IGBT技術(shù)發(fā)展歷史 IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

近年來，為了推動功率半導(dǎo)體行業(yè)尤其是 IGBT產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展，國家相關(guān)部門不僅制定了相關(guān)的一系列政策措施，還不斷加大金融扶持力度。在國家政策引導(dǎo)和市場需求持續(xù)增長和的雙重刺激下，吸引了一批擁有豐富科研經(jīng)驗(yàn)的IGBT技術(shù)人才回國，同時也為一批企業(yè)提供了掌握IGBT核心技術(shù)的機(jī)會，進(jìn)一步推進(jìn)IGBT國產(chǎn)化進(jìn)程。

IGBT：復(fù)合型功率器件

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功率半導(dǎo)體器件

功率半導(dǎo)體器件（Power Electronic Device）又稱為電力電子器件和功率電子器件，是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件，其作用主要分為功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開關(guān)、線路保護(hù)和整流等。

功率半導(dǎo)體大致可分為功率半導(dǎo)體分立器件(包括功率模塊)和功率半導(dǎo)體集成電路兩大類。按照器件結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體分立器件可分二極管、功率晶體管、晶閘管等，其中功率晶體管分為雙極性結(jié)型晶體管（BJT，俗稱三極管）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。

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IGBT的概念

IGBT是由BJT和MOSFET組成的功率半導(dǎo)體器件，它的控制極為絕緣柵場效應(yīng)晶體管，輸出極為雙極型功率晶體管，因而兼有兩者速度和驅(qū)動能力的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者的缺點(diǎn)。IGBT可以在各種電路中提高功率轉(zhuǎn)換、傳送和控制的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、提高工業(yè)控制水平的目的，，被業(yè)界譽(yù)為電力電子裝置的“CPU”，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、軌道交通、白色家電、新能源發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域。

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IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

一般，IGBT有三個端子：集電極、發(fā)射極和柵極，他們都是附有金屬層。但是，柵極端子上的金屬材料具有二氧化硅層。IGBT結(jié)構(gòu)其實(shí)就相當(dāng)于是一個四層半導(dǎo)體的器件。四層器件是通過組合PNP和NPN晶體管來實(shí)現(xiàn)的，它們構(gòu)成了P-N-P-N排列。

IGBT的工作原理其實(shí)是通過不斷激活和停用其柵極端子來開啟、關(guān)閉實(shí)現(xiàn)的。如果正輸入的電壓通過柵極，發(fā)射器就會保持驅(qū)動電路開啟。另一方面，如果IGBT的柵極端的電壓為零或者為負(fù)時，則就會關(guān)閉電路應(yīng)用。

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主要產(chǎn)品形式

依產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式不同，IGBT有單管、IGBT模塊和智能功率模塊IPM三種類型。IGBT單管主要應(yīng)用于小功率家用電器、分布式光伏逆變器及小功率變頻器等領(lǐng)域；IGBT模塊主要應(yīng)用于大功率工業(yè)變頻器、電焊機(jī)、新能源汽車（電機(jī)控制器、車載空調(diào)、充電樁）等領(lǐng)域（當(dāng)前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品）；智能功率模塊IPM主要在變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)等白色家電領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

根據(jù)應(yīng)用場景的電壓不同，IGBT有超低壓、低壓、中壓和高壓等類型，其中新能源汽車、工業(yè)控制、家用電器等使用的IGBT以中壓為主，而軌道交通、新能源發(fā)電和智能電網(wǎng)等對電壓要求較高，主要使用高壓IGBT。

IGBT技術(shù)發(fā)展歷史

從20世紀(jì)80年代至今，IGBT芯片經(jīng)歷了7代升級，從平面穿通型(PT)到溝槽型電場-截止型(FS-Trench)，芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時間、功率損耗等各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)歷了不斷的優(yōu)化，斷態(tài)電壓也從600V提高到6500V以上。目前市場上應(yīng)用最廣泛的仍是IGBT第4代工藝產(chǎn)品。IGBT技術(shù)的整體發(fā)展趨勢是大電流、高電壓、低損耗、高頻率、功能集成化、高可靠性。

IGBT市場規(guī)模及競爭情況

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IGBT全球市場規(guī)模

近年來，全球IGBT市場規(guī)模保持連年增長的趨勢，根據(jù)Markets and markets數(shù)據(jù)，全球IGBT市場規(guī)模從2012年的32億美元增長至2021年的70.9億美元，年均復(fù)合增長率為6.6%，2021年，全球IGBT的市場規(guī)模為70.9億美元，同比增長6.6%。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，工業(yè)控制和新能源汽車是IGBT需求最大的兩個下游領(lǐng)域，分別占比為37%和28%，其次是新能源發(fā)電和家電變頻市場，需求占比分別為9%和8%。2020年以來，新能源汽車需求明顯提速，2021年較2020年需求占比提升19%，是IGBT主要的增量需求來源。

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IGBT國內(nèi)市場規(guī)模

隨著全球制造業(yè)向我國的轉(zhuǎn)移，我國已逐漸成為全球最大的IGBT市場。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016-2021年，我國IGBT產(chǎn)量及需求量均呈現(xiàn)連年增長的趨勢，2021年，我國IGBT的需求量為13000萬只，同比增長20.00%；生產(chǎn)量為2580萬只，同比增長27.72%；產(chǎn)需差值為10620萬只。2021年，我國IGBT市場規(guī)模約為218.75億元，同比增長37.23%。近年來，我國積極踐行“碳達(dá)峰、碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略，在各行業(yè)推行節(jié)能減排目標(biāo)，不斷優(yōu)化調(diào)整能源使用結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，疊加工業(yè)自動化進(jìn)程加快，我國對于IGBT的市場需求不斷擴(kuò)大。預(yù)計(jì)到2025年，我國IGBT市場規(guī)模將達(dá)到600億元左右。

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IGBT競爭格局

從全球市場競爭格局來看，歐美日廠商資金實(shí)力雄厚、技術(shù)水平領(lǐng)先、產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富，憑借先發(fā)優(yōu)勢搶占了全球功率半導(dǎo)體絕大多數(shù)的市場份額，并且一直保持較大的領(lǐng)先優(yōu)勢。國內(nèi)廠商在全球競爭中不具備優(yōu)勢，所占市場份額較低。在國內(nèi)市場競爭格局中，國際大廠仍占據(jù)絕大部分市場份額，國產(chǎn)化率低于20%。

根據(jù)Yole相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球IGBT的市場集中度較高，行業(yè)CR3達(dá)到51%。其中，英飛凌、三菱、安森美三家企業(yè)的市場占比分別為27%、14%、10%，在全球IGBT市場競爭格局中位列前三名；士蘭微是我國唯一進(jìn)入全球前十的品牌，其市場占比約為3%。

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中國IGBT芯片企業(yè)產(chǎn)品布局

中國IGBT芯片行業(yè)代表性企業(yè)從技術(shù)格局來看，斯達(dá)半導(dǎo)應(yīng)用第七代IGBT技術(shù)，電壓覆蓋范圍為100-3300V；華微電子布局第六代IGBT技術(shù)，電壓覆蓋范圍為360-1350V；士蘭微、時代電氣、宏微科技應(yīng)用第五代IGBT技術(shù)；新潔能主要應(yīng)用第四代IGBT技術(shù)。

從IGBT芯片產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域來看，時代電氣、斯達(dá)半導(dǎo)兩家企業(yè)覆蓋領(lǐng)域較廣，時代電氣IGBT芯片主要應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了軌交、車載、光伏、風(fēng)電、工控等，斯達(dá)半導(dǎo)IGBT芯片主要應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋車載、光伏、風(fēng)電、工控、家電等。

資料來源：東海證券研究所、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院、智研咨詢、華西證券股權(quán)專家

編輯：黃飛