Un artículo entiende IGBT

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2022-03-17 1197

1,¿Qué es IGBT?

El nombre completo de IGBT es transistor bipolar de puerta aislada, que es un dispositivo de estructura compuesta. Combina las ventajas del transistor MOS y del transistor bipolar BJT. Es ampliamente utilizado en los campos de conversión de voltaje-corriente y producción de energía, especialmente en los campos de alto voltaje y alta corriente. IGBT es uno de los principales dispositivos semiconductores para que los seres humanos controlen y utilicen la energía. Este dispositivo semiconductor se utiliza principalmente en el campo de la conversión de energía electrónica y colectivamente lo llamamos semiconductor de potencia. Las aplicaciones más simples, como nuestras computadoras portátiles, están equipadas con adaptadores de corriente, que son IGBT, que desempeñan un papel en el proceso de aumento y disminución de voltaje y cambio de CA/CC. Obviamente, los IGBT son el miembro más importante de los semiconductores de potencia. Su función es controlar la electricidad y es el chip central de la conversión y aplicación de energía eléctrica.

2,¿IGBT es un producto personalizado o un producto general?
En comparación con otros chips, los IGBT son un producto estándar. Generalmente, las páginas web oficiales de las distintas compañías publican una introducción detallada de los productos IGBT, donde se especifican sus parámetros, como la corriente máxima de colector (ICM), la tensión máxima de emisor (UCES), la tensión de ruptura de compuerta (UGEM), la tensión de conducción, el nivel de tensión no disruptiva, la velocidad de conmutación, el tipo y la vida útil del portador, la capacitancia de entrada, el consumo máximo de energía del colector (PCM) y el rango de temperatura de funcionamiento. Tras analizar estos parámetros, los clientes pueden diseñarlos y adaptarlos a las necesidades reales de la aplicación. Se realizarán diversos ajustes según los diferentes escenarios de aplicación y clientes. Una vez finalizado, es poco probable que se sustituya, pero si no hay suministro disponible, también es posible sustituir un producto similar de otra compañía. En esencia, seguimos considerando que los IGBT son un producto universal estándar.

3,¿Por qué se considera al IGBT el semiconductor de potencia más beneficioso para la neutralidad de carbono?
Con la promoción a gran escala de las energías limpias, ha aumentado la demanda de IGBT. La aplicación más común es la de inversores fotovoltaicos, que requieren una gran cantidad de módulos IGBT de alto y ultraalto voltaje para convertir la electricidad bruta emitida por la energía fotovoltaica en electricidad fina que pueda conectarse sin problemas a internet. Por lo tanto, este es un eslabón fundamental para la neutralidad de carbono en el futuro. En la era de los vehículos eléctricos, en el pasado, todos los automóviles eran de combustible, y sin importar cómo se cambiara la gasolina, las emisiones de escape de los vehículos de gasolina no se podían modificar. Sin embargo, ahora se aboga por vehículos de nueva energía que ahorren energía y sean respetuosos con el medio ambiente, y el futuro será la era de los vehículos eléctricos de nueva energía, que requieren una gran cantidad de productos semiconductores de potencia como los IGBT. La adquisición y utilización de energía eléctrica limpia es la clave para reducir las emisiones de dióxido de carbono y lograr la neutralidad de carbono en el futuro, y la utilización de energía eléctrica es inseparable de los semiconductores de potencia y los IGBT.

4,¿Cuáles son los campos de las aplicaciones posteriores? ¿Qué tamaño tiene el espacio de la industria?
Debido a que los semiconductores son una industria básica, todos los campos relacionados con la electricidad son donde los semiconductores de potencia desempeñan su papel. Por lo tanto, esta industria es muy grande, porque al menos el 50% de los productos que nos rodean están relacionados con la electricidad y los productos electrónicos, como teléfonos electrónicos de consumo, auriculares Bluetooth, computadoras portátiles, diversos electrodomésticos, así como grandes motores industriales, tránsito ferroviario, vehículos de nueva energía, inversores fotovoltaicos, redes inteligentes, etc., donde se necesita electricidad, los IGBT son básicamente indispensables. En cuanto a la escala de la industria, el mercado global de IGBT y módulos superó los USD 7 mil millones en 2019, y este año superará los USD 10 mil millones. Se predice que alcanzará los USD 19 mil millones para 2026, con una tasa de crecimiento anual compuesta de alrededor del 15%. Pertenece a un mercado de crecimiento relativamente rápido y es un segmento de crecimiento relativamente estable. A diferencia de otros productos, como la memoria, que tienen altibajos y cambios de ciclo obvios, los IGBT pertenecen a un tipo de crecimiento constante. Con la llegada de los vehículos eléctricos de nueva energía, la electrificación de diversas industrias y el uso de energías limpias, el campo de los semiconductores de potencia, incluyendo los IGBT, mantiene un crecimiento sólido y potente. Generalmente, dividimos el voltaje según los IGBT en diferentes grados. El voltaje por debajo de 650 V-900 V se considera de media y baja tensión, el voltaje por encima de 900-1200 V se considera de media y alta tensión, y el voltaje por encima de 1200 V se considera de alta tensión. También existen IGBT por debajo de 650 V, pero su uso es limitado. Los productos MOSFET son los más utilizados en este campo. Entre ellos, la mayoría de los productos electrónicos de consumo, electrodomésticos, etc. pertenecen a la gama de IGBT de baja tensión, que representa aproximadamente el 30 %. Los IGBT de alta tensión representan el 20 % en los sectores industriales de alta potencia. Los IGBT utilizados en sectores de energía de alta tensión y alta potencia, como el ferrocarril de alta velocidad, los inversores fotovoltaicos y el transporte ferroviario, representan el 15 %. Además, los vehículos de nueva energía en el campo de la electrónica automotriz representan más del 30%, y esta es la vía más prometedora en el futuro.

5,¿Cuál es la situación de la oferta y la demanda del mercado? Se espera que en unos años la oferta y la demanda se equilibren.
En la actualidad, todo el mercado de semiconductores está agotado desde hace más de un año. A partir de julio de 2020, los productos semiconductores comenzaron a mostrar diferentes grados de tensión, y después de octubre, estalló de manera generalizada y los precios se dispararon, alcanzando su pico a fines de mayo de este año. El aumento de precio de muchos chips es muy exagerado y la fábrica de obleas ajusta constantemente los precios. Aun así, sigue siendo una locura hacer pedidos, y la frenética carrera por chips en el downstream conduce al saqueo de la capacidad de producción upstream, lo que conduce a un desequilibrio total entre la oferta y la demanda en toda la industria. Muchas personas en la industria han hecho varias predicciones y suposiciones para que la industria de los semiconductores restablezca el equilibrio entre la oferta y la demanda y regrese al estado normal, y predijeron varios nodos de tiempo para regresar a la normalidad, así como las condiciones previas para la formación de puntos de inflexión. . Mi opinión personal es que hacia junio de 2022, en primer lugar, veamos varios factores que afectan la relación entre oferta y demanda. A juzgar por la experiencia histórica para juzgar los cambios de la industria, en términos generales, el período de auge de los semiconductores es de 24 a 36 meses y el período frío es de 12 a 18 meses. Desde junio del año pasado, creemos que es el comienzo del período de auge, por lo que este período de auge durará hasta junio de 2022. Teniendo en cuenta los factores que influyen en la epidemia, aunque la epidemia ha alterado el ritmo de la industria mundial, debería ser una nueva oportunidad y un nuevo desafío para los semiconductores, especialmente para China. Al menos, pensamos que ha habido dos grandes puntos de explosión en estos dos años. El primero es trabajar desde casa después de la epidemia. El trabajo en línea ha provocado un aumento en la demanda de varias tabletas portátiles, lo que ha impulsado la demanda de chips semiconductores, porque el 90% del costo de estos productos son dispositivos semiconductores. Por lo tanto, se ha provocado este aumento. Después de cada epidemia, llega la época dorada de las ventas de automóviles. Justo ahora se han superpuesto el concepto y el ciclo de los vehículos de nuevas energías. El contenido de productos semiconductores en todo el vehículo ha aumentado considerablemente, mientras que el de los vehículos de combustible tradicionales es sólo del 10 al 15%. Sin embargo, los productos semiconductores en vehículos de nueva energía representan más del 50%. Las partes más importantes de esta pieza son diversos componentes electrónicos del automóvil, semiconductores de potencia para automóviles, sensores, varias unidades de microcontrol MCU, etc. Lo que estos chips tienen en común es que una gran cantidad de productos se fabrican mediante un proceso de 8 pulgadas de 0.25 a 0.13. Sin embargo, es difícil ampliar la capacidad de producción de la línea de 8 pulgadas debido a problemas con el equipo, por lo que la fuerte y continua demanda de estos productos puede provocar la escasez de chips. Sin embargo, un precio demasiado alto también reducirá la demanda downstream, por lo que mi conclusión es que, en circunstancias normales, durará hasta junio de 2022. Creo que este momento es el punto de inflexión, después del cual la escasez de chips disminuirá y comenzará el inventario. Este es mi criterio personal y ni siquiera descarto que este nodo llegue antes de tiempo. Ahora, el extenso corte de energía y la restricción de producción en China exprimirán la inflada demanda y mantendrán la brecha de chips cada vez más pequeña. Desde esta perspectiva, durante un período de tiempo, el precio y la demanda de los chips definitivamente caerán, por lo que creo que este desequilibrio extremo durará como máximo otros 6 a 9 meses y definitivamente se recuperará, con la excepción de la electrónica automotriz. por supuesto. Esta industria es demasiado especial y hay demasiados factores que influyen en la restauración de la cadena industrial.

6,¿Cuál es la magnitud del impacto de la epidemia en el extranjero en la capacidad de producción de IGBT? ¿Cuándo se espera que se alivie?
La situación epidémica internacional ha afectado gravemente a varias empresas consolidadas de semiconductores, como Infineon y Ansenmei, entre otras, y el suministro es muy inestable. Es difícil predecir cuándo se aliviará la situación. Al menos, no creo que sea probable hasta junio del próximo año, y podría experimentar un punto de inflexión después de junio. Los productos de estas grandes fábricas siempre han sido escasos, tanto ahora como en el futuro. A juzgar por la situación de años anteriores, siempre habrá un período anual en que el suministro sea irregular, lo que provocará aumentos de precios, pero estos se concentran principalmente en productos de alta gama. Actualmente, el ritmo de sustitución nacional de productos IGBT de gama baja es relativamente rápido y sin duda se reducirá tras la liberación de la capacidad de producción futura. Actualmente, los productos nacionales de media y baja tensión están muy maduros y su relación calidad-precio es muy alta, pero aún existe una cierta brecha entre los productos de alta tensión de gama alta y los de países extranjeros. Creo que esta brecha se refleja principalmente en cómo mantener la consistencia y la estabilidad de los productos durante la producción en masa. No es que China sea incapaz de hacerlo, sino que la calidad de los productos de media y baja tensión no se puede controlar cuando hay grandes cantidades. El buen impulso de la sustitución interna ya lo explica todo.

7,¿Cuál es la diferencia entre los IGBT utilizados en vehículos de nueva energía, la energía fotovoltaica y el almacenamiento de energía? ¿Qué funciones cumplen?
En la actualidad, la nueva energía utilizada por los automóviles está principalmente entre 650-900V, y algunas compañías automotrices también tienen esquemas de 1200V, entre los cuales OBC usa un solo tubo de 650V y PCU usa módulos IGBT de 900V. Depende de los esquemas del paquete de baterías y el voltaje de cada fabricante de automóviles, y luego elija qué tipo de IGBT usar. Muy diferente. El módulo IGBT, principalmente IGBT, y luego algunos otros dispositivos semiconductores de potencia como FRD (Recuperación rápida), TVS (Voltaje instantáneo), SBD, etc. son necesarios para formar un módulo que haga frente a diversos escenarios y demandas. Si es un módulo IGBT IPM, el IC de control de potencia interno está integrado, y hay IC de administración de energía además de IGBT y otros productos semiconductores de potencia.

8,¿Cuál es la proporción de IGBT en el costo de un nuevo vehículo de energía/fotovoltaico/almacenamiento de energía?
PCU + OBC, un vehículo de nueva energía, representa al menos el 25% - 30% del total del vehículo, y la relación de costos de los diferentes modelos es muy diferente. Por ejemplo, un auto mágico como Wuling mini se vende por 2.98 yuanes en total, y el costo del control electrónico no superará los 3,000 yuanes. Este tipo de auto ni siquiera necesita IGBT, es todo MOSFET, y por ejemplo, el Great Wall Euler Black Cat se vende por 60,000 o 70,000 yuanes por auto, y el costo de un paquete de baterías es de 15,000 yuanes, y el IGBT se puede usar. El consumo y el precio de IGBT en autos de alta gama son altos, y IGBT también se usa como inversor para fotovoltaica y almacenamiento de energía. Esta proporción de costos es difícil de decir, porque la mayor parte de una central eléctrica está en baterías perc y otras estructuras, dependiendo de la escala de inversión.

9,¿Habrá acaparamiento de capacidad IGBT entre diferentes industrias?
Es el statu quo de toda la industria, y ahora significa que quien tenga dinero puede acaparar la capacidad de producción. Las grandes empresas tienen ventaja, debido a su gran capital. Actualmente, una proporción considerable de semiconductores de potencia nacionales son modelos IDM. Por ejemplo, Silanwei y Shidai Electric tienen sus propias líneas de producción, por lo que no existe tal posibilidad de acaparar la capacidad de producción. Otras empresas que pueden realizar trabajos OEM de IGBT son Hua Hong, y esta capacidad de producción depende de la acaparamiento. Algunas empresas con grandes recursos, como Starr, ya han acaparado una línea de otras.

10,¿Los IGBT tendrán requisitos específicos para las líneas de producción? ¿Cuál es la principal diferencia?
El proceso de los IGBT es bastante diferente al de los productos lógicos comunes; al menos, el dopaje por implantación iónica y el proceso de sustracción inversa son claramente diferentes, y existen diversos procesos especiales de capa epitaxial, entre otros. Estos son completamente diferentes de los circuitos digitales y analógicos convencionales.

11,¿Puede la línea de producción de IGBT ajustar temporalmente las especificaciones del producto, por ejemplo, la línea de producción de IGBT utilizada para la producción fotovoltaica se ajusta temporalmente a la línea de producción de IGBT de grado de calibre de automóvil?
Los requisitos de calidad para automóviles son relativamente altos, y una vez finalizados, es difícil reemplazarlos fácilmente. Si bien todos son IGBT, al pertenecer a diferentes subsectores, sus requisitos son completamente diferentes, y no es posible mezclarlos. Sin embargo, al ser producidos por una sola empresa, la capacidad de IGBT se distribuye de forma diferente en la línea de producción, lo cual es un asunto interno de la propia empresa. El equipo sigue siendo este conjunto de equipos, y la línea de producción también lo es. Existen ciertas diferencias en el empaque, por lo que solo podemos afirmar eso. Al mismo tiempo, los clientes no están dispuestos a mezclar líneas de productos con otros, por lo que los cables IGBT para automóviles son únicos.

12,¿Existe una gran diferencia entre el tiempo de certificación del grado de calibre del vehículo y la línea de producción de IGBT fotovoltaicos?
A diferencia de los requisitos muy altos del medidor, los requisitos de inspección de fábrica de toda la fábrica de vehículos son extremadamente estrictos. No solo los proveedores, sino también los proveedores de los proveedores, los proveedores de materias primas de los proveedores, etc., la línea de productos fotovoltaicos es relativamente simple y la diferencia es grande.

13,¿Cuál es el mayor problema de ampliar nueva capacidad?
En cuanto a la dificultad del proceso, los IGBT pueden utilizar básicamente el proceso de 8 pulgadas, y algunas empresas del sector han comenzado a introducir el de 12 pulgadas. Ahora bien, ampliar la capacidad de producción no implica ampliarla cuando se dispone de recursos. El mayor problema del proceso de 8 pulgadas es la falta de equipos y su elevado precio. Por ejemplo, el precio de los equipos de 8 pulgadas es casi el mismo que el de los de 12 pulgadas, el largo plazo de entrega y la escasez de talento que ha afectado a la industria china de semiconductores. En resumen, se debe principalmente a la falta de equipos y personal experimentado.

Resumen: Los IGBT son el chip fundamental para la conversión y aplicación de energía eléctrica, y un componente fundamental para la neutralidad de carbono. Su principal aplicación posterior se encuentra en el campo de los vehículos de nueva energía, y su costo es el segundo más alto después de las baterías. Además, los inversores utilizados en la energía fotovoltaica tienen una gran demanda de IGBT. Actualmente, la oferta y la demanda en el mercado de IGBT están muy desequilibradas, y la situación epidémica internacional limita la capacidad de producción de las grandes fábricas. La principal razón de la dificultad de los fabricantes nacionales para expandir su producción radica en la falta de equipos y profesionales experimentados. Por otro lado, la puesta en marcha de nuevas fábricas suele tardar entre uno y tres años para su verificación, por lo que la liberación de nueva capacidad de producción requiere tiempo. Los expertos predicen que la oferta y la demanda se equilibrarán de nuevo en junio de 1.

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