten, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 2 % entspricht. Der Absatz von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben (einschließlich reiner Elektro- und Hybridfahrzeuge) stieg von 270,000 auf 4.7 Millionen Einheiten, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 50 %. Ihr Marktanteil erhöhte sich von lediglich 0.3 % im Jahr 2014 auf 4.0 % im Jahr 2021.

In den letzten Jahren haben Produktion und Absatz von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben in China deutlich zugenommen, und die Marktdurchdringung ist kontinuierlich gestiegen. Laut Angaben des Chinesischen Pkw-Verbandes (China Passenger Car Association) stieg der Absatz von Pkw mit alternativen Antrieben in China rasant von 100,000 Einheiten im Jahr 2014 auf 1.25 Millionen Einheiten im Jahr 2018, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 91 % entspricht. Nach Angaben des Chinesischen Automobilherstellerverbandes (China Association of Automobile Manufacturers) lag der Absatz von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben in China im ersten Quartal 2019 bei 250,000 Einheiten, ein Anstieg von über 117 % gegenüber dem Vorjahr. Es wird erwartet, dass die Produktion von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben in diesem Jahr 1.6 Millionen Einheiten übersteigen könnte.

Der Markt für Leistungshalbleiter in der Automobilindustrie wird voraussichtlich ein Volumen von 8 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7 %. Im Jahr 2018 wurden weltweit 97.5 Millionen Pkw verkauft, darunter 2 Millionen Fahrzeuge mit alternativen Antrieben. Geht man davon aus, dass die Verkäufe von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor jährlich um 2 % und die Verkäufe von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben in den nächsten drei Jahren um 30 % steigen, ergibt sich ein Wert von 56 US-Dollar für Leistungshalbleiter in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, 240 US-Dollar für Hybridfahrzeuge und 413 US-Dollar für reine Elektrofahrzeuge. Es wird prognostiziert, dass bis 2022 der Absatz von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor 99.2 Millionen Einheiten und der Absatz von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben 5.8 Millionen Einheiten erreichen wird. Der Markt für Leistungshalbleiter in der Automobilindustrie wird voraussichtlich ein Volumen von 8 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7 %.

Ende 2017 betrug die neu installierte Photovoltaik-Leistung meines Landes 53.06 Millionen Kilowatt, die kumulierte installierte Leistung 130 Millionen Kilowatt. Sowohl bei der neu installierten als auch bei der kumulierten Leistung lag mein Land weltweit an erster Stelle. Dazu gehörten 33.62 Millionen Kilowatt Photovoltaik-Kraftwerke (ein Anstieg von 11 % gegenüber dem Vorjahr) und 19.44 Millionen Kilowatt dezentrale Photovoltaik (ein Anstieg um das 3.7-Fache gegenüber dem Vorjahr).

Die Wechselrichter von Windkraftanlagen wandeln den 12-V-Gleichstrom der Batterie in 220-V-Wechselstrom um, der der Netzspannung entspricht. Der Wechselrichter besteht im Wesentlichen aus einem MOSFET und einem Leistungstransformator und ist analog verschaltet. Von 2016 bis 2018 stieg die installierte Windkraftleistung in meinem Land von 18.73 GW auf 21 GW. Allein in den ersten fünf Monaten des Jahres 2019 erhöhte sich die installierte Leistung um 6.88 GW, was einen rasanten Wachstumstrend belegt.

In allen Bereichen des intelligenten Stromnetzes benötigen Gleichrichter, Wechselrichter und die flexible FACTS-Übertragungstechnologie in der Höchstspannungs-Gleichstromübertragung eine große Anzahl von Leistungshalbleitern wie IGBTs. Laut Daten des China Industry Information Network wird erwartet, dass das Investitionsvolumen der chinesischen Smart-Grid-Branche bis 2021 fast 2.3 Billionen Yuan erreichen wird.

Es gibt viele Arten von Leistungshalbleitern, die in Unterhaltungselektronik, Hochgeschwindigkeitszügen, Automobilen und Stromnetzen weit verbreitet sind. Man unterscheidet hauptsächlich zwischen unipolaren und bipolaren Typen. Bipolare Typen: Leistungsdiode, Thyristor, Bipolartriode (BJT), Leistungstransistor (GTR), IGBT. Unipolare Typen: MOSFET, Schottky-Dioden. Aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften werden verschiedene Leistungshalbleiter in unterschiedlichen Spannungs- und Frequenzbereichen eingesetzt.

Leistungsdioden sind grundlegende Leistungselektronikbauelemente mit einfacher Struktur und hoher Zuverlässigkeit. Sie finden breite Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Industrie und Elektronik und dienen der Spannungsstabilisierung, Gleichrichtung und Schaltung.

Dioden werden in Gleichrichterdioden, Zenerdioden und Hochfrequenzdioden unterteilt.

Zu ihnen gehören Gleichrichterdioden und Zenerdioden, die zu den Leistungshalbleitern zählen.

Gleichrichterdioden werden hauptsächlich zur Gleichrichtung, zum Schalten, zur Wandlung (Schottky-Diode SBD) und zur Inversion (schnelle Erholungsdiode FRD) eingesetzt.

MOSFET ist eine Unterkategorie von Leistungshalbleitern, nämlich MOS (Metall-Oxid-Halbleiter) und FET (Feldeffekttransistor). Bei den Feldeffekttransistoren wird das Gate der Metallschicht (M) über die Oxidschicht (O) geführt, um den Halbleiter (S) mithilfe der Wirkung eines elektrischen Feldes zu steuern.

Leistungs-MOSFETs sind zentrale Halbleiterbauelemente für die Leistungsumwandlung und -steuerung. Sie arbeiten schnell, weisen niedrige Ausfallraten, geringe Schaltverluste und gute Skalierbarkeit auf. Sie eignen sich für Umgebungen mit niedrigen Spannungen und hohen Strömen und benötigen höhere Betriebsfrequenzen als andere Leistungshalbleiter.

In Automobilen werden sie hauptsächlich in Ladegeräten (AC/DC) und Wandlern (DC/DC) des Stromversorgungssystems eingesetzt. Der weltweite Markt für Leistungs-MOSFETs in der Automobilindustrie hatte 2018 ein Volumen von 2.45 Milliarden US-Dollar und wird Schätzungen zufolge bis 2022 auf 3.16 Milliarden US-Dollar anwachsen. Dabei kommen vor allem Hochvolt-MOSFETs mit Spannungen über 600 V zum Einsatz.

Den größten Anteil am MOSFET-Markt hält Infineon. Laut HIS-Daten beträgt der Gesamtmarktanteil aller Infineon-Produkte 27 %, gefolgt von ON Semiconductor mit 13 % und Renesas mit 9 %. Im Bereich der hochwertigen Hochvolt-MOSFETs ist Infineon mit einem Marktanteil von 36 % führend.

Als neuartiges Leistungselektronikbauteil gilt der IGBT international als repräsentativstes Produkt der dritten Revolution in der Leistungselektronik. Er ist eine Kernkomponente in der industriellen Steuerung und Automatisierung. Seine Funktion ähnelt der des menschlichen Herzens: Er passt Spannung, Stromstärke, Frequenz, Phase usw. im Stromkreis gemäß den Signalvorgaben der industriellen Anlage an und ermöglicht so eine präzise Steuerung. Daher wird der IGBT in der Leistungselektronikindustrie auch als „CPU“ bezeichnet und findet breite Anwendung in Bereichen wie Motorenergieeinsparung, Schienenverkehr, Smart Grids, Luft- und Raumfahrt, Haushaltsgeräte, Automobilelektronik, erneuerbare Energien, Elektrofahrzeuge und weiteren.

IGBTs haben sich seit ihrer industriellen Anwendung Ende der 1980er-Jahre rasant weiterentwickelt. Sie haben nicht nur MOSFETs und GTRs in industriellen Anwendungen ersetzt, sondern sind auch in Hochleistungsanwendungen vorgedrungen, in denen SCRs und GTOs dominieren. Darüber hinaus haben sie viele Anwendungsbereiche von Leistungshalbleitern wie BJTs und MOSFETs in der Unterhaltungselektronik abgelöst.

In der Automobilindustrie werden IGBTs hauptsächlich in elektrischen Antriebssystemen, Stromversorgungssystemen und Ladesäulen in Hochspannungsumgebungen eingesetzt. Ihr Anwendungsbereich umfasst typischerweise Bereiche mit einer Spannungsfestigkeit von über 600 V, einem Strom von über 10 A und einer Frequenz von über 1 kHz.

Elektrisches Antriebssystem: Es wird hauptsächlich in einem Wechselrichter (DC-AC) eingesetzt, um den 12-V-Gleichstrom (DC) der wiederaufladbaren Batterie in den 220-V-Wechselstrom (AC) umzuwandeln, der den Motor antreibt. Es ist das Herzstück des Motorantriebs. Das Motorsteuerungssystem benötigt Dutzende von IGBTs. Beispielsweise verwendet Teslas dreiphasiger AC-Asynchronmotor 28 IGBTs pro Phase, insgesamt also 84. Andere Motoren haben 12 IGBTs. Tesla verwendet insgesamt 96 IGBTs.

Stromversorgungssystem: Wird hauptsächlich in Fahrzeugladegeräten (AC-DC) und Wandlern (DC-DC) verwendet, um das Laden von Lithiumbatterien und die Leistungswandlung auf dem erforderlichen Spannungsniveau zu erreichen.

Ladesäulen: Der Strom im Netz ist ausschließlich Wechselstrom (AC). Ladesäulen werden in Schnelllade-Gleichstromladesäulen und Langsamlade-Wechselstromladesäulen unterteilt. IGBTs werden hauptsächlich in Gleichstrom-Schnellladesäulen eingesetzt.

Die globale Marktkapazität für IGBTs im Automobilbereich betrug im Jahr 2018 1.84 Milliarden US-Dollar, und wir schätzen, dass die Marktkapazität für IGBTs im Automobilbereich im Jahr 2020 2.08 Milliarden US-Dollar betragen wird.

Infineon, Mitsubishi und Fuji Electric sind die Marktführer auf dem globalen IGBT-Markt. ON Semiconductor (Fairchild) konzentriert sich hauptsächlich auf die Niederspannungs-Unterhaltungselektronik mit Spannungen unter 600 V, während Mittel- und Hochspannungsfelder über 1700 V vorwiegend in Hochgeschwindigkeitszügen, Automobilen, intelligenten Stromnetzen usw. eingesetzt werden und im Wesentlichen von Infineon, ABB und Mitsubishi monopolisiert werden.

Leistungshalbleiter gehören zum Gebiet der pananalogen Schaltungen. Sie sind unverzichtbare Konsumgüter. So wie Menschen Lebensmittel wie Brennholz, Reis, Öl und Salz benötigen, verbrauchen auch Maschinen Leistungshalbleiter. Leistungshalbleiter werden überall dort benötigt, wo elektrische Energie umgewandelt wird. Die Branchenschwankungen korrelieren mit den Rohstoffpreisen, und die Produkte stehen in engem Zusammenhang mit der globalen BIP-Entwicklung. Die Branchenschwankungen der letzten vier bis fünf Jahre stimmen weitgehend mit dem Halbleiterzyklus überein.

Hochwertige Produkte werden seit Langem von europäischen und amerikanischen Herstellern monopolisiert, und eine Substitution durch inländische Hersteller steht unmittelbar bevor. Es gibt nur sehr wenige inländische IDM-Modellfabriken. Die Kernprozesse werden ausschließlich von europäischen und amerikanischen Herstellern intern abgewickelt. Diese nutzen ihre Produktvorteile, um die Lieferzeiten und damit das Preissystem der gesamten Branche zu kontrollieren. Insbesondere bei Hochvolt-MOSFETs und Hochleistungs-IGBTs beträgt die Lieferzeit oft mehr als 50 Wochen, und die Preise steigen seit 2016 tendenziell kontinuierlich.

Investitionsmöglichkeiten im Jahr 2020 ergeben sich aus dem 3- bis 4-jährigen makroökonomischen Zyklus, in dem sich der Halbleitermarkt erholt und weiter wächst. Unternehmen mit IDM-Modell (Integrated Manufacturing Model) bieten Kostenvorteile gegenüber Fabless-Unternehmen. Es wird empfohlen, die folgenden Unternehmen der zugehörigen Wertschöpfungskette im Auge zu behalten: Wingtech Technology (600745), Jiejie Microelectronics (300623), Yangjie Technology (300373), Taiji Technology (300046), China Microelectronics (600360), Star Semiconductor (603290), New Energy Saving (A18105) und China Resources Microelectronics (A19303).

Risikowarnung

1) Die Fortschritte bei der Herstellung von Chips im Inland sind geringer als erwartet;

2) Die politische Unterstützung für die integrierte Schaltungsindustrie hat nachgelassen;

3) Ausländische Halbleiteranlagenhersteller liefern ihre Ausrüstung nicht an inländische Unternehmen.

Hinweis: Dieser Artikel ist ein Nachdruck aus „Semiconductor Wind Vane“, das den Schutz geistigen Eigentums unterstützt. Bitte geben Sie die Originalquelle und den Autor des Nachdrucks an. Sollten Urheberrechte verletzt werden, kontaktieren Sie uns bitte, damit wir den entsprechenden Artikel entfernen können.

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