מאמר אחד מבין את IGBT

עמוד הבית מְדוֹרַאי גולת הכותרת היומית מאמר אחד מבין את IGBT

2022-03-17 1161

1,מה זה IGBT?

השם המלא של IGBT הוא טרנזיסטור דו-קוטבי שער מבודד, שהוא התקן מבנה מורכב. הוא משלב את היתרונות של טרנזיסטור MOS וטרנזיסטור BJT דו קוטבי. הוא נמצא בשימוש נרחב בתחומי המרת מתח-זרם ותפוקת הספק, במיוחד בתחומי המתח הגבוה והזרם הגבוה. IGBT הוא אחד ממכשירי המוליכים למחצה הליבה עבור בני אדם לשלוט וניצול כוח. התקן מוליכים למחצה זה משמש בעיקר בתחום המרת הספק אלקטרוני, ואנחנו מכנים אותו ביחד מוליך למחצה. היישומים הפשוטים ביותר, כמו המחשבים הניידים שלנו, מצוידים במתאמי מתח שהם IGBT, אשר ממלאים תפקיד בתהליך של עלייה וירידה במתח ושינוי AC/DC. ברור ש-IGBT הוא החבר החשוב ביותר של מוליכים למחצה כוח. תפקידו לשלוט בחשמל, והוא שבב הליבה של המרת אנרגיה חשמלית ויישום.

2,האם IGBT הוא מוצר מותאם אישית או מוצר כללי?
בהשוואה לשבבים אחרים, IGBT הוא מוצר סטנדרטי. בדרך כלל, מבוא מפורט של מוצרי IGBT יפורסם באתרים הרשמיים של חברות שונות, ויצוינו פרמטרים שונים של מוצר IGBT זה, כגון זרם קולט מקסימלי ICM, מתח פולט מקסימלי UCES, מתח פריצת שער UGEM, מתח הולכה, רמת מתח עמידה, מהירות מיתוג, סוג נושא ואורך חיים, קיבול קלט, צריכת חשמל מקסימלית של קולט PCM, טווח טמפרטורות פעולה וכו'. לאחר ראיית פרמטרים אלה, הלקוחות יכולים לתכנן ולהתאים אותם בהתאם לדרישות היישום בפועל. בהתאם לתרחישי יישום שונים וללקוחות שונים, יבוצעו התאמות שונות. לאחר השלמת ההחלפה, סביר להניח שלא יוחלף, אך אם אספקת החשמל אינה זמינה, ניתן גם להחליף מוצר דומה מחברה אחרת. אך במהות, אנו עדיין חושבים ש-IGBT הוא מוצר אוניברסלי סטנדרטי.

3,מדוע IGBT נחשב למחצה המועיל ביותר לנייטרליות פחמן?
עם הקידום בקנה מידה גדול של אנרגיה נקייה, עולה הביקוש ל-IGBT, והנפוץ ביותר שבהם הוא יישום של ממיר פוטו-וולטאי, הדורש מספר רב של מודולי IGBT ו-IGBT במתח גבוה ואולטרה-גבוה, כך שהחשמל הגס הנפלט מהפוטו-וולטאי יכול להפוך לחשמל עדין שניתן לחבר אותו בצורה חלקה לאינטרנט. לכן, זהו חוליה חשובה מאוד לנייטרליות פחמן בעתיד. ביישום IGBT בעידן כלי הרכב החשמליים, בעבר, מכוניות היו כולן כלי רכב המונעים בדלק, ולא משנה איך החליפו את הבנזין, לא ניתן היה לשנות את פליטת הפליטה של כלי רכב המונעים בבנזין. עם זאת, כיום מעודדים כלי רכב חסכוניים באנרגיה וידידותיים לסביבה, והעתיד יהיה עידן כלי הרכב החשמליים החדשים, וכלי רכב חשמליים זקוקים למספר רב של מוצרי מוליכים למחצה להספק כמו IGBT. רכישה וניצול של אנרגיה חשמלית נקייה הם המפתח להפחתת פליטות פחמן דו-חמצני ולהשגת ניטרליות פחמן בעתיד, והניצול של אנרגיה חשמלית הוא בלתי נפרד ממוליכים למחצה להספק ו-IGBT.

4,מהם התחומים של יישומים במורד הזרם? כמה גדול שטח התעשייה?
מכיוון שמוליכים למחצה הם תעשייה בסיסית, כל התחומים הקשורים לחשמל הם שבהם מוליכים למחצה להספק ממלאים את תפקידם, כך שתעשייה זו גדולה מאוד, מכיוון שלפחות 50% מהמוצרים סביבנו קשורים למוצרי חשמל ואלקטרוניקה, כגון טלפונים אלקטרוניים צרכניים, אוזניות בלוטות', מחשבים ניידים, מכשירי חשמל ביתיים שונים, כמו גם מנועים תעשייתיים גדולים, תחבורה ציבורית, כלי רכב לאנרגיה חדשה, ממירים פוטו-וולטאיים, רשתות חכמות וכו', שבהם נדרש חשמל, IGBT הוא הכרחי לחלוטין. מבחינת קנה המידה של התעשייה, השוק העולמי של IGBT ומודולים עלה על 7 מיליארד דולר בשנת 2019, והשנה הוא יעבור את 10 מיליארד דולר. ההערכה היא שהוא יגיע ל-19 מיליארד דולר עד 2026, עם קצב צמיחה שנתי מצטבר של כ-15%. הוא שייך לשוק שצומח במהירות יחסית, וזהו פלח צמיחה יציב יחסית. בניגוד למוצרים אחרים, כגון זיכרון, אשר חווים עליות ומורדות ושינויים מחזוריים ברורים, IGBT שייך לסוג צמיחה יציבה. עם התפתחות כלי הרכב החשמליים החדשים, החשמול האלקטרוני של תעשיות שונות, והשימוש באנרגיה נקייה, תחום מוליכים למחצה להספק, כולל IGBT, ממשיך לשמור על צמיחה חזקה ועוצמתית. בדרך כלל, אנו מחלקים את המתח לפי IGBT לדרגות שונות. המתח מתחת ל-650V-900V הוא מתח בינוני ונמוך, המתח מעל 900-1200V הוא מתח בינוני וגבוה, והמתח מעל 1200V הוא מתח גבוה. IGBT מתחת ל-650V זמין גם כן, אך השימוש בו אינו גדול. מוצרי MOSFET נמצאים בשימוש רב יותר בתחום זה. ביניהם, רוב מוצרי האלקטרוניקה הצרכנית, מוצרים לבנים וכו' שייכים לטווח של IGBT במתח נמוך, המהווה כ-30%. IGBT במתח גבוה מהווה 20% בתחומים תעשייתיים בעלי הספק גבוה. IGBT המשמש בתחומי אנרגיה במתח גבוה והספק גבוה, כגון רכבת מהירה, ממיר פוטו-וולטאי ותחבורה ציבורית, מהווה 15%. בנוסף, כלי רכב אנרגיה חדשים בתחום האלקטרוניקה לרכב מהווים יותר מ-30%, וזהו המסלול המבטיח ביותר בעתיד.

5,מה מצב ההיצע והביקוש בשוק? ההיצע והביקוש צפויים להיות מאוזנים בעוד מספר שנים.
נכון לעכשיו, כל שוק המוליכים למחצה מחוץ למניות נמשך כבר יותר משנה. מיולי 2020, מוצרי המוליכים למחצה החלו להראות דרגות מתח שונות, ולאחר אוקטובר הוא פרץ בצורה כוללת והמחירים זינקו והגיעו לשיא בסוף מאי השנה. עליית המחירים של צ'יפס רבים מוגזמת מאוד, ומפעל הפרוסות מבצע כל הזמן התאמה של המחירים. למרות זאת, עדיין מטורף לבצע הזמנות, והבהלה התזזיתית אחר צ'יפים במורד הזרם מביאה לביזת כושר הייצור במעלה הזרם, מה שמוביל לחוסר איזון מוחלט בין היצע וביקוש בכל הענף. אנשים רבים בתעשייה העלו תחזיות והנחות שונות לתעשיית המוליכים למחצה כדי להחזיר את האיזון בין היצע וביקוש ולחזור למצב נורמלי, וחזו צמתי זמן שונים לחזרה לשגרה, כמו גם את התנאים המוקדמים להיווצרות נקודות פיתול. . דעתי האישית היא שבסביבות יוני 2022, קודם כל, בואו נסתכל על גורמים שונים המשפיעים על הקשר בין היצע וביקוש. אם לשפוט מהניסיון ההיסטורי לשפוט את השינויים בתעשייה, באופן כללי, תקופת הפריחה של המוליכים למחצה היא 24-36 חודשים, והתקופה הקרה היא 12-18 חודשים. מאז יוני אשתקד, אנו חושבים שזו תחילתה של תקופת הפריחה, כך שתקופת הפריחה הזו תימשך עד יוני 2022. בהתחשב בגורמים המשפיעים של המגיפה, למרות שהמגיפה שיבשה את קצב התעשייה העולמית, היא צריכה להיות הזדמנות חדשה ואתגר חדש עבור מוליכים למחצה, במיוחד עבור סין. לפחות, אנחנו חושבים שהיו שתי נקודות פיצוץ ענקיות בשנתיים האלה. הראשון הוא לעבוד בבית לאחר המגיפה. עבודה מקוונת הובילה לעלייה בביקוש למחשבי טאבלט שונים, מה שהגביר את הביקוש לשבבי מוליכים למחצה, מכיוון ש-90% מהעלות של מוצרים אלו הם התקני מוליכים למחצה. לכן, נחשול זה נגרם. לאחר כל מגיפה, זוהי תקופת הזהב של מכירת רכב. רק עכשיו, הקונספט והמחזוריות של רכבי אנרגיה חדשים הוצבו. תכולת מוצרי המוליכים למחצה בכל הרכב גדלה מאוד, בעוד זו של רכבי דלק מסורתיים היא רק כ-10-15%. עם זאת, מוצרי המוליכים למחצה ברכבי אנרגיה חדשים מהווים יותר מ-50%. החלקים החשובים ביותר של יצירה זו הם מוצרי אלקטרוניקה שונים לרכב, מוליכים למחצה של כוח רכב, חיישנים, יחידות מיקרו בקרה שונות MCU וכו '. המשותף לשבבים הללו הוא שמספר לא מבוטל של מוצרים מיוצרים בתהליך של 8 אינץ' 0.25-0.13. עם זאת, קשה להרחיב את כושר הייצור של קו 8 אינץ' בגלל בעיות בציוד, כך שהמשך הביקוש החזק למוצרים אלה עשוי להמשיך את המחסור בשבבים. עם זאת, מחיר גבוה מדי יקטין גם את הביקוש במורד הזרם, ולכן המסקנה שלי היא שבנסיבות רגילות, הוא יימשך עד יוני 2022. אני חושב שנקודת הזמן הזו היא נקודת המפנה, שאחריה יקל המחסור בצ'יפים והמלאי יתחיל. זה השיפוט האישי שלי, ואני אפילו לא שולל שהצומת הזה יגיע מבעוד מועד. כעת, הפסקת החשמל הנרחבת של סין והגבלת הייצור יסחוט את הביקוש המנופח במורד הזרם וישאיר את פער השבבים מצטמצם. מנקודת מבט זו, במשך תקופה מסוימת, המחיר והביקוש של שבבים בהחלט יירדו, אז אני חושב שחוסר האיזון הקיצוני הזה יימשך עוד 6-9 חודשים לכל היותר, והוא בהחלט יתאושש, למעט אלקטרוניקה לרכב, כמובן. תעשייה זו מיוחדת מדי, וישנם יותר מדי גורמים המשפיעים על שיקום שרשרת התעשייה.

6,מהי מידת ההשפעה של המגפה בחו"ל על כושר הייצור של IGBT? מתי צפויה הקלה?
למצב המגפה בחו"ל יש השפעה רבה על מספר חברות מוליכים למחצה מבוססות, כמו אינפיניון, אנסנמי וכו', וההיצע מאוד לא יציב. קשה לשפוט מתי יוקל. לפחות, אני לא חושב שזה צפוי להקל עד יוני בשנה הבאה, וייתכן שיגיע נקודת מפנה אחרי יוני. הסחורות של המפעלים הגדולים הללו תמיד היו במחסור, בין אם עכשיו ובין אם לא. אם לשפוט לפי המצב בשנים קודמות, תמיד תהיה תקופה בשנה שבה ההיצע לא יהיה חלק, מה שמוביל לעליות מחירים, אך הם מרוכזים בעיקר במוצרים יוקרתיים. כעת, קצב ההחלפה המקומי של מוצרי IGBT זולים הוא מהיר יחסית, והוא בהחלט יירגע לאחר שחרור כושר ייצור עתידי. כיום, מוצרים מקומיים במתח בינוני ונמוך הם בוגרים מאוד, וביצועי העלות שלהם גבוהים מאוד, אך עדיין קיים פער מסוים בין מוצרים יוקרתיים במתח גבוה לבין מדינות זרות. אני חושב שהפער הזה בא לידי ביטוי בעיקר באופן שבו לשמור על עקביות ויציבות של מוצרים במהלך ייצור המוני. זה לא שסין אינה מסוגלת לעשות זאת, אלא שלא ניתן לשלוט באיכותם של מוצרים במתח בינוני ונמוך כאשר הם בכמות גדולה. המומנטום הטוב של התחלופה המקומית כבר הסביר הכל.

7,מה ההבדל בין IGBT המשמש בכלי רכב בעלי אנרגיה חדשה, פוטו-וולטאית ואגירת אנרגיה? לאילו פונקציות הם משמשים?
כיום, צריכת האנרגיה החדשה ברכבים נעה בעיקר בין 650-900V, וגם לכמה חברות רכב יש תוכניות 1200V, ביניהן OBC משתמשת בצינור יחיד של 650V, ו-PCU משתמשת במודולי IGBT של 900V. זה תלוי בתוכניות הסוללה ובמתח של כל יצרן רכב, ואז בוחרים איזה סוג IGBT להשתמש. זה שונה מאוד. מודול IGBT, בעיקר IGBT, ואז כמה התקני מוליכים למחצה אחרים כמו FRD (Fast Recovery), TVS (Instantaneous Voltage), SBD וכו', נדרשים כדי ליצור מודול שיתמודד עם תרחישים ודרישות שונות. אם מדובר במודול IGBT IPM, IC פנימי של בקרת הספק משולב, וישנם IC לניהול הספק מלבד IGBT ומוצרי מוליכים למחצה אחרים להספק.

8,מהו חלקו של IGBT בעלות של רכב אנרגיה חדש/פוטו-וולטאית/אגירת אנרגיה?
PCU+OBC, רכב אנרגיה חדש, מהווה לפחות 25%-30% מכלל הרכב, ויחס העלות בין דגמים שונים שונה מאוד. לדוגמה, מכונית קסומה כמו Wuling mini נמכרת ב-2.98 יואן בסך הכל, ועלות הבקרה האלקטרונית לא תעלה על 3,000 יואן. מכונית מסוג זה אפילו לא צריכה IGBT, היא כולה MOSFET, ולדוגמה, ה-Great Wall Euler Black Cat נמכרת ב-60,000 או 70,000 יואן למכונית, ועלות חבילת סוללות היא 15,000 יואן, וניתן להשתמש ב-IGBT. הצריכה והמחיר של IGBT במכוניות יוקרתיות גדולים, ו-IGBT משמש גם כממיר לפוטו-וולטאית ואחסון אנרגיה. קשה לומר את יחס העלות הזה, מכיוון שרוב תחנת הכוח נמצאת בסוללות perc ובמבנים אחרים, בהתאם להיקף ההשקעה.

9,האם תהיה תפיסת קיבולת של IGBT בקרב תעשיות שונות?
זה הסטטוס קוו של כל התעשייה, ועכשיו זה אומר שכל מי שיש לו כסף יכול לתפוס את כושר הייצור. לחברות גדולות יש יתרון, בגלל כמות הכסף הגדולה. נכון לעכשיו, חלק ניכר ממוצרי מוליכים למחצה ביתיים הם דגמי IDM. לדוגמה, ל-Silanwei ול-Shidai Electric יש קווי ייצור משלהן, כך שאין דבר כזה לתפוס את כושר הייצור. חברות אחרות שיכולות לעשות עבודות OEM של IGBT הן Hua Hong, ויכולת ייצור זו תלויה בתפיסה. כמה חברות עם כיסים עמוקים, כמו Starr, כבר צברו שורה של אחרות.

10,האם ל-IGBT יהיו דרישות מותאמות אישית עבור קווי ייצור? מה ההבדל העיקרי?
תהליך ה-IGBT שונה למדי מזה של מוצרי לוגיקה נפוצים, לפחות תהליך סימום השתלת היונים ותהליך החיסור החוזר שונים בהחלט, וישנם תהליכי שכבה אפיטקסיאליים מיוחדים שונים וכן הלאה. אלה שונים לחלוטין ממעגלים דיגיטליים ומעגלים אנלוגיים רגילים.

11,האם קו הייצור של IGBT יכול להתאים באופן זמני את מפרטי המוצר, לדוגמה, קו הייצור של IGBT המשמש לייצור פוטו-וולטאי מותאם באופן זמני לקו הייצור של IGBT ברמת רכב?
הדרישות של דירוג רכב הן יחסית גבוהות, וכאשר הן סוכמות, בלתי אפשרי להחליף אותן בקלות. למרות שכולם IGBT, מכיוון שהם נמצאים בתת-תעשיות שונות, יש להם דרישות שונות לחלוטין עבור IGBT, ואין אפשרות לערבב ביניהם. עם זאת, מכיוון שכולם מיוצרים על ידי חברה אחת, קיבולת IGBT שונה מחולקת על קו הייצור, וזה עניין בתוך החברה עצמה. הציוד הוא עדיין סט זה של ציוד, וקו הייצור הוא עדיין סט זה של קווי ייצור. ישנם הבדלים מסוימים באריזה, כך שאנחנו יכולים רק לומר את זה. יחד עם זאת, לקוחות אינם שבע רצון לערבב קווי מוצרים עם מוצרים אחרים, ולכן חוטי IGBT לרכב הם ייחודיים.

12,האם יש הבדל גדול בין זמן האישור של דירוג מד רכב לבין קו ייצור של IGBT פוטו-וולטאי?
בשונה מהדרישות הגבוהות מאוד של המד, דרישות בדיקת המפעל של כל מפעל הרכב הן מחמירות ביותר. לא רק הספקים, אלא גם ספקי הספקים, ספקי חומרי הגלם של הספקים וכו', קו מוצרי ה-PV פשוט יחסית, וההבדל גדול.

13,מהי נקודת הכאב הגדולה ביותר בהרחבת יכולת חדשה?
בכל הנוגע לקושי התהליך, IGBT יכול בעיקרון להשתמש בתהליך 8 אינץ', וכמה חברות בתעשייה החלו להציג את 12 אינץ'. כעת, בניית כושר ייצור חדש אינה אומרת הרחבת הייצור כשיש לך כסף. הבעיה הגדולה ביותר של 8 אינץ' היא המחסור בציוד, והמחיר גבוה יותר. לדוגמה, מחירו של ציוד 8 אינץ' כמעט זהה לזה של 12 אינץ', ומחזור האספקה ארוך, כמו גם פער הכישרונות שמטריד את תעשיית המוליכים למחצה בסין. לסיכום, מדובר בעיקר במחסור בציוד ובאנשים מנוסים.

סיכום: IGBT הוא שבב הליבה של המרת אנרגיה חשמלית ויישום שלה, והוא מרכיב חשוב מאוד בנייטרליות פחמן. היישום הגדול ביותר שלו במורד הזרם הוא בתחום כלי רכב חדשים לאנרגיה, והוא בעלות השנייה בגודלה אחרי סוללות. בנוסף, לממיר המשמש בפוטו-וולטאית יש ביקוש גדול ל-IGBT. נכון לעכשיו, ההיצע והביקוש של שוק ה-IGBT אינם מאוזנים באופן חמור, ומצב המגיפה בחו"ל מוביל לכושר ייצור מוגבל של מפעלים גדולים. הסיבה העיקרית לקושי של יצרנים מקומיים להרחיב את הייצור טמונה במחסור בציוד ובמקצוענים מנוסים. מצד שני, בדרך כלל לוקח 1-3 שנים עד שמפעלים חדשים נוחתים על קו הייצור לאימות, ולכן לוקח זמן עד שיחרור כושר ייצור חדש. מומחים צופים שהזמן שבו ההיצע והביקוש יתאזנו שוב הוא ביוני 2022.

ניתוח השוואה של פטנט חומר מוליכים למחצה מהדור השלישי של סין וארצות הברית

הַבָּא

הסבר אנימציה תלת מימדית: עיקרון העבודה של הטרנזיסטור הזדעזע לבסוף. מַהוּת