1. IGBT: 전력전자산업의 핵심소자
IGBT는 전력전자산업의 'CPU'로 불린다.
IGBT는 전반적인 성능이 우수합니다. IGBT는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터로 알려져 있습니다. 이는 절연 게이트 전계 효과 튜브와 바이폴라 트랜지스터 두 부분으로 구성되어 있으며 둘 다 MOSFET의 높은 입력 임피던스, 작은 제어 전력, 구동 회로가 간단하고 빠른 스위칭 속도와 BJT 온 상태 전류가 크며 전도 전압이 감소하고 손실이 적다는 장점이 있으며 전력 반도체 중 하나입니다. 미래의 주요 개발 방향.
뛰어난 성능으로 IGBT는 광범위한 다운스트림 애플리케이션을 보유하고 있습니다.
IGBT는 높은 전력 밀도, 간단한 구동 회로 및 넓은 안전 작동 영역으로 인해 중 및 고전력, 중 및 저주파 전력 전자 장비에 대한 첫 번째 선택이 되었습니다. 105Hz 미만의 작동 주파수 범위에서 실리콘- 기반 IGBT는 전력 범위가 수 킬로와트에서 10메가와트에 이르는 선호되는 전력 반도체 장치입니다. 일반적인 응용 분야에는 산업 제어(주파수 변환기, 인버터 용접기, 무정전 전원 공급 장치 등); 신에너지 자동차(주 전기 구동장치, OBC, 에어컨, 스티어링 등); 신에너지 발전(광발전 인버터, 풍력 터빈 변환기); 인버터 백색 가전(IPM); 철도 운송(견인 변환기); 및 발전(풍력 터빈 변환기). ); 철도 운송(견인 변환기); 스마트그리드 등
IGBT 기술 개발 동향
프론트 게이트 구조의 관점에서 볼 때 그 구조는 평면 게이트에서 트렌치 게이트 및 최신 마이크로{0}}트렌치 게이트로 진화했으며 현재 시장의 주류 IGBT 칩은 트렌치 게이트가 지배하고 있습니다. 평면에서 트렌치로의 게이트 구조 개발은 전류 밀도 증가, 온{2}}상태 전압 강하 감소, 셀 크기 감소 및 제조 비용 절감에 도움이 됩니다.
차체구조적으로 보면 펀치스루형(PT, Punch Through)에서 논-펀치스루형(NPT, Non{1}}Punch Through), 필드스톱형(FS, Field Stop)으로 3세대 진화를 거쳐왔다.
지속적인 기술 반복을 통해 IGBT 칩 성능 지표는 지속적으로 최적화됩니다. Planar Punch-Through(PT)의 초기 반복부터 2018년 미세 트렌치 게이트 Field Stop까지 칩 면적, 공정 선폭, 온-상태 전압 강하, 꺼짐-시간 및 전력 손실과 같은 IGBT 칩의 기술 지표가 지속적으로 최적화되었습니다.
2. 공간: 신에너지 및 기타 원동력 IGBT 수요는 지속적으로 증가하고 있습니다.
글로벌 IGBT 시장 규모는 66억 달러를 넘어섰습니다.
전 세계 IGBT 시장 규모는 지속적으로 성장해 현재 66억 달러를 넘어섰습니다. 연구 기관 Omdia의 데이터에 따르면 지난 10년 동안 전 세계 IGBT 시장 규모는 2012년 32억 달러에서 2020년 66억 달러로 지속적인 성장을 유지했으며, 이는 8년 동안의 복합 성장률-으로 약 10%에 해당합니다. 전 세계적으로 산업 제어 및 신에너지 차량은 IGBT 수요에서 가장 큰 비중을 차지하는 두 가지 다운스트림 영역입니다. 다운스트림 수요(2017년 데이터), 산업 제어는 IGBT의 가장 큰 수요 시장으로 수요 점유율은 37%입니다. 신에너지 차량은 수요 점유율 28%로 두 번째로 큰 시장을 차지했습니다. 그 뒤를 이어 신에너지 발전과 인버터 백색가전 시장이 수요 점유율 9%와 8%를 차지했다.
중국의 IGBT 시장 규모는 전 세계의 약 40%를 차지하며 성장 속도도 더 빠르다.
중국의 IGBT 시장 규모는 빠르게 성장하고 있으며, 2019년에는 150억 위안을 돌파했습니다. Wisdom Research Consulting에 따르면 중국의 IGBT 시장 규모는 2012년 60억 위안에서 2019년 155억 위안으로 빠르게 성장하고 있으며 복합 성장률은 약 15%로 글로벌 IGBT 시장 규모의 성장률보다 더 높다.
산업용 제어: IGBT는 기본 디스크를 요구하며, 미래에는 꾸준한 성장을 실현할 것입니다.
IGBT는 인버터, 인버터 용접기, UPS 전원 공급 장치 및 전자기 유도 가열과 같은 전통적인 산업 제어 및 전원 공급 산업의 핵심 구성 요소입니다. 예를 들어 산업용 제어 인버터 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 인버터는 고정 전압, 고정 주파수를 전압 및 주파수로 변경할 수 있는 장비이며 일반적으로 정류기 부품, 필터링 부품, 인버터 부품, 제동 회로, 구동 회로 및 감지 회로 등에 의해 사용됩니다. IGBT는 일반적으로 인버터 회로 및 인버터의 제동 회로에 사용되며 주로 인버터 회로의 응용에 사용됩니다. 인버터는 내부 IGBT를 사용하여 출력 전원 공급 장치의 전압과 주파수를 조정합니다.
신에너지 차량: IGBT의 가장 중요한 증분 시장
IGBT는 신에너지 자동차의 핵심 부품으로 신에너지 자동차에 널리 사용되고 전체 차량의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 신에너지 차량에서 IGBT의 주요 애플리케이션에는 모터 컨트롤러, 온보드 충전기(OBC), 자동차 에어컨 및 신에너지 차량용 DC 충전 파일이 포함됩니다.-
신에너지 발전: IGBT는 태양광 및 풍력 산업에서 널리 사용됩니다.
태양광(PV) 발전은 PV 인버터를 통해 그리드에 연결되어야 하며, IGBT는 PV 인버터의 핵심 부품입니다. 태양광 인버터는 태양광 발전 시스템의 핵심 장비 중 하나로, 태양광 발전으로 생성된 직류를 전력망의 전력 품질 요구 사항을 충족하는 교류로 변환하는 역할을 하며, IGBT는 태양광 인버터의 핵심 구성 요소입니다.
인버터 백색 가전: 인버터 가전제품도 IGBT의 중요한 응용 분야입니다.
중국의 인버터 백색가전 보급률이 높아지고 있다. 최근 몇 년 동안 중국의 3대 백색 가전 판매량은 3억 대 이하로 안정되었으며, 에너지 절약 및 배출 감소 요구 사항이 개선됨에 따라 중국의 백색 가전 주파수 전환율이 증가하고 있습니다. 업계 온라인 데이터에 따르면 2021년에는 에어컨, 냉장고, 세탁기의 주파수 전환율이 각각 68%, 34%, 46%에 달할 것이며 미래는 더욱 향상될 것입니다.
철도 운송: IGBT는 철도 운송 견인의 핵심 장치입니다.
AC 드라이브 기술은 현대 철도 운송 견인 드라이브의 주류 선택이자 핵심 기술입니다. AC 구동 원리: 차량은 접점 네트워크에서 팬터그래프를 통해 단상 AC 고-전압 전력을 얻고 전압 감소를 위해 차량 견인 변압기로 전달된 다음 정류기를 통해 DC로 변환된 다음 인버터에 의해 DC에서 FM-전압 조정 3상 AC로 변환됩니다.- 최종적으로 AC 견인 모터에 전달되면 전체 프로세스에는 교번 - 직접 - 교번 변경이 포함됩니다. AC 변속기의 장점: (1) 우수한 견인력 및 제동 성능; (2) 역률이 높고 고조파 간섭이 작습니다. (3) 모터 출력, 소형, 경량, 높은 작동 신뢰성; (4) 좋은 동적 성능과 접착 활용도.
3. 패턴: 해외 독점 집중도가 높고, 국내 대체가 계속 가속화됨
IGBT 산업은 진입 장벽이 높습니다.
산업 진입 관점에서 보면 IGBT 산업의 진입 문턱은 매우 높다. 전반적으로, IGBT 산업의 진입 장벽은 각각 기술 장벽, 시장 장벽, 재정적 장벽의 세 가지 영역입니다. 여기서는 처음 두 가지에 중점을 둡니다.
기술적 장벽: IGBT 기술 링크에는 IGBT 칩의 설계 및 제조와 모듈 설계 및 제조가 포함됩니다. (1) IGBT 칩은 고전류, 고-전압 및 고주파-주파수 환경에서 작동해야 하며 칩의 신뢰성에 대한 요구 사항이 높습니다. 동시에 칩 설계에서는 켜기-및 끄기-, 단락-회로 저항 및 켜기-전압 강하 균형도 보장해야 합니다. 따라서 IGBT 칩 독립적인 연구 개발 요구 사항은 매우 높으며 설계 및 매개 변수 조정 및 최적화는 매우 특별하고 복잡하며 많은 업계 노하우가 축적되어 있습니다. (2) IGBT 칩 제조 링크도 난이도가 높습니다. 한편으로는 IGBT 칩 자체의 뒷면이 더 어렵고, 다른 한편으로는 자체 구축 생산 능력의 IDM 모드에는 매우 큰 자본 투자가 필요하며 Fabless 모드는 파운드리 기술과 깊이 있는 통합 프로세스로 실현되어야 합니다. (3) 모듈은 높은 수준의 모듈 통합으로 인해 높은-전류, 높은-전압, 높은-온도 및 기타 열악한 환경에서 작동하므로 모듈을 구현하기 위한 모듈 설계 및 제조 공정에서는 절연, 전압, 열 방출, 전자기 간섭 및 기타 여러 요소를 동시에 고려해야 합니다. IGBT 모듈 제품의 높은 신뢰성, 안정성 및 일관성을 실현하려면 오랜 기간의 업계 경험이 필요합니다.
시장 장벽: IGBT는 다운스트림 애플리케이션 제품의 핵심 장치이며, IGBT 제품 성능, 신뢰성 및 안정성은 다운스트림 제품의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 결과적으로 고객은 IGBT를 수입할 때 검증 테스트 주기가 길고 교체 비용이 높습니다. 따라서 고객은 일반적으로 IGBT 선택에 있어 더 보수적이고 신중하며 일단 선택하면 변경 및 교체 의지가 강하지 않습니다.
패턴: 소수의 외국 독점 패턴 형성에 대한 IGBT 높은 장벽
현재 글로벌 IGBT 시장은 독일, 일본, 미국 기업이 독점하고 있다. IGBT 산업의 높은 진입 문턱과 사업의 외국 제조업체가 일찍 시작했기 때문에 선점자 이점은 분명합니다(Infineon의 1세대-세대 IGBT 제품은 1988년에 탄생했습니다). 따라서 현재 IGBT 시장 독점이 형성되는 상황에서 독일, 일본 및 미국 기업이 현재 글로벌 IGBT 상위 5개 공급업체인 Infineon을 각각 차지하고 있습니다. 미쓰비시, 후지 전기, ON Semiconductor 및 Semiconductor Manufacturing International Corporation(SMIC). Infineon, Mitsubishi, Fuji Electric 및 ON Semiconductor는 IDM 모드로 업스트림, 다운스트림의 전체 산업 체인을 수직적으로 통합하고 강력한 해자를 구축했습니다.
패턴 변화: 국내 발전 + 국내 대체 기어 변속 가속을 촉진하기 위한 공급망 보안
국내 대체가 가속화되는 본질적인 이유: (1) 전력 반도체 기간인 IGBT는 기술 반복이 느리고 주기가 길며 10년 이상 매우 오랜 기간 동안 한 세대의 제품을 사용합니다. 고객은 주로 IGBT 제품의 안정성과 신뢰성을 찾고 있지만 신기술에 대한 추구는 높지 않습니다(Infineon은 2007년에 출시되었으며 4세대 IGBT 칩은 여전히 현재 업계의 주요 제품입니다). ). 따라서 국내 IGBT 제조업체는 늦게 시작했지만 업계는 현지 IGBT 제조업체에 개발 및 따라잡을 수 있는 충분한 시간을 남겨두었지만 현재 국내 IGBT 제조업체의 기술 발전은 더 빠르며 이미 다운스트림 고객의 요구를 충족할 수 있는 제품이 대량으로 존재합니다. (2) 현지 IGBT 회사는 더 나은 서비스를 제공하고 하위 고객의 요구에 신속하게 대응할 수 있으며 제품 가격은 외국인 투자자에 비해 확실한 이점을 가지고 있어 하위 고객의 비용 절감에 도움이 됩니다.
4. 실리콘 카바이드 - 3-세대 반도체 전력 장치 유망
실리콘 카바이드 소재는 우수한 성능을 가지고 있습니다.
실리콘, 게르마늄 및 기타 원소 반도체뿐만 아니라 갈륨 비소, 실리콘 카바이드, 갈륨 질화물 및 기타 화합물 반도체 재료를 포함한 일반적인 반도체 재료는 연구 및 대규모{0}}시간 적용에 따라 일반적으로 업계에서 반도체 재료는 3세대로 구분됩니다.
1세대 반도체 재료: 실리콘과 게르마늄이 대표적이며, 대표적인 응용 분야는 집적 회로입니다. 실리콘 반도체 재료는 현재 가장 큰 생산량을 차지하고 있으며 가장 널리 사용되는 반도체 재료이다.
2세대 반도체 소재로는 갈륨비소가 대표적이다. 갈륨비소 전자 이동도는 실리콘의 6배 이상이며, 그 소자는 높은-주파수 및 고속-광전자 성능을 가지므로 광전자공학 및 마이크로전자공학 분야에서 널리 사용됩니다.
3세대 반도체 소재: 탄화규소와 질화갈륨으로 대표됩니다. 처음 두 세대의 반도체 재료에 비해 탄화규소는 큰 금지 대역폭, 높은 항복 전계 강도, 높은 열 전도성, 높은 전자 포화율 및 강력한 방사선 저항 등을 가지고 있습니다. 이는 높은-전압, 높은-주파수 및 고온-온도 시나리오에 적합하며 특히 다음과 같은 제조에 적합합니다. 전력 전자 분야의 고전력 반도체 장치입니다.
실리콘 카바이드 장치는 또한 실리콘- 기반 장치보다 성능이 뛰어납니다.
탄화규소 기반의 탄화규소 전력 장치는 재료의 우수한 특성으로 인해 우수한 전기적 성능을 갖습니다.
높은-전압 저항:탄화규소 재료의 항복 전계 강도는 기존 실리콘-기반 재료의 10배이므로 탄화규소 전력 장치의 고전압 저항은 동일한 사양의 실리콘-기반 전력 장치보다 훨씬 더 강력합니다.
고온 저항:한편, 탄화규소의 열전도율은 실리콘 소재의 3배 이상이므로 방열 능력이 더 좋고 동일한 전력 조건에서 더 낮은 온도를 유지하므로 장치 방열 설계 요구 사항이 줄어들어 집적도 향상에 도움이 되고 장치가 소형화 방향으로 발전하게 됩니다. 반면, 탄화규소의 금지 대역폭은 실리콘의 3배 이상이며, 금지 대역폭이 넓을수록 장치의 제한 작동 온도가 높아집니다(반도체 장치는 고온에서 캐리어 고유 여기 현상을 생성하여 장치의 고장을 초래함). 따라서 탄화규소 전력 장치의 제한 작동 온도는 600도 이상에 도달할 수 있습니다. 일반적으로 175도에서 작동하는 현재 실리콘- 기반 IGBT와 비교하면 .
낮은 손실:실리콘 카바이드 포화 전자 드리프트 속도는 실리콘의 두 배 이상이므로 실리콘 카바이드 장치는 온저항이 낮고 온저항이 낮고-손실이 낮습니다. 실리콘 카바이드 장치에는 전류 저항이 없으며 스위칭 손실도 실리콘- 기반 장치보다 낮고 더 높은 스위칭 주파수도 실현할 수 있습니다.
실리콘 카바이드 산업은 급속한 발전을 가져올 것입니다
신에너지 차량의 적용에 힘입어 탄화규소 장치 시장은 빠르게 성장할 것입니다. Yole의 예측에 따르면 신에너지 자동차, 산업, 에너지 및 기타 수요 증가 분야에서 실리콘 카바이드의 혜택을 받아 글로벌 실리콘 카바이드 장치 시장은 2021년 10억 달러에서 2027년 60억 달러 이상으로 성장할 것이며 복합 성장률은 34%에 달할 것입니다. 그 중 자동차 실리콘 카바이드 장치 시장은 2021년 6억 8,500만 달러에서 2027년 50억 달러로 최대 40%의 복합 성장률로 성장할 것입니다. 자동차용 탄화규소 장치 시장은 2021년 6억 8,500만 달러에서 2027년 약 50억 달러로 최대 40%의 복합 성장률로 성장할 것이며, 2027년까지 자동차용 탄화규소 장치의 시장 규모는 탄화규소 장치 전체 시장 규모의 약 80%를 차지할 것입니다.