1. IGBT: الجهاز الأساسي في صناعة إلكترونيات الطاقة
يُطلق على IGBT اسم "وحدة المعالجة المركزية" في صناعة إلكترونيات الطاقة.
يتمتع IGBT بأداء عام ممتاز، ويُعرف IGBT بالترانزستور ثنائي القطب للبوابة المعزولة، والذي يتكون من أنبوب تأثير مجال البوابة المعزول والترانزستور ثنائي القطب من جزأين، كلاهما مع مقاومة إدخال عالية MOSFET، وطاقة تحكم صغيرة، ودائرة القيادة بسيطة، وسرعة التبديل السريعة، وحالة تيار BJT -كبيرة، ويتم تقليل جهد التوصيل، ومزايا الفقد المنخفض، وهو أشباه موصلات الطاقة. الاتجاه المستقبلي الرئيسي للتنمية.
مع الأداء الممتاز، لدى IGBT مجموعة واسعة من التطبيقات النهائية
لقد أصبح IGBT الخيار الأول للمعدات الإلكترونية ذات الطاقة المتوسطة والعالية والتردد المتوسط والمنخفض بفضل كثافة الطاقة العالية ودائرة القيادة البسيطة ومنطقة التشغيل الآمنة الواسعة. في نطاق تردد التشغيل الأقل من 105 هرتز، تعد أجهزة IGBT القائمة على السيليكون- هي أجهزة أشباه موصلات الطاقة المفضلة، مع نطاق طاقة يتراوح من بضعة كيلووات إلى عشرة ميجاوات. وتشمل التطبيقات النموذجية التحكم الصناعي (محولات التردد، وأجهزة اللحام العاكس، وإمدادات الطاقة غير المنقطعة، وما إلى ذلك)؛ سيارات الطاقة الجديدة (المحركات الكهربائية الرئيسية، OBCs، تكييف الهواء، التوجيه، وما إلى ذلك)؛ توليد الطاقة الجديدة (العاكسات الكهروضوئية، محولات توربينات الرياح)؛ السلع البيضاء العاكس (IPM) ؛ النقل بالسكك الحديدية (محولات الجر)؛ وتوليد الطاقة (محولات توربينات الرياح). ); النقل بالسكك الحديدية (محول الجر)؛ الشبكة الذكية، الخ.
IGBT اتجاه تطوير التكنولوجيا
من منظور هيكل البوابة الأمامية، شهد هيكلها التطور من البوابة المستوية إلى بوابة الخندق وأحدث بوابة الخندق -، وتهيمن بوابة الخندق على شرائح IGBT السائدة في السوق الحالية. يؤدي تطوير هيكل البوابة من المستوي إلى الخندق إلى زيادة كثافة التيار، مما يقلل من انخفاض جهد الحالة-، ويقلل حجم الخلية ويقلل تكلفة التصنيع.
من منظور بنية الجسم، فقد شهدت ثلاثة أجيال من التطور من نوع Punch Through (PT، Punch Through) إلى النوع غير -Punch Through (NPT، Non-Punch Through) إلى نوع التوقف الميداني (FS، Field Stop).
من خلال التكرار المستمر للتكنولوجيا، يتم تحسين مؤشرات أداء شريحة IGBT باستمرار. بدءًا من التكرار الأول لـ Planar Punch-وعبر (PT) وحتى التوقف الميداني لبوابة الخندق الدقيقة في عام 2018، تم تحسين الفهارس الفنية لرقائق IGBT، مثل منطقة الشريحة وعرض خط العملية و-انخفاض الجهد الكهربي ووقت إيقاف التشغيل-وفقد الطاقة، بشكل مستمر.
2. الفضاء: الطاقة الجديدة وغيرها من العوامل الدافعة للطلب على IGBT مستمرة في النمو
تجاوز حجم سوق IGBT العالمي 6.6 مليار دولار أمريكي
يستمر حجم سوق IGBT العالمي في النمو، وقد تجاوز الآن 6.6 مليار دولار أمريكي. وفقًا لبيانات منظمة Omdia البحثية، حافظ حجم سوق IGBT العالمي في العقد الماضي تقريبًا على النمو المستدام، من 3.2 مليار دولار أمريكي في عام 2012 إلى 6.6 مليار دولار أمريكي في عام 2020، أي أن معدل النمو المركب خلال فترة الثماني -سنوات يبلغ حوالي 10%. على الصعيد العالمي، تعد مركبات التحكم الصناعي ومركبات الطاقة الجديدة من المجالات النهائية التي تتمتع بأكبر نسبة من الطلب على IGBT. الطلب النهائي (بيانات 2017)، يعد التحكم الصناعي أكبر سوق طلب على IGBT، حيث تبلغ حصة الطلب 37٪؛ واحتلت سيارات الطاقة الجديدة ثاني أكبر سوق، حيث بلغت حصة الطلب عليها 28%؛ يليه سوق توليد الطاقة الجديدة والسلع البيضاء العاكسة، بحصة طلب تبلغ 9% و8% على التوالي.
ويشكل حجم سوق IGBT في الصين ما يقرب من 40٪ من العالم، ومعدل نمو أسرع
ينمو حجم سوق IGBT في الصين بسرعة، وفي عام 2019 تجاوز 15 مليار يوان. وفقًا لشركة Wisdom Research Consulting، ينمو حجم سوق IGBT في الصين بسرعة، من 6 مليارات يوان في عام 2012 إلى 15.5 مليار يوان في عام 2019، بمعدل نمو مركب يبلغ حوالي 15٪، مقارنة بمعدل نمو حجم سوق IGBT العالمي الأعلى.
التحكم الصناعي: IGBT يتطلب القرص الأساسي، وسيحقق المستقبل نموًا مطردًا
IGBT هو المكون الأساسي لصناعات التحكم الصناعي وإمدادات الطاقة التقليدية مثل العاكس واللحام العاكس وإمدادات الطاقة UPS والتسخين بالحث الكهرومغناطيسي. الأكثر استخدامًا في مجال عاكس التحكم الصناعي، على سبيل المثال، العاكس هو جهد ثابت، تردد ثابت إلى جهد وتردد يمكن تغيير المعدات، والتي عادة ما تكون عن طريق جزء المقوم، جزء الترشيح، جزء العاكس، دائرة الكبح، دائرة القيادة ودائرة الكشف، إلخ. عادة ما يتم استخدام IGBT في دائرة العاكس ودائرة الكبح في العاكس، والتي تستخدم بشكل رئيسي في تطبيق دوائر العاكس. يعتمد العاكس على IGBT الداخلي لضبط الجهد والتردد لمصدر طاقة الخرج.
مركبات الطاقة الجديدة: السوق الإضافية الأكثر أهمية لـ IGBTs
تعد IGBTs المكونات الأساسية لمركبات الطاقة الجديدة، وهي تستخدم على نطاق واسع في مركبات الطاقة الجديدة ولها تأثير كبير على أداء السيارة بأكملها. تشمل التطبيقات الرئيسية لـ IGBTs في مركبات الطاقة الجديدة وحدات التحكم في المحركات، وأجهزة الشحن الموجودة على متن السيارة (OBCs)، ومكيفات هواء السيارات، وأكوام الشحن التي تعمل بالتيار المستمر لمركبات الطاقة الجديدة.
توليد الطاقة الجديدة: تستخدم IGBTs على نطاق واسع في صناعات الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح.
يجب أن يتم توصيل توليد الطاقة الكهروضوئية (PV) بالشبكة من خلال عاكس كهروضوئي، وتعد IGBTs هي المكونات الأساسية للعاكسات الكهروضوئية. يعد العاكس الكهروضوئي أحد المعدات الرئيسية في نظام توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية، ويتمثل دوره في تحويل التيار المباشر الناتج عن توليد الطاقة الكهروضوئية إلى تيار متردد يلبي متطلبات جودة الطاقة لشبكة الطاقة، ويعتبر IGBT هو المكون الأساسي للعاكس الكهروضوئي.
السلع البيضاء العاكسة: تعد الأجهزة المنزلية العاكسة أيضًا تطبيقًا مهمًا لـ IGBTs
معدل انتشار السلع البيضاء العاكس في الصين آخذ في الازدياد. استقرت مبيعات السلع البيضاء الثلاثة الرئيسية في الصين في السنوات الأخيرة عند 300 مليون أعلى أو أقل، ومع تحسين متطلبات توفير الطاقة وخفض الانبعاثات، يتزايد معدل تحويل تردد السلع البيضاء في الصين، وفقًا لبيانات الصناعة عبر الإنترنت، في عام 2021، معدل تحويل تردد تكييف الهواء والثلاجات والغسالات هو 68٪ و34٪ و46٪ على التوالي، وسيتم تعزيز المستقبل بشكل أكبر.
النقل بالسكك الحديدية: IGBT هو الجهاز الأساسي في جر النقل بالسكك الحديدية
تعد تقنية محرك التيار المتردد هي الاختيار السائد والتقنية الأساسية لمحرك الجر الحديث بالسكك الحديدية. مبدأ تشغيل التيار المتردد: تحصل السيارة من خلال المنساخ من شبكة الاتصال على طاقة الجهد العالي -مرحلة واحدة من التيار المتردد، ويتم توصيلها إلى محول جر السيارة لتقليل الجهد، ثم يتم تحويلها إلى تيار مستمر من خلال المقوم، وبعد ذلك سيتم تحويلها بواسطة العاكس من تيار مستمر إلى FM-جهد منظم على ثلاث مراحل- تيار متردد، و تم تسليمها أخيرًا إلى محركات الجر ذات التيار المتردد، وتحتوي العملية برمتها على التغييرات المتناوبة - المباشرة - المتناوبة. مزايا ناقل الحركة بالتيار المتردد: (1) أداء جيد للجر والكبح؛ (2) عامل الطاقة العالية، والتداخل التوافقي صغير؛ (3) قوة المحرك، الحجم الصغير، الوزن الخفيف، الموثوقية التشغيلية العالية؛ (4) الأداء الديناميكي الجيد والاستفادة من الالتصاق.
3. النمط: التركيز العالي للاحتكارات الأجنبية، والاستبدال المحلي مستمر في التسارع
صناعة IGBT لديها حواجز عالية أمام الدخول
من منظور دخول الصناعة، فإن عتبة دخول صناعة IGBT مرتفعة جدًا. بشكل عام، حواجز صناعة IGBT أمام الدخول في ثلاثة مجالات، على التوالي، للحواجز التقنية وحواجز السوق والحواجز المالية، وهنا نركز على الأولين.
العوائق التقنية: تشمل روابط تكنولوجيا IGBT تصميم وتصنيع شرائح IGBT وتصميم الوحدات وتصنيعها. (1) تحتاج شرائح IGBT إلى العمل في بيئة -التيار العالي، والجهد العالي-والتردد العالي-، كما أن موثوقية الشريحة لها متطلبات عالية؛ في الوقت نفسه، يجب أن يضمن تصميم الشريحة أيضًا -التشغيل والإيقاف-ومقاومة الدائرة القصيرة-والتشغيل-وإيقاف توازن انخفاض الجهد. ولذلك، فإن متطلبات البحث والتطوير المستقلة لرقاقة IGBT مرتفعة جدًا، كما أن التصميم وتعديل المعلمات وتحسينها خاص جدًا ومعقد، مع معرفة الكثير من الصناعة بكيفية التراكم. (2) يتميز رابط تصنيع شرائح IGBT أيضًا بدرجة عالية من الصعوبة، فمن ناحية، يكون الجزء الخلفي من شريحة IGBT نفسها أكثر صعوبة، ومن ناحية أخرى، يتطلب وضع IDM لقدرة الإنتاج المبنية ذاتيًا-استثمارًا رأسماليًا كبيرًا جدًا، ويجب تحقيق وضع Fabless باستخدام تكنولوجيا المسبك وعملية عمق التكامل. (3) الوحدة، نظرًا لدرجة التكامل العالية للوحدة، والعمل في -التيار العالي، والجهد العالي-، ودرجة الحرارة العالية- وغيرها من البيئات القاسية، لذلك في تصميم الوحدة وعملية التصنيع لتحقيق الوحدة، يجب مراعاة العزل والجهد وتبديد الحرارة والتداخل الكهرومغناطيسي والعديد من العوامل الأخرى في نفس الوقت. لتحقيق الموثوقية العالية والاستقرار والاتساق لمنتجات وحدة IGBT تحتاج أيضًا إلى وقت طويل من الخبرة الصناعية.
حواجز السوق: IGBT هو الجهاز الأساسي لمنتجات التطبيقات النهائية، وأداء منتج IGBT، والموثوقية والاستقرار لها تأثير مباشر على أداء المنتجات النهائية. ونتيجة لذلك، يحصل العملاء على دورات اختبار طويلة للتحقق وتكاليف استبدال عالية عند استيراد IGBTs. لذلك، عادة ما يكون العملاء أكثر تحفظًا وحذرًا في اختيار IGBT، وبمجرد اختيارهم لإجراء تغييرات واستبدال، لن تكون إرادتهم قوية.
النمط: IGBT حواجز عالية أمام تشكيل عدد صغير من نمط الاحتكار الأجنبي
تحتكر حاليًا الشركات الألمانية واليابانية والأمريكية سوق IGBT العالمي. نظرًا لارتفاع عتبة الدخول في صناعة IGBT، والمصنعين الأجانب للأعمال الذين بدأوا مبكرًا، فإن ميزة المحرك الأول-من الواضحة (ولدت منتجات Infineon من الجيل الأول-من IGBT في عام 1988)، لذا فإن تشكيل احتكار سوق IGBT الحالي من قبل الشركات الألمانية واليابانية والأمريكية في هذا الوضع، هو أفضل خمسة بائعين عالميين لـ IGBT حاليًا، على التوالي، Infineon، ميتسوبيشي، فوجي إلكتريك، الشركة الدولية لتصنيع أشباه الموصلات وأشباه الموصلات (SMIC). وإنفينيون، ميتسوبيشي، فوجي إلكتريك وأشباه الموصلات هي وضع IDM، والتكامل الرأسي لسلسلة الصناعة بأكملها من المنبع، والمصب، وأنشأت خندقًا قويًا.
التغييرات في النمط: التقدم المحلي + أمن سلسلة التوريد لتعزيز تسريع التحول والعتاد البديل المحلي
الأسباب الجوهرية لتسريع الاستبدال المحلي: (1) IGBT كفترة أشباه موصلات للطاقة، وتكرار التكنولوجيا أبطأ، والدورة أطول، واستخدام جيل من المنتجات لفترة طويلة جدًا، أكثر من عقد من الزمن؛ ويبحث العملاء بشكل أساسي عن استقرار وموثوقية منتجات IGBT، كما أن السعي وراء التقنيات الجديدة ليس مرتفعًا (تم إطلاق Infineon في عام 2007، ولا يزال الجيل الرابع من شريحة IGBT هو المنتجات الرئيسية للصناعة الحالية). ). لذلك، على الرغم من أن الشركات المصنعة لـ IGBT المحلية بدأت متأخرة، إلا أن الصناعة تركت لمصنعي IGBT المحليين وقتًا كافيًا للتطوير واللحاق بالركب، فإن الشركات المصنعة لـ IGBT المحلية الحالية تقدم تقدمًا تكنولوجيًا أسرع، وهناك بالفعل منتجات لتلبية احتياجات العملاء النهائيين بكميات كبيرة. (2) تتمتع شركات IGBT المحلية بخدمة أفضل، ويمكنها الاستجابة بسرعة لاحتياجات العملاء النهائيين، كما أن سعر المنتج له ميزة معينة على المستثمرين الأجانب، مما يفضي إلى عملاء المصب لتقليل التكاليف.
4. أجهزة واعدة للطاقة من الجيل الثالث من أشباه الموصلات - من كربيد السيليكون -
تتمتع مادة كربيد السيليكون بأداء فائق
مواد أشباه الموصلات الشائعة، بما في ذلك السيليكون والجرمانيوم وأشباه الموصلات العنصرية الأخرى، بالإضافة إلى زرنيخيد الغاليوم وكربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم وغيرها من مواد أشباه الموصلات المركبة، وفقًا للبحث -والتطبيق واسع النطاق للوقت على التوالي، تنقسم صناعة مواد أشباه الموصلات عادةً إلى ثلاثة أجيال:
الجيل الأول من المواد شبه الموصلة: السيليكون والجرمانيوم كممثلين، والتطبيق النموذجي هو الدوائر المتكاملة. تعتبر مواد أشباه الموصلات السيليكون حاليا أكبر إنتاج، ومواد أشباه الموصلات الأكثر استخداما على نطاق واسع.
الجيل الثاني من المواد شبه الموصلة: زرنيخيد الغاليوم كممثل. تعد حركة إلكترون زرنيخيد الغاليوم أكثر من 6 أضعاف حركة السيليكون، وتتمتع أجهزته بتردد عالي- وأداء إلكتروني ضوئي عالي السرعة-، لذلك يتم استخدامها على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات الضوئية والإلكترونيات الدقيقة.
الجيل الثالث من المواد شبه الموصلة: ويمثلها كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم. بالمقارنة مع الجيلين الأولين من مواد أشباه الموصلات، يتمتع كربيد السيليكون بعرض نطاق كبير محظور، وقوة مجال انهيار عالية، وموصلية حرارية عالية، ومعدل تشبع إلكترون مرتفع ومقاومة قوية للإشعاع، وما إلى ذلك. وهو مناسب لسيناريوهات الجهد العالي-والتردد العالي-ودرجة الحرارة العالية-، وهو مناسب بشكل خاص لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات عالية الطاقة- في مجال إلكترونيات الطاقة.
تتفوق أجهزة كربيد السيليكون أيضًا على الأجهزة التي تعتمد على السيليكون-.
تتمتع أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون والتي تعتمد على كربيد السيليكون بأداء كهربائي فائق نظرًا للخصائص الممتازة للمادة:
مقاومة الجهد العالي-:تبلغ شدة مجال الانهيار لمواد كربيد السيليكون عشرة أضعاف قوة المواد التقليدية التي تعتمد على-السيليكون، وبالتالي فإن مقاومة الجهد العالي-لأجهزة طاقة كربيد السيليكون أقوى بكثير من مقاومة أجهزة الطاقة التي تعتمد على السيليكون-والتي لها نفس المواصفات؛
مقاومة درجات الحرارة العالية:من ناحية، فإن التوصيل الحراري لكربيد السيليكون أكثر من ثلاثة أضعاف مادة السيليكون، لذلك فهو يتمتع بقدرة أفضل على تبديد الحرارة ويحافظ على درجة حرارة أقل تحت نفس ظروف الطاقة، وبالتالي تقليل متطلبات تصميم تبديد حرارة الجهاز، مما يفضي إلى تحسين درجة التكامل، ويجعل الجهاز يتطور في اتجاه التصغير. من ناحية أخرى، فإن عرض النطاق الترددي المحظور لكربيد السيليكون يزيد عن ثلاثة أضعاف عرض النطاق الترددي للسيليكون، وكلما اتسع عرض النطاق الترددي المحظور، زادت درجة حرارة التشغيل المحددة للجهاز (سيولد جهاز أشباه الموصلات ظاهرة الإثارة الجوهرية للحامل عند درجات حرارة عالية، مما سيؤدي إلى فشل الجهاز)، وبالتالي، يمكن أن تصل درجة حرارة التشغيل المحددة لأجهزة طاقة كربيد السيليكون إلى أكثر من 600 درجة مئوية. درجة، مقارنةً بوحدات IGBT الحالية القائمة على السيليكون- والتي تعمل بشكل عام عند درجة حرارة 175 درجة.
خسارة منخفضة:تبلغ سرعة انجراف الإلكترون في تشبع كربيد السيليكون أكثر من ضعف سرعة انجراف السيليكون، لذلك تتميز أجهزة كربيد السيليكون بمقاومة أقل-وخسارة- منخفضة؛ لا يوجد سحب تيار في أجهزة كربيد السيليكون، كما أن فقدان التبديل أقل أيضًا من الأجهزة المعتمدة على السيليكون-، ويمكن أيضًا تحقيق تردد تحويل أعلى.
سوف صناعة كربيد السيليكون تستهل في التطور السريع
مدفوعًا بتطبيق مركبات الطاقة الجديدة، سينمو سوق أجهزة كربيد السيليكون بسرعة. وفقًا لتوقعات يول، بالاستفادة من كربيد السيليكون في مركبات الطاقة الجديدة والصناعة والطاقة وغيرها من مجالات نمو الطلب، سينمو سوق أجهزة كربيد السيليكون العالمي من مليار دولار أمريكي في عام 2021 إلى أكثر من 6 مليارات دولار أمريكي في عام 2027، وسيصل معدل النمو المركب إلى 34٪؛ والتي سينمو سوق أجهزة كربيد السيليكون للسيارات من 685 مليون دولار أمريكي في عام 2021 إلى 5 مليارات دولار أمريكي في عام 2027، بمعدل نمو مركب يصل إلى 40٪. وسينمو سوق أجهزة كربيد السيليكون للسيارات من 685 مليون دولار في عام 2021 إلى حوالي 5 مليارات دولار في عام 2027، بمعدل نمو مركب يصل إلى 40%، وسيشكل حجم سوق أجهزة كربيد السيليكون للسيارات حوالي 80% من إجمالي حجم سوق أجهزة كربيد السيليكون بحلول عام 2027.