IGBT芯片短缺原因是什么

发布时间：2023-05-29 15:13
作者：Ameya360
来源：网络
阅读量：3508

　　根据市场消息，在本月安森美的IGBT供应紧缺，交期仍在40周以上，无明显缓解。富昌电子公布的《2023Q1芯片市场行情报告》指出，意法半导体、英飞凌、仙童半导体、Microsemi、IXYS的IGBT交期与2022Q4的交期一致，最长在54周。

IGBT芯片短缺原因是什么

　　IGBT的短缺预计会持续到2024年，导致IGBT缺货的原因可以简单归为三点，其一是产能受限，扩增缓慢;其二是，车用需求旺盛，特斯拉砍75%碳化硅用量大幅提升IGBT需求。其三是，当前太阳能逆变器采用IGBT的比重大幅提升，绿色能源市场拉动IGBT市场。

　　一、IGBT产能受限，扩增缓慢

　　大部分6英寸、8英寸的晶圆厂折旧，由于成本效益问题，很少有6英寸、8英寸晶圆厂会扩大IGBT的产能。不过有部分12英寸的晶圆厂已经开始生产IGBT，比如电装和联电子公司联合半导体日本有限公司(USJC)合作在12英寸晶圆厂上生产IGBT的计划将于2023年上半年开始，还有英飞凌、安森美收购的12英寸晶圆厂在IGBT生产上有所进展。

　　不过这些扩产还需要段时间。据悉，英飞凌德国新厂需要到2026年才能正式量产，安森美的2023年产能已经全部售罄，有客户在2022年下半年就已经基本敲定了2023年全年供货。

　　尽管IGBT客户和订单规模在增长，但到下游晶圆代工厂的产能调节仍需要时间，晶圆代工厂的产能主要集中在订单规模大且稳定的消费电子产品上。短期内，IGBT的缺货情况难缓解。

　　还有，氮化镓和碳化硅复合材料的火热市场，也改变了晶圆厂的路线。新型复合材料除了在车用领域，5G、AIoT、新能源市场都呈现出巨大的潜力。IGBT在这方面也受到了挤压。而且，尽管IGBT的6英寸、8英寸的IGBT生产技术成熟，但该行业长期由国际大厂如英飞凌、安森美、东芝、三菱等大公司主导，在12英寸晶圆厂生产IGBT面临的挑战也将更大，在技术层面、材料、制造成本问题都不是新来者能轻松入局的。

　　二、车用需求旺盛，特斯拉砍75%碳化硅用量

　　电动车使用IGBT的数量是传统燃油车的7-10倍，高达上百颗。再加上特斯拉在今年AI投资日上宣布下一代车型将减少75%的SiC使用量，也使得IGBT车用需求更加紧俏。IGBT的制造成本低于碳化硅，由于架构简单，故障率较低，IGBT还具有更好的电容性能和更好的抗过压能力，适用于大功率、大电流的应用场景。

　　有分析机构指出，碳化硅+IGBT混合模块方案可能降低采用碳化硅的电驱系统成本，是潜在方案之一。

　　据悉，由于IGBT的缺货，汉磊集团掌握IGBT芯片组件龙头英飞凌大单，在年初调涨了IGBT产线的代工价格10%。

　　三、绿色能源市场拉动IGBT需求

　　国家在“十四五”期间将坚持清洁低碳战略方向，光伏发电作为绿色环保的发电方式，符合国家能源改革以质量效益为主的发展方向。根据中国光伏行业协会预测，2025 年全球光伏逆变器新增装机量有望达 330GW，假设 2025 年光伏逆变器替换装机量为 42GW。按照 IGBT 占组串式逆变器 BOM 成本的 18%，以及占集中式逆变器 BOM 成本的 15%计算，预计 2025 年光伏逆变器 IGBT 市场规模将超百亿。

　　国内IGBT供应厂商斯达半导体，在2022年业绩预告中表示，IGBT模块以及分立器件在光伏发电和储能领域大批量装机并迅速上量;比亚迪半导体在去年6月份宣布，其IGBT模块已批量出货于光伏领域。

　　有分析机构的数据统计，2022年全球光伏新增装机达到244GW，又根据国际能源署 (IEA) 的数据，到2030年，道路上将有1.25亿辆电动汽车。

　　多个绿色能源市场的推动，使得IGBT市场规模正在扩大，不过由于多重因素导致，IGBT的供应缓解还需要一段时间。

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　　在储能技术高速发展的今天，更强的发电与蓄电能力，更高的能源管理效率，更稳定的输送能力都是相关企业追求的方向，这就需要功能更强的IGBT来满足当前储能技术的高需求，而第七代IGBT的出现，正好契合当前储能的发展需要。　　第7代IGBT正加速发展　　IGBT的发展可以追溯至20世纪80年代，最初的IGBT采用了平面穿通(PT)，这种IGBT通过重掺杂的P+衬底开始，但是存在负温度系数、通态压降一致性差等问题，不利于并联使用。尽管如此，它开启了IGBT在电力电子领域的应用。       随着时间的推移，IGBT经历了多次迭代，从非穿通( NPT)结构到场截止( FS)结构的转变，栅极结构也从平面型转向沟槽型(Trench)。这些改进逐步提升了IGBT的性能，包括降低导通压降、缩短开关时间、提高断态电压等，这也是IGBT从第二代到第五代的变化。       到了第六代，IGBT进一步优化了沟槽结构和场截止技术，显著提高了电流密度和能效，降低了开关损耗，同时在高温工作表现上有了显著提升。       而在2018年前后，市场中开始推出的第七代IGBT，引入了微沟槽栅+场截止(Micro Pattern Trench)技术，这是IGBT技术的一次重大飞跃。第七代IGBT的特点包括更高的沟道密度、优化的元胞设计、更低的寄生电容，以及在极端开关速度(如5kV/μs)下仍能保持最佳性能。这使得IGBT7在降低静态损耗、提高开关速度、增强高温工作能力等方面达到新的高度，特别适合于高性能的电动汽车、可再生能源系统和高压直流输电等应用。       其中微沟槽技术能够改善载流子传输特性，从而在不牺牲开关速度的情况下降低静态损耗。这意味着在相同工作条件下，第七代IGBT能更高效地转换电能，减少发热。并且相比第六代IGBT，第七代的静态损耗降低了约30%，这对于提升系统能效和减少冷却需求至关重要。       此外，有数据显示，在相同封装体积下，第七代IGBT的电流输出能力增加了50%以上，这得益于更高的电流密度，使得设备小型化成为可能，或者在不改变体积的前提下提高系统的功率输出。       并且，第七代IGBT也满足了电子行业对更高效率、更小尺寸、更高功率密度和更低损耗的需求。第七代IGBT技术通过实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V，大幅提升了IGBT的性价比。       举个例子，在储能系统中使用第七代IGBT，可以设计出发电和蓄电能力更强的系统，提高能源管理效率，增强储存能力，从而更平稳地将太阳能电力并网到电网中。此外，通过第七代IGBT设计的模块还支持将多余的电力储存在储能系统中，有效缓解太阳能发电的间歇性问题，确保供电的可靠性和稳定性。　　七代IGBT赋能储能产业　　由于七代IGBT的优秀表现，已经有越来越多的企业将这款产品用在储能领域。比如近期上能电气采用了英飞凌IGBT7 EconoDUAL™3实现单机2MW储能变流器PCS，这是使用了英飞凌最新的EconoDUAL 3封装的750A 1200V模块，型号为FF750R12ME7_B11。       而EH-2000-HA-UD采用的FF750R12ME7，这是一款1200V/750A的IGBT模块，芯片采用的是英飞凌最新一代IGBT7技术。与英飞凌上一代IGBT4技术不同，IGBT7采用更加精细化的MPT微沟槽栅技术，沟道密度更高，芯片厚度更薄，元胞结构及间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现了最佳开关性能。       此外，在近期，安森美也发布了第七代1200V QDual3 IGBT功率模块。与其他同类产品相比，该模块的功率密度更高，且提供高10%的输出功率。       据安森美介绍，该800A QDual3模块基于新的场截止第七代(FS7)IGBT技术，应用于150KW的逆变器中时，QDual3模块的损耗比同类最接近的竞品少200W，从而缩减散热器尺寸，适合用于太阳能发电站中央逆变器、储能系统、商用农业车辆和工业电机驱动器等大功率变流器。       国内也有许多企业相继推出了七代IGBT，如斯达半导体，在2022年便推出了基于第七代微沟槽技术的新一代车规级IGBT芯片，产品型号包括650V/750V/1200V IGBT芯片，采用第七代微沟槽Trench Field Stop技术，可实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V。       此外如贝茵凯也在2023年末研发出了全系列第七代IGBT芯片，并成功实现大批量生产，成功突破国产化领域的技术壁垒。这款第七代IGBT产品在性能方面显著优于同类中采用传统制程的IGBT芯片，有效解决了导通损耗与开关损耗难以平衡的问题，具备低导通损耗与低开关损耗的双重优势，适用频率范围也得以拓宽，最高适用频率从15kHz-20kHz提升至30kHz-40kHz。       目前该产品已经通过多家行业领军企业的严格测试与认证，并已在电动汽车、风力发电、光伏逆变器及高端化学储能等领域实现小规模供应。       韦尔股份近期也新获得了一项实用新型专利授权，专利名为“一种新型沟槽IGBT结构”，该专利提供了一种新型沟槽IGBT结构，该结构通过减少栅极接触孔的方式，将对应的栅极沟槽中的多晶硅转变成第一发射极沟槽的多晶硅，从而减小栅极电容，使器件开通速度变快，降低开通损耗。而新型沟槽正是七代IGBT的显著特点。       此外如新洁能、振华科技、安建科技等都已经在第七代IGBT中有所建树，为中国乃至全球的新能源汽车、光伏储能、工业控制等领域提供了先进的功率半导体解决方案。　　小结　　在国际上，安森美等欧美日企业凭借其深厚的技术积累和资金实力，在第七代IGBT技术开发及商业化方面走在前列。而中国IGBT企业如斯达半导、新洁能等也在加速追赶，成功研发并推出了第七代IGBT产品，标志着国内企业在IGBT核心技术上的重大突破。尤其储能产业的快速发展，也为七代IGBT提供了巨大的应用市场，反过来七代IGBT也加速了储能市场的发展。
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　　碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽禁带半导体的应用日益增多，然而，在这些新技术出现之前，许多高功率应用都是使用高效、可靠的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，事实上，许多此类应用仍然适合继续使用 IGBT。在本文中，我们介绍 IGBT 器件的结构和运行，并列举多种不同 IGBT 应用的电路拓扑结构，然后探讨这种多用途可靠技术的新兴拓扑结构。　　IGBT 器件结构简而言之，IGBT 是由 4 个交替层 (P-N-P-N) 组成的功率半导体晶体管，通过施加于金属氧化物半导体 (MOS) 栅极的电压进行控制。这一基本结构经过逐渐调整和优化后，可降低开关损耗，且器件厚度更薄。近期推出的 IGBT 将沟槽栅与场截止结构相结合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行为。该方法有助于降低器件的饱和电压和导通电阻，从而提升整体功率密度。　　应用与拓扑结构如今，IGBT 通常用于特定应用的拓扑结构，下面列举了其中的几种。　　焊接机如今许多焊接机使用逆变器，而非传统的焊接变压器，因为直流输出电流可以提高焊接过程的控制精度。使用逆变器还有其他优势，比如直流电流比交流电流安全，而且采用逆变器的焊接机具有更高的功率密度，因此重量更轻。功率级(单相或三相)将交流输入电压转换为逆变器的直流母线电压。输出电压通常为 30 V，但一旦启动焊弧，在开路负载操作几乎低至 0 V 的情况下(短路条件)，输出电压可能高达 60 V DC。　　　焊接逆变器中常用的拓扑结构包括全桥、半桥和双管正激，而恒定电流是最常用的控制方案。占空比因负载电平和输出电压而异。全桥和半桥拓扑结构的 IGBT 开关频率通常在 20 至 50 kHz 之间。　　电磁炉电磁炉的原理是，当高磁导率材质的锅靠近线圈时，通过励磁线圈推动(或耦合)锅内的电流循环。其运行方式与变压器大致相同，其中线圈负责初级侧，电磁炉底部负责次级侧。产生的大部分热量来源于锅底层形成的涡电流循环。这些系统的能量传输效率约为 90%，而顶部光滑的无感电器装置的能效仅为 71%，相比之下，(对于同量热传递)前者可节省大约 20% 的能量。逆变器将电流导入铜线圈，从而产生电磁场，电磁场穿透锅底，形成电流。产生的热量遵循焦耳效应公式，即锅的电阻乘以感应电流的平方。　　　对于电磁炉，比较重要的要求包括：　　高频开关　　功率因数接近一　　宽负载范围　　感应加热应用的输出功率控制通常基于可变频率方案。这是一种根据负载或线路频率变化来应用的基本方法。然而，该方法存在一个主要缺点：若要在宽范围内控制输出功率，频率需要大幅变化。　　感应加热最常用的拓扑结构基于谐振回路。谐振转换器的主要优势是高开关频率范围，同时能效不会降低。谐振转换器采用零电流开关 (ZCS) 或零电压开关 (ZVS) 等控制技术来降低功率损耗。谐振半桥 (RHB) 转换器和准谐振 (QR) 逆变器是备受欢迎的拓扑结构。RHB 结构的优势包括负载工作范围大，并且能够提供超高功率。　　QR 转换器的主要优势是成本较低，因此非常适合低至中功率范围(峰值功率高达 2 kW)、工作频率介于 20 至 35 kHz 之间的应用。　　电机驱动半桥转换器 (HB) 是电机驱动应用中一种最常见的拓扑结构，频率介于 2kHz 至 15kHz 之间。HB 输出电压取决于开关状态和电流极性。　　　考虑到电感负载，电流随后会增加。如果负载汲取正电流 (Ig>0)，它将流经 T1，为负载提供能量 (Vg)。相反，如果负载电流 Ig 为负，电流经由 D 流回，将能量返回至直流电源。同样，如果 T4 开通(且 T1 关闭)，会有 −Vbus/2 的电压施加于负载，且电流会减小。如果 Ig 为正，电流流经 D4，将能量返回至母线电源。　　适合IGBT应用的多电压等级拓扑结构快速开关给 HB 拓扑结构带来的局限性包括：　　只有两个输出电压等级　　无源和有源元件受到应力　　高开关损耗　　栅极驱动难度加大　　纹波电流升高　　EMI变高　　电压处理(无法与高电压母线结合使用)　　器件串联增加了实施工作的复杂性　　难以达到热平衡　　高滤波要求　　为了摆脱这些局限性，在不间断电源 (UPS) 和太阳能逆变器等应用中，采用新的多电压等级拓扑结构。常见结构包括单极性开关 I 型和 T 型转换器，它们能够在较高的母线电压下工作。随着可用输出状态增多，滤波器元件之间的电压相应减小，因此滤波损耗也更低，元件更小。开关损耗有所降低，而导通损耗则小幅增加(适合 16kHz - 40kHz 的较高频率，可达到约 98% 的高能效)。　　IGBT 的未来尽管 IGBT 已经问世很多年，但该技术仍是许多高电压和电流应用的理想之选。IGBT 不仅越来越多地应用于传统设计，还应用于新设计，因为新推出的器件在不断地推动 Vcesat 降低至 1V，并通过新型结构来提高电流密度和开关损耗。若要在使用 IGBT 的过程中获得最大效益，一个关键因素是先了解应用要求，然后选择合适的电路拓扑结构加以实施。
2024-06-25 11:22 阅读量：921
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