东芝三菱逆变器

什么是第三代半导体？包你能看懂

        作者/朱公子

       

        第三代半导体

        我估摸着只要是炒股或者是关注二级市场的朋友们，这几天一定都没少听这词儿，如果不是大盘这几天实在是太惨了，估计炒作行情会比现在强势的多得多。

        那到底这所谓的第三代半导体，到底是个什么玩意？值不值得炒？未来的逻辑在哪儿？

        接下来，只要您能耐着性子好好看，我保证给它写的人人都能整明白，这可比你天天盯着大盘有意思的多了！

        一、为什么称之为第三代半导体？

        1、重点词

        客官们就记住一个关键词——材料 ，这就是前后三代半导体之间最大的区别。

        2、每一代材料的简述

        ①第一代半导体材料： 主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。

        兴起时间： 二十世纪五十年代。

        代表材料： 硅（Si）、锗（Ge）元素半导体材料。

        应用领域： 集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业。

        历史 意义： 第一代半导体材料引发了以集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。

        对于第一代半导体材料，简单理解就是：最早用的是锗，后来又从锗变成了硅，并且几乎完全取代。

        原因在于： ①硅的产量相对较多，具备成本优势。②技术开发更加完善。

        但是，到了40纳米以下，锗的应用又出现了，因为锗硅通道可以让电子流速更快。现在用的锗硅在特殊的通道材料里会用到，将来会涉及到碳的应用，下文会详细讲解。

        ②第二代半导体材料： 以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）为代表，是4G时代的大部分通信设备的材料。

        兴起时间： 20世纪九十年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓、锑化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。

        代表材料： 如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

        应用领域： 主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

        因信息高速公路和互联网的兴起，还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和 GPS 导航等领域。

        性能升级： 以砷化镓为例，相比于第一代半导体，砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性。

        总结： 第二代是使用复合物的。也就是复合半导体材料，我们生活中常用的是砷化镓、磷化铟这一类材料，可以用在功放领域，早期它们的速度比较快。

        但是因为砷含剧毒！所以现在很多地方都禁止使用，砷化镓的应用还只是局限在高速的功放功率领域。而磷化铟则可以用来做发光器件，比如说LED里面都可以用到。

        ③第三代半导体材料： 以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石为四大代表，是5G时代的主要材料。

        起源时间： M国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件。而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所，在1995年也起步了该方面的研究。

        重点： 市场上从半年前炒氮化镓的充电器时，市场的反应一直不够强烈，那是因为当时第三代半导体还没有被列入国家“十四五”这个层级的战略部署上，所以单凭氮化镓这一个概念，是不足以支撑整个市场逻辑的！

        发展现状： 在5G通信、新能源 汽车 、光伏逆变器等应用需求的明确牵引下，目前，应用领域的头部企业已开始使用第三代半导体技术，也进一步提振了行业信心和坚定对第三代半导体技术路线的投资。

        性能升级： 专业名词咱们就不赘述了，通俗的说，到了第三代半导体材料这儿，更好的化合物出现了，性能优势就在于耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低。

        有一点我觉得需要单独提一下：碳化硅与氮化镓相比较，碳化硅的发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率：在高功率应用中，碳化硅占据统治地位；氮化镓具有更高的电子迁移率，因而能够比碳化硅具有更高的开关速度，所以在高频率应用领域，氮化镓具备优势。

        第三代半导体的应用

        咱们重点说一说碳化硅 。碳化硅在民用领域应用非常广泛：其中电动 汽车 、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。

        咱先举两个典型的例子：

        1.2015年，丰田 汽车 运用碳化硅MOSFET的凯美瑞试验车，逆变器开关损耗降低30%。

        2.2016年，三菱电机在逆变器上用到了碳化硅，开发出了全世界最小马达。

        而其他军用领域上，碳化硅更是广泛用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试等。

        为什么我说要重点说说碳化硅呢？因为半导体产业的基石正是芯片 ，而碳化硅，正因为它优越的物理性能，一定是将来最被广泛使用在制作半导体芯片上的基础材料 ！

        ①优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率。而且，碳化硅MOSFET将与硅基IGBT长期共存，他们更适合应用在高功率和高频高速领域。

        ②这里穿插了一个陌生词汇：“禁带宽度”，这到底是神马东西？

        这玩意如果解释起来，又得引申出如“能带”、“导带”等一系列的概念，如果不是真的喜欢，我觉得大家也没必要非去研究这些，单说在第三代半导体行业板块中，能知道这一个词，您已经跑赢90%以上的小散了。

        客观们就主要记住一个知识点吧：对于第三代半导体材料，越高的禁带宽度越有优势 。

        ③主要形式：“衬底”。半导体芯片又分为：集成电路和分立器件。但不论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可划分为“衬底 -外延-器件”结构，而碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。

        ④生产工艺流程：

        原料合成——晶体生长——晶锭加工——晶体切割——晶片研磨——晶片抛光——晶片检测——晶片清洗

        总结：晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片，CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。

        ⑤应用方向：科普完知识、讲完生产制造，最终还是要看这玩意儿怎么用，俩个关键词：功率器件、射频器件。

        功率器件： 最重要的下游应用就是——新能源 汽车 ！

        现有技术方案：每辆新能源 汽车 使用的功率器件价值约700美元到1000美元。随着新能源 汽车 的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。

        新能源 汽车 系统架构中，涉及到功率器件包括——电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器。

        另外还应用领域也包括——光伏发电、轨道交通、智能电网、风力发电、工业电源及航空航天等领域。

        射频器件： 最重要的下游应用就是——5G基站 ！

        微波射频器件，主要包括——射频开关、LNA、功率放大器、滤波器。5G基站则是射频器件的主要应用方向。

        未来规模：5G时代的到来，将为射频器件带来新的增长动力！2025年全球射频器件市场将超过250亿美元。目前我国在5G建设全球领先，这也是对岸金毛现在狗急跳墙的原因。

        我国未来计划建设360万台-492万台5G宏基站，而这个规模是4G宏基站的1.1-1.5倍。当前我国已经建设的5G宏基站约为40万台，未来仍有非常大的成长空间。

        半导体行业的核心

        我相信很多客官一定有这样的疑问：芯片、半导体、集成电路 ，有什么区别？

        1.半导体：

        从材料方面说 ，教科书上是这么描述的：Semiconductor，是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的一类材料；

        按功能结构区分， 半导体行业可分为：集成电路（核心）、分立器件、光电器件及传感器四大类。

        2.集成电路（IC， integrated circuit）：

        最经典的定义就是：将晶体管、二极管等等有源元件、电阻器、电容器等无源元件，按照一定的电路互联，“集成”在一块半导体单晶片上，从而完成特定的电路或者系统功能。

        3.芯片：

        半导体元件产品的统称 ，是指内含集成电路的硅片，是集成电路的载体，由晶圆分割而成。硅片是一块很小的硅，内含集成电路，它是计算机或者其他电子设备的一部分。

        为什么说集成电路，是半导体行业的核心？ 那是因为集成电路的销售比重，基本保持在半导体销售额的80%。

        比如，2018年全球4700亿美元的半导体销售额中，集成电路共计3900亿美元，占比达84%。

        第三代半导体的未来方向

        中国半导体业进入IDM模式是大势所趋，其长久可持续性我非常认可。但是讲到IDM，又有一堆非常容易混淆的概念，篇幅实在是太长了，咱们就不再拆分来讲了，你只要知道IDM最牛逼就完事了！

        IDM： 直译：Integrated Design and Manufacture，垂直整合制造 。

        1.IDM企业： IDM商业模式，就是国际整合元件制造商模式。其厂商的经营范围涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等各个环节，甚至也会延伸到下游电子终端。典型厂商：Intel、三星、TI（德州仪器）、东芝、ST（意法半导体）等。

        2.IDM模式优势：

        （1）IDM模式的企业，内部有资源整合优势，从IC设计到IC制造所需的时间较短。

        （2）IDM企业利润比较高。根据“微笑曲线”原理，最前端的产品设计、开发与最末端的品牌、营销具有最高的利润率，中间的制造、封装测试环节利润率较低。

        （3）IDM企业具有技术优势。大多数的IDM企业都有自己的IP（知识产权），技术开发能力比较强，具有技术领先优势。

3.IDM重要性

        IDM的重要性是不需要用逻辑去判断的，全球集成电路市场的60%由IDM企业所掌握。比如三星电子、恩智浦、英飞凌、NXP等。

        4.中国为什么要发展IDM模式？

        IDM模式的优势： 产业链内部直接整合、具备规模效应、有效缩短新产品上市时间、并将利润点留在企业内部。

        市场的自然选择： 此外，中国已成为全球最大的集成电路消费市场，并具有丰富的劳动力资源，对于发展自有品牌的IDM具有市场优势和成本优势。

        现在，无论是被M国的封锁倒逼出来，还是我们自主的选择，我们都必须开拓出一条中国IDM发展之路！

        现状： 目前国内现有的所谓IDM，其制造工艺水平和设计能力相当低，比较集中在功率半导体，产品应用面较窄，规模做不大。我知道，这些事实说出来挺让人沮丧的，但这就是事实。

        但正因为我们目前处在相对落后的阶段，才更加需要埋头苦干、咬牙追赶，然后一举拿下！

        本来写这篇文章的时候不想说股的，但还是提几只吧，也算是给咱们国家的半导体事业做一点点微小的贡献。

       

        射频类相关优质标的：卓胜微、中天 科技 、和而泰、麦捷 科技 ；

        IDM相关优质标的：中环股份、上海贝岭、长电 科技 。

华为光伏逆变器到底有没有官网？

       来自媒体方面的消息，国际咨询信息公司IHS Markit Global刚刚发布了2016光伏逆变器排行榜，和往年一样，分别根据出货量和企业营收排出了榜单。不过这份榜单似乎引起了不小的争议。

       以下是2016年全球光伏逆变器出货量排行的情况：

       这个出货量似乎并没有写明具体的出货数据，不知道原文对IHS的榜单数据截屏造成的，还是什么其他原因？华为或者某些公司，能给个说法么？

       从榜单看，华为和阳光是第一、第二，SMA第三，出货量排名仍是第三位，TMEIC（日本东芝三菱）到了老四，ABB为第五

宏晶隆电子厂是不是黑厂

       宏晶隆电子厂不是黑厂，是正规公司。

       深圳市宏晶隆电子有限公司成立于2005年，是一家致力于工控液晶屏、工业液晶屏及周边配套产品的销售和应用推广的科技型企业。公司结合液晶显示器件的实际特点及应用领域，主要代理经销：夏普、AUO（友达）、群创、三星、东芝、元太、LG、三菱、日立、京东方、京瓷、NEC等系列LCD、LED产品及模组。主要有3.5寸、4.3寸、5寸、5.6寸、7寸、8寸、10.2寸、10.4寸、12.1寸、15寸等3.5寸---17寸的全系列液晶屏产品，并根据客户的需求提供各种配套产品：工控板、控制器、触摸屏、逆变器、各种液晶专用屏线及工控显示器、液晶电视等整机产品。

新干线E2-1000的列车编组

       现时JR东日本共有53列E2系电力动车组，包括14列N编组（N1-13、21）及39列J编组（J2-15、51-75）。当中J编组的J2-15属0番台，而J51-75属1000番台。

       用作控制车辆交流牵引发电机的VVVF逆变器也分为多个款式，计有日立制CI4型GTO（J2-6、8、13、N1、21）、东芝/西门子制CI6型GTO（N2-6、8-13）、三菱制CI7型IGBT（J7、9、10、14、15、54、57、59、62、63、66、67、N7）、东芝制CI11型IGBT（J51、53、56、60、68）及日立制CI7型IGBT（J52、55、58、61、64）。 长野新干线列车，全属0番台，共14列编组（N1-13、21），每编组8节车厢，白色和深蓝色之间的车带是红色。

        东北新干线列车，其中14列编组属0番台（J2-15），另外25列编组属1000番台（J51-75），白色和深蓝色之间的车带是粉红色。其中J70编组以后的列车目的地表示器及车内资讯显示器为全色式LED显示器，且在绿色车厢所有座位上与普通车厢靠窗及客室隔板的座位上设有家用交流电源插座。

P001IGBT技术

       IGBT芯片技术发展

       从20世纪80年代至今，IGBT芯片经历了7代升级，从平面穿通型(PT)到沟槽型电场-截止型(FS-Trench)，芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化，断态电压也从600V提高到6500V以上。IGBT技术的整体发展趋势是大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化、高可靠性。

不同代际IGBT芯片产品对比

       随着技术的升级，IGBT芯片面积、工艺线宽、通态功耗、关断时间、开关功耗均不断减小，断态电压由第一代的600V升至第七代7000V。

       不同代际的IGBT芯片产品应用情况也有所不同：

中国IGBT芯片企业技术布局

       中国IGBT产品与国际巨头英飞凌、三菱电机等差距在10年以上，步入第5代后，预计差距将缩短为10年，第6/7代产品差距将在5年以内。从中国IGBT芯片行业代表性企业从技术格局来看，斯达半导应用第七代IGBT技术，电压覆盖范围为100-3300V;华微电子布局第六代IGBT技术，电压覆盖范围为360-1350V;士兰微、时代电气、宏微科技应用第五代IGBT技术;新洁能主要应用第四代IGBT技术。

IGBT芯片行业科研投入水平

       以宏微科技、斯达半导、士兰微、时代电气为主要代表企业分析，2018-2021年，我国IGBT芯片行业研发费用从0.1元到19亿元不等，研发费用占营业收入比重整体不超过15%。其中，时代电气在科研投入规模和占比均位于行业前列，2021年，公司研发投入为17.85亿元，占收入比重的11.81%。

       IGBT芯片技术“门槛”高，不仅涉及设计、制造、封装三个高精尖技术领域，而且难度大、周期长、投入高。高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上，技术壁垒较强;IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。我国要想实现IGBT芯片的技术突破，企业需要持续增加研发投入，减少与国际头部厂商IGBT芯片的代际差异。

中国IGBT芯片行业技术趋势

       从行业整体发展规律而言，IGBT发展趋势主要是降低损耗和降低成本。

       从结构上讲，IGBT主要有三个发展方向：

       1)IGBT纵向结构：非透明集电区NPT型、带缓冲层的PT型、透明集电区NPT型和FS电场截止型;

       2)IGBT棚极结构：平面棚机构、Trench沟槽型结构;

       3)硅片加工工艺：外延生长技术、区熔硅单晶。

以上数据来源于前瞻产业研究院《中国IGBT芯片行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》

变频器的种类有那些

       按变换的环节分类

       （1）交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。　

       （2）可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器；

       按直流电源性质分类

       （1）电压型变频器　电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。

       （2）电流型变频器　电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。

       按主电路工作方法：

       电压型变频器、电流型变频器

       按照工作原理分类：

       可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；

       按照开关方式分类：

       可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；

       按照用途分类：

       可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。

       按变频器调压方法:

       PAM变频器是一种通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。　PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个 脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。

       变频器简介

       无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的标准，如我国大陆规定，直接用户单相交流电压为220V，三相交流电线电压为380V，频率为50Hz，其它国家的电源电压和频率可能与我国的电压和频率不同，如有单相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。

       通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。

       为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。

       一般逆变器是把直流电源逆变为一定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变电源频率和电压可调的逆变器我们称为变频器。

       变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。

       对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的15－－20倍。

       变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中，不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。

       用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。

       变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。

       变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再将直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

       变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

       变频器原理:

       变频器原理（英文Variable-frequency Drive，简称VFD）是应用变频技术与微电子技术的原理，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。

       我们使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95%左右。

日本有什么不为一般公众所知的科技

       1、世界第2大工作重量811t的日立ex8000-6与世界第2大铲斗容量42m3的小松pc8000柴油液压挖掘机(最大的都是美帝出品)

       2、世界最大空心复合绝缘子套管的制造者兼头号陶瓷/复合绝缘子制造商——日本碍子株式会社(NGK)；绝缘子是连接固定架空高压电网的杆塔与导电线路的必备且唯一设备，在重电产业链中是极不出彩但却极为重要的一环，NGK研发的陶瓷绝缘子在特高压输电网中具有850kn的机械破坏负荷力，设计工艺难度很大；无绝缘子，电网就会各种漏电，输变电安全性无从谈起

       3、现代超/特高压电网气体开关保护装备的sf6(六氟化硫)三兄弟之二：气体绝缘全封闭开关设备(GIS)——日本重电3社

       4、现代超/特高压电网气体开关保护装备的sf6(六氟化硫)三兄弟之三：SF6气体绝缘变压器(GIT)——日本重电3社

       5、东芝与三菱电机，由其是东芝在SF6气体绝缘变压器(GIT)这个领域的表现是最突出的，不管面向日常城市用电还是像奥运会这种特供项目，业绩都是其他厂家不可比拟的。这首先要归功于他产品的高水准，目前世界最大单机容量的此变压器也是由东芝开发，用于悉尼市中心商业圈

       6、重电设备的工作环境大都非常恶劣，跟本原因在于不可控的天气变化，即便如此还是可以应对的，比如为暴雨雷雨天准备的避雷器就是代表性一例，其中又以最高端的氧化锌(ZnO)避雷器为主；全球氧化锌避雷器的领先企业——东芝27、用来转换电/动能，驱动机械设备的电机以及调配电机速率，控制它运转的变频器的作用就不多说了；东芝三菱电机产业系统株式会社(tmeic)向中国首条由境外引入兼目前世界上线路最长的天然气输送项目——西气东输二线工程提供全部高压变频器与高速电机；东芝三菱电机产业系统株式会社同时保有世界最大容量的电压源型变频器与高速电机

       8、日立与东方电气集团在华的合资公司东方日立向中国乃至全球最大规模水力光伏互补光伏发电站提供上百台高出力高转换率的光伏逆变器；光伏逆变器是将太阳能电池所发出的直流电逆变为交流电并承担系统保护作用的光伏电站关键设备之一。

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