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：3467

　　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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　　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。
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IGBT与MOSFET的区别
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　　IGBT和MOSFET是当今电子领域中常见的功率半导体器件，它们在电力控制、变换器等领域发挥着重要作用。虽然两者在某些方面有相似之处，但在结构、工作原理和应用场景上存在明显差异。　　1.结构差异　　IGBT：IGBT是一种混合型半导体器件，结合了双极型晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)的优点。其结构包括PNP型双极晶体管结构和场效应晶体管的栅极。通过加在栅极上的电压信号来控制器件的导通和截止。　　MOSFET：MOSFET是一种场效应晶体管，由金属氧化物半导体结构组成。其主要部分包括栅极、漏极和源极，通过栅极电场控制沟道的导电性，实现器件的导通与截止。　　2.工作原理差异　　IGBT：IGBT的开关速度相对较慢，主要由栅极驱动电路决定。当栅极施加正向电压时，激活PNP晶体管，形成导通;当施加负向电压或零电压时，晶体管截止。　　MOSFET：MOSFET具有较快的开关速度，由于栅极电场可以控制电流流经的沟道，因此具有较低的导通电阻。当栅极施加正向电压时，激活沟道导通;当栅极施加负向电压或零电压时，沟道截止。　　3.特性比较　　3.1 耗散功率　　IGBT：在高功率应用中具有较高的耗散能力，适用于大功率交流调制。　　MOSFET：具有较低的开关损耗和导通电阻，适用于高频开关电源。　　3.2 开关速度　　IGBT：开关速度较慢，适用于低频调制及大功率应用。　　MOSFET：开关速度较快，适用于高频开关电源和高速开关应用。　　3.3 结构复杂性　　IGBT：相对MOSFET而言结构较为复杂，包含双极型晶体管结构。　　MOSFET：结构简单，易于集成和制造。　　3.4 环境适应性　　IGBT：具有较强的耐压和耐热性，适用于高温高压环境下的应用。　　MOSFET：对于温度和电压波动较为敏感，需配合保护电路使用。　　3.5 应用领域　　IGBT：广泛应用于电力变换器、电机驱动、逆变器等大功率应用领域。　　MOSFET：主要应用于功率放大、开关电源、模拟电路等低功率高频应用领域。　　4.适用场景比较　　4.1 电力控制　　IGBT：在大功率电力控制系统中得到广泛应用，如变频调速、电力传输等。　　MOSFET：在低功率电力控制系统中具有优势，如开关电源、电池管理等。　　4.2 温度要求　　IGBT：耐高温性较强，适用于高温环境下的电力控制系统。　　MOSFET：对温度敏感，适用于一般温度环境下的应用。　　4.3 频率要求　　IGBT：适用于低频调制，如电机驱动等需要稳定输出的场景。　　MOSFET：适用于高频开关电源、射频功率放大器等需要快速响应的场景。　　4.4 体积和效率　　IGBT：由于结构复杂，通常体积较大，但在大功率情况下具有高效率。　　MOSFET：体积小巧，适合集成化设计，提高系统效率。　　4.5 成本考量　　IGBT：相对MOSFET而言，价格更低廉，适合大功率应用场景。　　MOSFET：价格略高，但在低功率高频应用中性能更为出色。　　IGBT和MOSFET作为电子领域中重要的功率半导体器件，各自具有独特的特性和适用场景。IGBT在大功率、低频电力控制领域具有优势，而MOSFET则在低功率、高频应用中表现较为突出。
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