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

2020-05-29 13:45Shayla
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写在前面





CCTV最近做了关于中国芯生存状态的系列报道,主要谈了中国IGBT的进展,本来这事一件好事,但是有一些好事者认为中国IGBT已经赶美欧、超日了。这种盲目的乐观对于中国集成电路的建设,可能是一种捧杀,而不是一件好事,我们不妨来看一下中国IGBT的真实状况。

一说起IGBT,半导体制造的人都以为不就是一个分立器件(Power Disceret)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(FairChild 、Infineon、TOSHIBA),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。


01
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。




02
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。




03
 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。


04
小结




目前,白色家电、逆变器、逆变电源、工业控制等国内中低端市场已经逐步完成了国产化替代,不过,在新能源汽车、新能源发电、智能电网等要求非常高的领域,国内 IGBT 厂商有待突破。

在新能源汽车领域,比亚迪微电子、斯达股份、上汽英飞凌等厂商的 IGBT 模块产品已经出货,中车时代半导体的汽车用 IGBT 产品也已送样测试;在国家电网方面,除中车时代半导体的 IGBT 产品已进入市场外,2019年10 月份,国电南瑞宣布与国家电网有限公司下属科研单位全球能源互联网研究院有限公司共同投资设立南瑞联研功率半导体有限责任公司,实施 IGBT 模块产业化项目。

控制与功率的核心都需要自立更生,独立自主。

不过由于 IGBT 行业存在技术门槛较高、人才匮乏、市场开拓难度大、资金投入较大等困难,国内企业在产业化的进程中一直进展缓慢,随着全球制造业向中国的转移,我国功率半导体市场占世界市场的 50%以上,是全球最大的 IGBT 市场,但 IGBT 产品严重依赖进口,在中高端领域更是 90%以上的 IGBT 器件依赖进口,IGBT 国产化需求已是刻不容缓。



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