Um artigo entende IGBT

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2022-03-17 1161

1,O que é IGBT?

O nome completo do IGBT é transistor bipolar de porta isolada, que é um dispositivo de estrutura composta. Ele combina as vantagens do transistor MOS e do transistor bipolar BJT. É amplamente utilizado nas áreas de conversão tensão-corrente e saída de energia, especialmente nos campos de alta tensão e alta corrente. IGBT é um dos principais dispositivos semicondutores para os seres humanos controlarem e utilizarem energia. Este dispositivo semicondutor é usado principalmente no campo de conversão eletrônica de energia e nós o chamamos coletivamente de semicondutor de potência. As aplicações mais simples, como nossos notebooks, são equipadas com adaptadores de energia, que são IGBT, que desempenham um papel no processo de aumento e diminuição de tensão e mudança CA/CC. Obviamente, o IGBT é o membro mais importante dos semicondutores de potência. Sua função é controlar a eletricidade e é o chip principal da conversão e aplicação de energia elétrica.

2,O IGBT é um produto personalizado ou um produto geral?
Comparado a outros chips, o IGBT é um produto padrão. Normalmente, uma introdução detalhada dos produtos IGBT é divulgada no site oficial de várias empresas, e vários parâmetros deste produto IGBT são declarados, como corrente máxima do coletor ICM, tensão máxima do emissor UCES, tensão de ruptura da porta UGEM, tensão de condução, nível de tensão suportável, velocidade de comutação, tipo e vida útil da portadora, capacitância de entrada, consumo máximo de energia do coletor PCM, faixa de temperatura operacional, etc. Depois de ver esses parâmetros, os clientes podem projetá-los e combiná-los de acordo com os requisitos reais da aplicação. De acordo com diferentes cenários de aplicação e diferentes clientes, haverá vários ajustes. Uma vez finalizado, é improvável que seja substituído, mas se o fornecimento não estiver disponível, também é possível trocar por um produto similar de outra empresa. Mas, em essência, ainda achamos que o IGBT é um produto universal padrão.

3,Por que o IGBT é considerado o semicondutor de energia mais benéfico para a neutralidade de carbono?
Com a promoção em larga escala de energia limpa, a demanda por IGBT aumentou, sendo a mais típica a aplicação de inversores fotovoltaicos, que requerem um grande número de módulos IGBT e IGBT de alta e ultra-alta tensão, para que a eletricidade bruta emitida pela energia fotovoltaica possa ser convertida em eletricidade fina que pode ser facilmente conectada à internet. Portanto, este é um elo muito importante para a neutralidade de carbono no futuro. Na aplicação de IGBT na era dos veículos elétricos, no passado, os carros eram todos veículos movidos a combustível, e não importava como a gasolina fosse trocada, a emissão de gases de escape dos veículos a gasolina não podia ser alterada. No entanto, veículos de nova energia que economizam energia e são ecologicamente corretos são defendidos agora, e o futuro será a era dos veículos elétricos de nova energia, e os veículos elétricos precisam de um grande número de produtos semicondutores de potência, como IGBT. A aquisição e utilização de energia elétrica limpa é a chave para reduzir as emissões de dióxido de carbono e alcançar a neutralidade de carbono no futuro, e a utilização de energia elétrica é inseparável dos semicondutores de potência e IGBT.

4,Quais são os campos de aplicações downstream? Qual é o tamanho do espaço da indústria?
Como os semicondutores são uma indústria básica, todos os campos relacionados à eletricidade são onde os semicondutores de potência desempenham seu papel, então esta indústria é muito grande, porque pelo menos 50% dos produtos ao nosso redor estão relacionados à eletricidade e produtos eletrônicos, como telefones eletrônicos de consumo, fones de ouvido Bluetooth, notebooks, diversos eletrodomésticos, bem como grandes motores industriais, transporte ferroviário, veículos de nova energia, inversores fotovoltaicos, redes inteligentes, etc., onde a eletricidade é necessária, o IGBT é basicamente indispensável. No que diz respeito à escala da indústria, o mercado global de IGBT e módulos ultrapassou US$ 7 bilhões em 2019 e este ano ultrapassará US$ 10 bilhões. Prevê-se que atinja US$ 19 bilhões até 2026, com uma taxa de crescimento anual composta de cerca de 15%. Pertence a um mercado de crescimento relativamente rápido e é um segmento de crescimento relativamente estável. Ao contrário de outros produtos, como memória, que têm altos e baixos e mudanças de ciclo óbvias, o IGBT pertence a um tipo de crescimento constante. Com os novos veículos elétricos de energia, a eletrificação eletrônica de diversas indústrias e o uso de energia limpa, o campo de semicondutores de potência, incluindo IGBT, continua a manter um crescimento forte e poderoso. Normalmente, dividimos a tensão de acordo com o IGBT em diferentes graus. A tensão abaixo de 650V-900V é média e baixa tensão, a tensão acima de 900-1200V é média e alta tensão, e a tensão acima de 1200V é alta tensão. IGBT abaixo de 650V também está disponível, mas o uso não é grande. Os produtos MOSFET são mais utilizados neste campo. Entre eles, a maioria dos eletrônicos de consumo, eletrodomésticos, etc. pertencem à faixa de IGBT de baixa tensão, que representa cerca de 30%. O IGBT de alta tensão representa 20% em campos industriais de alta potência. O IGBT usado em campos de energia de alta tensão e alta potência, como trens de alta velocidade, inversores fotovoltaicos e transporte ferroviário, representa 15%. Além disso, os veículos de nova energia na área de eletrônica automotiva respondem por mais de 30%, sendo este o caminho mais promissor para o futuro.

5,Qual é a situação de oferta e demanda do mercado? Espera-se que a oferta e a procura se equilibrem dentro de alguns anos.
Atualmente, todo o mercado de semicondutores fora de estoque já dura mais de um ano. A partir de julho de 2020, os produtos semicondutores começaram a apresentar diferentes graus de tensão e, a partir de outubro, ela estourou de forma generalizada e os preços dispararam, atingindo o pico no final de maio deste ano. O aumento de preços de muitos chips é muito exagerado e a fábrica de wafers está constantemente ajustando os preços. Mesmo assim, ainda é uma loucura fazer pedidos, e a corrida frenética por chips no downstream leva ao saque da capacidade de produção upstream, o que leva a um desequilíbrio total entre oferta e demanda em toda a indústria. Muitas pessoas na indústria fizeram várias previsões e suposições para a indústria de semicondutores restaurar o equilíbrio entre oferta e demanda e retornar ao estado normal, e previram vários nós de tempo para retornar ao normal, bem como as pré-condições para a formação de pontos de inflexão . A minha opinião pessoal é que por volta de junho de 2022, em primeiro lugar, vamos analisar vários fatores que afetam a relação entre oferta e procura. A julgar pela experiência histórica para julgar as mudanças na indústria, de modo geral, o período de boom dos semicondutores é de 24 a 36 meses, e o período de frio é de 12 a 18 meses. Desde Junho do ano passado, pensamos que é o início do período de expansão, pelo que este período de expansão durará até Junho de 2022. Considerando os factores que influenciam a epidemia, embora a epidemia tenha perturbado o ritmo da indústria global, deveria ser uma nova oportunidade e um novo desafio para os semicondutores, especialmente para a China. Pelo menos pensamos que houve dois grandes pontos de explosão nestes dois anos. A primeira é trabalhar em casa após a epidemia. O trabalho online levou a um aumento na demanda por vários tablets, o que impulsionou a demanda por chips semicondutores, porque 90% do custo desses produtos são dispositivos semicondutores. Portanto, esse aumento foi causado. Depois de cada epidemia, chega o período áureo das vendas de automóveis. Só agora, o conceito e o ciclo dos novos veículos energéticos foram sobrepostos. O conteúdo de produtos semicondutores em todo o veículo aumentou bastante, enquanto o dos veículos a combustível tradicionais é de apenas cerca de 10-15%. No entanto, os produtos semicondutores em veículos de novas energias representam mais de 50%. As partes mais importantes desta peça são vários eletrônicos automotivos, semicondutores de potência automotiva, sensores, várias unidades de microcontrole MCU, etc. O que esses chips têm em comum é que vários produtos são fabricados pelo processo 8-0.25 de 0.13 polegadas. No entanto, é difícil expandir a capacidade de produção da linha de 8 polegadas devido a problemas de equipamento, de modo que a forte demanda contínua por esses produtos pode continuar a escassez de chips. No entanto, um preço demasiado elevado também reduzirá a procura a jusante, pelo que a minha conclusão é que, em circunstâncias normais, durará até Junho de 2022. Acho que este momento é o ponto de viragem, após o qual a escassez de chips diminuirá e o inventário começará. Este é o meu julgamento pessoal, e nem descarto que esse nó chegue antes do tempo. Agora, a extensa queda de energia e a restrição de produção da China irão comprimir a demanda inflacionada e manter a lacuna de chips diminuindo. Dessa perspectiva, por um período de tempo, o preço e a demanda por chips cairão definitivamente, então acho que esse desequilíbrio extremo durará no máximo mais 6 a 9 meses e definitivamente se recuperará, com exceção da eletrônica automotiva, claro. Este setor é muito específico e existem muitos fatores que influenciam a restauração da cadeia industrial.

6,Qual a magnitude do impacto da epidemia internacional na capacidade de produção de IGBT? Quando se espera que ela seja aliviada?
A situação epidêmica no exterior tem um grande impacto em várias empresas de semicondutores estabelecidas, como Infineon, Ansenmei, etc., e o fornecimento é muito instável. Quanto a quando será aliviado, é difícil prever. Pelo menos, não acredito que seja provável que seja aliviado até junho do próximo ano, e pode enfrentar um ponto de inflexão depois de junho. Os produtos dessas grandes fábricas sempre foram escassos, seja agora ou não. A julgar pela situação dos anos anteriores, sempre haverá um período no ano em que o fornecimento não será estável, levando a aumentos de preços, mas esses aumentos se concentram principalmente em produtos de alta qualidade. Atualmente, o ritmo de substituição doméstica de produtos IGBT de baixo custo é relativamente rápido e certamente diminuirá após a liberação da futura capacidade de produção. Atualmente, os produtos nacionais de média e baixa tensão estão muito maduros e seu desempenho de custo é muito alto, mas ainda há uma certa lacuna entre os produtos de alta tensão de ponta e os países estrangeiros. Acredito que essa lacuna se reflete principalmente em como manter a consistência e a estabilidade dos produtos durante a produção em massa. Não é que a China seja incapaz de fazê-lo, mas sim que a qualidade dos produtos de média e baixa tensão não pode ser controlada quando estão em grande quantidade. O bom momento da substituição doméstica já explica tudo.

7,Qual é a diferença entre os IGBTs usados em veículos de nova geração, a energia fotovoltaica e o armazenamento de energia? Para quais funções eles são utilizados?
Atualmente, a nova energia utilizada pelos automóveis está principalmente entre 650-900V, e algumas montadoras também possuem esquemas de 1200V, entre os quais a OBC utiliza um tubo único de 650V e a PCU utiliza módulos IGBT de 900V. Depende dos esquemas de bateria e da tensão de cada fabricante de automóveis, e então a escolha do tipo de IGBT a ser utilizado. Muito diferente. Módulo IGBT, principalmente IGBT, e então alguns outros dispositivos semicondutores de potência, como FRD (Recuperação Rápida), TVS (Tensão Instantânea), SBD, etc., são necessários para formar um módulo que atenda a diversos cenários e demandas. Se for um módulo IGBT IPM, o CI de controle de potência interno é integrado, e há CIs de gerenciamento de potência além de IGBT e outros produtos semicondutores de potência.

8,Qual é a proporção de IGBT no custo de veículos de energia nova/fotovoltaica/armazenamento de energia?
PCU+OBC, um veículo de nova energia, representa pelo menos 25% a 30% do total do veículo, e a relação de custo entre os diferentes modelos é muito diferente. Por exemplo, um carro mágico como o Wuling Mini é vendido por 2.98 yuans no total, e o custo do controle eletrônico não ultrapassará 3,000 yuans. Esse tipo de carro nem precisa de IGBT, é todo MOSFET, e por exemplo, o Great Wall Euler Black Cat é vendido por 60,000 ou 70,000 yuans por carro, e o custo de uma bateria é de 15,000 yuans, e o IGBT pode ser usado. O consumo e o preço do IGBT em carros de luxo são altos, e o IGBT também é usado como inversor para energia fotovoltaica e armazenamento de energia. Essa proporção de custo é difícil de dizer, pois a maior parte de uma usina de energia é em baterias de percloroetileno e outras estruturas, dependendo da escala do investimento.

9,Haverá concentração de capacidade de IGBT entre diferentes indústrias?
É o status quo de toda a indústria, e agora significa que quem tem dinheiro pode se apropriar da capacidade de produção. Grandes empresas têm uma vantagem, devido à grande quantidade de dinheiro. Atualmente, uma proporção considerável dos semicondutores de potência nacionais são modelos IDM. Por exemplo, a Silanwei e a Shidai Electric têm suas próprias linhas de produção, então não há como se apropriar da capacidade de produção. Outras empresas que podem fazer trabalho OEM de IGBT são a Hua Hong, e essa capacidade de produção depende da apropriação. Algumas empresas com recursos financeiros, como a Starr, já arrebataram uma linha de outras.

10,O IGBT terá requisitos personalizados para as linhas de produção? Qual é a principal diferença?
O processo do IGBT é bastante diferente do de produtos lógicos comuns. Pelo menos o processo de dopagem por implantação iônica e o processo de subtração reversa são definitivamente diferentes, e existem vários processos especiais de camada epitaxial, e assim por diante. Estes são completamente diferentes dos circuitos digitais e analógicos comuns.

11,A linha de produção de IGBT pode ajustar temporariamente as especificações do produto, por exemplo, a linha de produção de IGBT usada para produção fotovoltaica é temporariamente ajustada para a linha de produção de IGBT de calibre de carro?
Os requisitos para a qualidade do carro são relativamente altos e, uma vez finalizados, é impossível substituí-los facilmente. Embora sejam todos IGBTs, por estarem em diferentes subsetores, eles têm requisitos completamente diferentes para IGBTs, e não há possibilidade de misturá-los. No entanto, como todos são produzidos por uma única empresa, diferentes capacidades de IGBTs são distribuídas na linha de produção, o que é uma questão interna à própria empresa. O equipamento ainda é esse conjunto de equipamentos, e a linha de produção ainda é esse conjunto de linhas de produção. Existem certas diferenças na embalagem, então só podemos dizer isso. Ao mesmo tempo, os clientes não estão dispostos a misturar linhas de produtos com outros produtos, portanto, os fios IGBT para automóveis são únicos.

12,Existe uma grande diferença entre o tempo de certificação do grau do medidor do veículo e a linha de produção de IGBT fotovoltaico?
Diferente dos requisitos muito elevados do medidor, os requisitos de inspeção de fábrica de toda a fábrica de veículos são extremamente rigorosos. Não apenas os fornecedores, mas também os fornecedores dos fornecedores, os fornecedores de matérias-primas dos fornecedores, etc., a linha de produtos fotovoltaicos é relativamente simples e a diferença é grande.

13,Qual é o maior problema na expansão de nova capacidade?
Em relação à dificuldade do processo, o IGBT pode basicamente usar o processo de 8 polegadas, e algumas empresas do setor já começaram a introduzir o de 12 polegadas. Construir nova capacidade de produção não significa expandir a produção quando se tem dinheiro. O maior problema do processo de 8 polegadas é a falta de equipamento e o preço é mais alto. Por exemplo, o preço do equipamento de 8 polegadas é quase o mesmo do de 12 polegadas, e o ciclo de entrega é longo, além da lacuna de talentos que tem assolado a indústria de semicondutores da China. Em resumo, o principal problema é a falta de equipamento e de pessoal experiente.

Resumo: O IGBT é o chip central da conversão e aplicação de energia elétrica e um componente muito importante da neutralidade de carbono. Sua maior aplicação downstream é no campo de veículos de nova energia e representa o segundo maior custo depois das baterias. Além disso, o inversor usado em energia fotovoltaica tem uma grande demanda por IGBT. Atualmente, a oferta e a demanda do mercado de IGBT estão seriamente desequilibradas, e a situação da epidemia no exterior leva à capacidade de produção limitada de grandes fábricas. A principal razão para a dificuldade dos fabricantes nacionais em expandir a produção reside na falta de equipamentos e profissionais experientes. Por outro lado, geralmente leva de 1 a 3 anos para que novas fábricas entrem na linha de produção para verificação, portanto, leva tempo para que a nova capacidade de produção seja liberada. Especialistas preveem que o momento em que a oferta e a demanda se equilibrarão novamente em junho de 2022.

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