1. IGBT : l'appareil central de l'industrie de l'électronique de puissance
L'IGBT est appelé le « CPU » de l'industrie de l'électronique de puissance.
L'IGBT a d'excellentes performances globales, l'IGBT est connu sous le nom de transistor bipolaire à grille isolée, qui se compose d'un tube à effet de champ à grille isolée et d'un transistor bipolaire en deux parties, tous deux avec une impédance d'entrée élevée MOSFET, une petite puissance de contrôle, le circuit de commande est simple, une vitesse de commutation rapide et le courant à l'état passant BJT - est important, la tension de conduction est réduite, les avantages d'une faible perte, c'est celui du semi-conducteur de puissance. des principales orientations futures du développement.
Avec d'excellentes performances, l'IGBT dispose d'une large gamme d'applications en aval
L'IGBT est devenu le premier choix pour les équipements électroniques de puissance moyenne et haute puissance, moyenne et basse fréquence en raison de sa densité de puissance élevée, de son circuit de commande simple et de sa large zone de fonctionnement sûre. Dans la plage de fréquences de fonctionnement inférieure à 105 Hz, les IGBT à base de silicium-sont les dispositifs semi-conducteurs de puissance préférés, avec une plage de puissance allant de quelques kilowatts à dix mégawatts. Les applications typiques incluent le contrôle industriel (convertisseurs de fréquence, soudeurs à onduleur, alimentations sans interruption, etc.) ; automobiles à énergies nouvelles (propulsions électriques principales, OBC, climatisation, direction, etc.) ; production d'énergie nouvelle (onduleurs photovoltaïques, convertisseurs d'éoliennes) ; appareils électroménagers à onduleur (IPM); transport ferroviaire (convertisseurs de traction) ; et production d'électricité (convertisseurs d'éoliennes). ); transport ferroviaire (convertisseur de traction) ; réseau intelligent, etc.
Tendance de développement de la technologie IGBT
Du point de vue de la structure de la porte avant, sa structure a connu l'évolution de la porte planaire à la porte de tranchée et à la dernière micro-porte de tranchée, et les puces IGBT grand public sur le marché actuel sont dominées par la porte de tranchée. Le développement de la structure de grille du plan à la tranchée est propice à l'augmentation de la densité de courant, à la réduction de la chute de tension à l'état passant, à la réduction de la taille des cellules et à la réduction des coûts de fabrication.
Du point de vue de la structure du corps, il a connu trois générations d'évolution, du type Punch Through (PT, Punch Through) au type Non-Punch Through (NPT, Non-Punch Through) jusqu'au type Field Stop (FS, Field Stop).
Grâce à une itération technologique continue, les indicateurs de performance des puces IGBT sont constamment optimisés. Depuis la première itération de Planar Punch-Through (PT) jusqu'au Field Stop à porte à tranchée fine en 2018, les indices techniques des puces IGBT, tels que la surface de la puce, la largeur de ligne du processus, la chute de tension à l'état activé-, le temps d'arrêt-et la perte de puissance, ont été continuellement optimisés.
2. Espace : les nouvelles énergies et autres moteurs de la demande d'IGBT continuent de croître
La taille du marché mondial des IGBT a dépassé 6,6 milliards de dollars américains
La taille du marché mondial des IGBT continue de croître et dépasse désormais les 6,6 milliards de dollars américains. Selon les données de l'organisme de recherche Omdia, la taille du marché mondial des IGBT au cours des près d'une décennie a maintenu une croissance soutenue, de 3,2 milliards de dollars américains en 2012 à 6,6 milliards de dollars américains en 2020, soit un taux de croissance composé d'environ 10 % sur une période de huit ans. À l’échelle mondiale, le contrôle industriel et les véhicules à énergies nouvelles sont les deux domaines en aval avec la plus grande proportion de demande d’IGBT. Demande en aval (données 2017), le contrôle industriel est le plus grand marché de demande d'IGBT, avec une part de demande de 37 % ; les véhicules à énergies nouvelles occupent le deuxième rang du marché, avec une part de la demande de 28 % ; suivi par le marché de la production d'énergie nouvelle et des appareils électroménagers à onduleur, avec une part de la demande de 9 % et 8 % respectivement.
La taille du marché chinois des IGBT représentait près de 40 % du marché mondial et un taux de croissance plus rapide
La taille du marché chinois des IGBT croît rapidement et, en 2019, elle a dépassé les 15 milliards de yuans. Selon Wisdom Research Consulting, la taille du marché chinois de l'IGBT connaît une croissance rapide, passant de 6 milliards de yuans en 2012 à 15,5 milliards de yuans en 2019, avec un taux de croissance composé d'environ 15 %, par rapport au taux de croissance du marché mondial de l'IGBT qui est plus élevé.
Contrôle industriel : l'IGBT demande un disque de base, l'avenir connaîtra une croissance constante
L'IGBT est le composant central des industries traditionnelles de contrôle industriel et d'alimentation électrique telles que l'onduleur, la soudeuse à onduleur, l'alimentation UPS et le chauffage par induction électromagnétique. Le plus couramment utilisé dans le domaine des onduleurs de contrôle industriel, par exemple, l'onduleur est une tension fixe, une fréquence fixe en tension et en fréquence peut être un équipement modifié, qui est généralement par la partie redresseur, la partie filtrage, la partie onduleur, le circuit de freinage, le circuit d'entraînement et le circuit de détection, etc. L'IGBT est généralement utilisé dans le circuit de l'onduleur et le circuit de freinage de l'onduleur, qui est principalement utilisé dans l'application de l'onduleur. circuits. L'onduleur s'appuie sur l'IGBT interne pour ajuster la tension et la fréquence de l'alimentation de sortie.
Véhicules à énergies nouvelles : le marché incrémental le plus important pour les IGBT
Les IGBT sont les composants essentiels des véhicules à énergies nouvelles. Ils sont largement utilisés dans les véhicules à énergies nouvelles et ont un impact significatif sur les performances de l'ensemble du véhicule. les principales applications des IGBT dans les véhicules à énergies nouvelles comprennent les contrôleurs de moteur, les -chargeurs embarqués (OBC), les climatiseurs de voiture et les piles de recharge CC pour les véhicules à énergies nouvelles.
Nouvelle production d’énergie : les IGBT sont largement utilisés dans les industries photovoltaïque et éolienne.
La production d'électricité photovoltaïque (PV) doit être connectée au réseau via un onduleur photovoltaïque, et les IGBT sont les composants essentiels des onduleurs photovoltaïques. L'onduleur photovoltaïque est l'un des équipements clés du système de production d'énergie solaire photovoltaïque, et son rôle est de convertir le courant continu généré par la production d'énergie photovoltaïque en courant alternatif qui répond aux exigences de qualité d'énergie du réseau électrique, et l'IGBT est le composant principal de l'onduleur photovoltaïque.
Appareils électroménagers à onduleur : les appareils électroménagers à onduleur constituent également une application importante des IGBT
Le taux de pénétration des appareils électroménagers à onduleur en Chine augmente. Les trois principales ventes d'appareils blancs en Chine ces dernières années se sont stabilisées à 300 millions au-dessus et au-dessous, et avec l'amélioration des exigences d'économie d'énergie et de réduction des émissions, le taux de conversion de fréquence des appareils blancs en Chine augmente, selon les données en ligne de l'industrie, en 2021, le taux de conversion de fréquence de la climatisation, des réfrigérateurs et des machines à laver de 68 %, 34 % et 46 %, respectivement, et l'avenir sera encore amélioré.
Transport ferroviaire : l'IGBT est le dispositif central de la traction du transport ferroviaire
La technologie d'entraînement à courant alternatif est le choix courant et la technologie de base de l'entraînement de traction du transport ferroviaire moderne. Principe d'entraînement CA : le véhicule via le pantographe à partir du réseau de contacts pour obtenir une puissance haute tension CA monophasée-, fournie au transformateur de traction du véhicule pour la réduction de tension, puis convertie en CC via le redresseur, puis par l'onduleur sera convertie de CC en FM-tension régulée triphasée-phase AC, et finalement livré aux moteurs de traction AC, l'ensemble du processus contient les changements alternatifs - directs -. Avantages de la transmission AC : (1) bonnes performances de traction et de freinage ; (2) facteur de puissance élevé, les interférences harmoniques sont faibles ; (3) puissance du moteur, petite taille, poids léger, fiabilité opérationnelle élevée ; (4) bonnes performances dynamiques et utilisation de l’adhérence.
3. Modèle : forte concentration de monopoles étrangers, la substitution nationale continue de s'accélérer
L’industrie des IGBT a des barrières à l’entrée élevées
Du point de vue de l’entrée dans l’industrie, le seuil d’entrée de l’industrie des IGBT est très élevé. Dans l'ensemble, les barrières à l'entrée de l'industrie des IGBT se situent dans trois domaines, respectivement, pour les barrières techniques, les barrières de marché et les barrières financières, nous nous concentrons ici sur les deux premiers.
Obstacles techniques : les liens technologiques IGBT incluent la conception et la fabrication de puces IGBT ainsi que la conception et la fabrication de modules. (1) Les puces IGBT doivent fonctionner dans un environnement à -courant, haute-tension et haute-fréquence, la fiabilité de la puce a des exigences élevées ; dans le même temps, la conception de la puce doit également garantir que l'allumage-l'activation et la désactivation-la résistance aux courts-circuits-et l'équilibre des chutes de tension à l'activation-de l'arrêt. Par conséquent, les exigences de recherche et de développement indépendantes des puces IGBT sont très élevées, la conception, l'ajustement et l'optimisation des paramètres sont très spéciaux et complexes, avec une grande accumulation de savoir-faire dans l'industrie. (2) Le lien de fabrication des puces IGBT présente également un degré élevé de difficulté, d'une part, l'arrière de la puce IGBT elle-même est plus difficile, d'autre part, le mode IDM de capacité de production auto-construite nécessite un investissement en capital très important, et le mode Fabless doit être réalisé avec la technologie de fonderie et le processus de profondeur d'intégration. (3) Module, en raison du haut degré d'intégration du module, et fonctionne dans des environnements à haute -courant, haute-tension, haute-température et autres environnements difficiles, donc dans la conception et le processus de fabrication du module pour réaliser le module doivent être pris en compte en même temps l'isolation, la tension, la dissipation thermique et les interférences électromagnétiques et de nombreux autres facteurs. Pour réaliser la haute fiabilité, la stabilité et la cohérence des produits de modules IGBT, il faut également une longue expérience dans l'industrie.
Barrières du marché : l'IGBT est le dispositif principal des produits d'application en aval, les performances, la fiabilité et la stabilité des produits IGBT ont un impact direct sur les performances des produits en aval. En conséquence, les clients doivent faire face à de longs cycles de tests de vérification et à des coûts de remplacement élevés lors de l’importation d’IGBT. Par conséquent, les clients sont généralement plus conservateurs et prudents dans le choix de l'IGBT, et une fois sélectionnés, les modifications et le remplacement ne sont pas forts.
Modèle : IGBT barrières élevées à la formation d’un petit nombre de modèles de monopoles étrangers
Le marché mondial des IGBT est actuellement monopolisé par des entreprises allemandes, japonaises et américaines. En raison du seuil d'entrée élevé de l'industrie des IGBT et du fait que les fabricants étrangers ont commencé tôt ce secteur, l'avantage du premier arrivé est évident (les produits IGBT de première génération d'Infineon sont nés en 1988), de sorte que la formation du monopole actuel du marché des IGBT par les entreprises allemandes, japonaises et américaines dans la situation, les cinq principaux fournisseurs mondiaux actuels d'IGBT, respectivement, Infineon, Mitsubishi, Fuji Electric, ON Semiconductor et Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). Et Infineon, Mitsubishi, Fuji Electric et ON Semiconductor sont en mode IDM, l'intégration verticale de l'ensemble de la chaîne industrielle en amont, en aval et a établi un fossé solide.
Changements de modèle : progrès nationaux + sécurité de la chaîne d'approvisionnement pour promouvoir l'accélération du changement de vitesse de substitution nationale
Raisons intrinsèques de l'accélération de la substitution nationale : (1) l'IGBT en tant que semi-conducteur de puissance, son itération technologique est plus lente, le cycle est plus long, l'utilisation d'une génération de produits depuis très longtemps, plus d'une décennie ; et les clients recherchent principalement la stabilité et la fiabilité des produits IGBT, la recherche de nouvelles technologies n'est pas élevée (Infineon a lancé en 2007, la quatrième génération de puces IGBT reste le principal produit actuel de l'industrie). ). Par conséquent, bien que les fabricants nationaux d'IGBT aient commencé tard, mais que l'industrie ait laissé aux fabricants locaux d'IGBT suffisamment de temps pour se développer et rattraper leur retard, les fabricants nationaux actuels d'IGBT progressent plus rapidement technologiquement, il existe déjà des produits pour répondre aux besoins des clients en aval en grandes quantités. (2) Les entreprises locales d'IGBT bénéficient d'un meilleur service, peuvent répondre rapidement aux besoins des clients en aval et le prix du produit présente un certain avantage par rapport aux investisseurs étrangers, ce qui incite les clients en aval à réduire leurs coûts.
4. Les dispositifs de puissance à semi-conducteurs en carbure de silicium - troisième-génération prometteurs
Le matériau en carbure de silicium a des performances supérieures
Les matériaux semi-conducteurs courants, notamment le silicium, le germanium et d'autres semi-conducteurs élémentaires, ainsi que l'arséniure de gallium, le carbure de silicium, le nitrure de gallium et d'autres matériaux semi-conducteurs composés, selon la recherche et l'application à grande échelle du temps successivement, l'industrie est généralement divisée en trois générations de matériaux semi-conducteurs :
La première génération de matériaux semi-conducteurs : le silicium et le germanium comme représentant, l'application typique est les circuits intégrés. Les matériaux semi-conducteurs en silicium constituent actuellement la plus grande production et les matériaux semi-conducteurs les plus largement utilisés.
La deuxième génération de matériaux semi-conducteurs : l'arséniure de gallium comme représentant. La mobilité électronique de l'arséniure de gallium est plus de 6 fois supérieure à celle du silicium, et ses dispositifs ont des performances optoélectroniques à haute -fréquence et -vitesse, ils sont donc largement utilisés dans le domaine de l'optoélectronique et de la microélectronique.
La troisième génération de matériaux semi-conducteurs : représentée par le carbure de silicium et le nitrure de gallium. Comparé aux deux premières générations de matériaux semi-conducteurs, le carbure de silicium a une grande largeur de bande interdite, une intensité de champ de claquage élevée, une conductivité thermique élevée, un taux de saturation électronique élevé et une forte résistance aux rayonnements, etc. Il convient aux scénarios à haute -tension, haute-fréquence et haute-température, et est particulièrement adapté à la fabrication de dispositifs semi-conducteurs-de haute puissance dans le domaine de l'électronique de puissance.
Les appareils en carbure de silicium surpassent également les appareils à base de silicium-
Les dispositifs électriques en carbure de silicium à base de carbure de silicium ont des performances électriques supérieures grâce aux excellentes propriétés du matériau :
Résistance à haute-tension :L'intensité du champ de claquage des matériaux en carbure de silicium est dix fois supérieure à celle des matériaux à base de silicium-classiques, de sorte que la résistance à haute-tension des dispositifs électriques en carbure de silicium est nettement plus forte que celle des dispositifs électriques à base de silicium-de même spécification ;
Résistance aux hautes températures :d'une part, la conductivité thermique du carbure de silicium est plus de trois fois supérieure à celle du matériau silicium, ce qui lui confère une meilleure capacité de dissipation thermique et maintient une température plus basse dans les mêmes conditions de puissance, réduisant ainsi les exigences de conception de dissipation thermique du dispositif, ce qui est propice à l'amélioration du degré d'intégration et au développement du dispositif dans le sens de la miniaturisation. D'autre part, la bande passante interdite du carbure de silicium est plus de trois fois supérieure à celle du silicium, et plus la bande passante interdite est large, plus la température limite de fonctionnement du dispositif est élevée (le dispositif semi-conducteur générera un phénomène d'excitation intrinsèque du porteur à haute température, ce qui entraînera la défaillance du dispositif), par conséquent, la température limite de fonctionnement des dispositifs d'alimentation en carbure de silicium peut atteindre plus de 600 degrés, par rapport aux IGBT actuels à base de silicium-qui fonctionnent généralement à 175 degrés.
Faible perte :La vitesse de dérive des électrons de saturation du carbure de silicium est plus de deux fois supérieure à celle du silicium, de sorte que les dispositifs en carbure de silicium ont une résistance à l'activation-faible et une perte à l'activation-faible ; il n'y a pas de traînée de courant dans les dispositifs en carbure de silicium, et la perte de commutation est également inférieure à celle des dispositifs à base de silicium-, et une fréquence de commutation plus élevée peut également être obtenue.
L'industrie du carbure de silicium va inaugurer un développement rapide
Poussé par l’application de véhicules à énergie nouvelle, le marché des dispositifs en carbure de silicium connaîtra une croissance rapide. Selon les prévisions de Yole, bénéficiant du carbure de silicium dans les véhicules à énergie nouvelle, dans l'industrie et l'énergie et dans d'autres domaines de croissance de la demande, le marché mondial des dispositifs en carbure de silicium passera de 1 milliard de dollars américains en 2021 à plus de 6 milliards de dollars américains en 2027, le taux de croissance composé atteindra 34 % ; dont le marché des dispositifs automobiles en carbure de silicium passera de 685 millions de dollars américains en 2021 à 5 milliards de dollars américains en 2027, soit un taux de croissance composé pouvant atteindre 40 %. Le marché des dispositifs automobiles en carbure de silicium passera de 685 millions de dollars en 2021 à environ 5 milliards de dollars en 2027, avec un taux de croissance composé pouvant atteindre 40 %, et la taille du marché des dispositifs automobiles en carbure de silicium représentera environ 80 % de la taille totale du marché des dispositifs en carbure de silicium d'ici 2027.