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华为跑步入场功率半导体核心大脑IGBT详解国内IGBT发展现状尼龙束线带

2020-12-25 18:01:41 功率半导体    

华为跑步入场功率半导体核心大脑IGBT,详解国内IGBT发展现状

导读一说起IGBT,半导体制造的人都以为不就是一个分立器件嘛,都很瞧不上眼。然而它和28nm/16nm集成电路制造一样,是国家「02专项」的重点扶持项目,这玩意是现在目前功率电子器件里技术最先进的产品,已经全面取代了传统的Power MOSFET。其应用非常广泛,小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业,被称为电力电子行业里的「CPU」,长期以来,该产品(包括晶片)还是被垄断在少数IDM手上嘛,都很瞧不上眼。

然而它和28nm/16nm集成电路制造一样,是国家「02专项」的重点扶持项目,这玩意是现在目前功率电子器件里技术最先进的产品,已经全面取代了传统的Power MOSFET。

其应用非常广泛,小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业,被称为电力电子行业里的「CPU」,长期以来,该产品(包括晶片)还是被垄断在少数IDM手上,位居「十二五」期间国家16个重大技术突破专项中的第二位(简称「02专项」)。

从功能上来说,IGBT就是一个电路开关,用在电压几十到几百伏量级、电流几十到几百安量级的强电上的。(相对而言,手机、电脑电路板上跑的电电压低,以传输信号为主,都属于弱电。)可以认为就是一个晶体管,电压电流超大而已。

家里的电灯开关是用按钮控制的。IGBT不用机械按钮,它是由计算机控制的。具体点说,IGBT的简化模型有3个接口,有两个(集电极、发射极)接在强电电路上,还有一个接收控制电信号,叫作门极。给门极一个高电平信号,开关(集电极与发射极之间)就通了;再给低电平信号,开关就断了。给门极的信号是数字信号(即只有高和低两种状态),电压很低,属于弱电,只要经过一个比较简单的驱动电路就可以和计算机相连。实际用的“计算机”通常是叫作DSP的微处理器,擅长处理数字信号,比较小巧。

这种可以用数字信号控制的强电开关还有很多种。作为其中的一员,IGBT的特点是,在它这个电流电压等级下,它支持的开关速度是最高的,一秒钟可以开关几万次。GTO以前也用在轨道交通列车上,但是GTO开关速度低,损耗大,现在只有在最大电压电流超过IGBT承受范围才使用;IGCT本质上也是GTO,不过结构做了优化,开关速度和最大电压电流都介于GTO和IGBT之间;大功率MOSFET快是快,但不能支持这么大的电压电流,否则会烧掉。

简单讲,是一个非通即断的开关,IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点,如驱动功率小和饱和压降低等。

在2019年11月末的时候,行业内媒体报道了华为已开始从 IGBT 厂商挖人,自己研发 IGBT 器件的消息 (可能”电源森林“的粉丝朋友也有不少收到华为给出的面试邀请)。春节期间,就着证券公司的报告,和大家一起回顾一下华为入场IGBT和国内IGBT发展现状。

据预测,未来半导体功率器件中,MOSFET 与 IGBT 器件将是最强劲的增长点。IGBT 是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,作为国家战略性新兴产业,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。随着新能源汽车、轨道交通及智能电网的发展,IGBT 需求迎来大幅增长。

一、华为入场推进 IGBT 发展

根据报道,华为已开始从 IGBT 厂商挖人,自己研发 IGBT 器件。凭借自身的技术实力,华为已经成为 UPS 电源领域的龙头企业,目前占据全球数据中心领域第一的市场份额。IGBT 作为能源变换与传输的核心器件,也是华为 UPS 电源的核心器件。

目前华为所需的 IGBT 主要从英飞凌等厂商采购。受中美贸易战影响,华为为保障产品供应不受限制,开始涉足功率半导体领域。目前,在二极管、整流管、MOS 管等领域,华为正在积极与安世半导体、华微电子等国内厂商合作,加大对国内功率半导体产品的采购量,但在高端 IGBT 领域,由于国内目前没有厂家具有生产实力,华为只能开始自主研发。

碳化硅和氮化镓是未来功率半导体的核心发展方向,英飞凌、ST 等全球功率半导体巨头以及华润微、中车时代半导体等国内功率厂商都重点布局在该领域的研究。

为了发展功率半导体,华为也开启了对第三代半导体材料的布局。根据集微网报道,华为旗下的哈勃科技投资有限公司在今年8月份投资了山东天岳先进材料科技有限公司,持股 10%,而山东天岳是我国第三代半导体材料碳化硅龙头企业。相对于传统的硅材料,碳化硅的禁带宽度是硅的 3 倍;导热率为硅的 4-5 倍;击穿电压为硅的 8 倍;电子饱和漂移速率为硅的 2 倍,因此,碳化硅特别适于制造耐高温、耐高压,耐大电流的高频大功率的器件。

二、IGBT 国内现状

目前全球 IGBT 市场主要被国外公司所占领,2017 年全球 IGBT 市场中,Infineon以 27.1%的市占率排名第一,三菱以 16.4%排名第二,排名第三的富士电机市占率为 10.7%。全球前 5 公司市占率达 67.5%,行业集中度较高。

从市场规模上看,2018 年全球 IGBT 市场规模达 58.36 亿美元,较 2017 年的 52.55亿美元增长 11.06%。

国内方面,2018 年国内 IGBT 市场规模达 261.9 亿元,较 2017 年的 132.5 亿元大增 97.66%。随着轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域的加速发展,国内 IGBT 需求迎来爆发,近几年国内 IGBT 市场规模呈加速增长趋势。

三、IGBT 国内产量供不应求

受 IGBT 市场需求大幅增长推动,国内 IGBT 行业近年开启加速增长。除华为开始布局之外,比亚迪微电子、中车时代半导体、斯达股份、士兰微等部分企业已经实现量产,并在市场上有不错表现。

此外,近年来,原从事二极管、三级管、晶闸管等技术含量较低的功率半导体厂商,华微电子、扬杰科技、捷捷微电以及台基股份等纷纷向 MOSFET 与 IGBT 领域突围,部分下游应用厂商也向上游 IGBT 领域布局。

尽管国内有众多厂商加入 IGBT 产品布局,但国内 IGBT 市场依然产量较低,与国内巨大需求相比供不应求。2018 年国内 IGBT 产量 1115 万只,较 2017 年的 820万只增加了 295 万只,同比增长 36%。但 2018 年国内 IGBT 产品需求达 7898 万只,供需缺口达 6783 万只,国内产量严重不足。

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