IGBT的概念和發(fā)展歷史 IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 IGBT市場(chǎng)規(guī)模分析

來源：東海證券研究所、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院、智研咨詢??

一IGBT：復(fù)合型功率器件

1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(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。

2IGBT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(chǎng)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(dòng)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。

3IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

一般，IGBT有三個(gè)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(gè)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(huì)保持驅(qū)動(dòng)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(shí)，則就會(huì)關(guān)閉電路應(yīng)用。

4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(chǎng)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(chǎng)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(duì)電壓要求較高，主要使用高壓IGBT。

二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(jí)，從平面穿通型(PT)到溝槽型電場(chǎng)-截止型(FS-Trench)，芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)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(chǎng)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(shì)是大電流、高電壓、低損耗、高頻率、功能集成化、高可靠性。

三IGBT市場(chǎng)規(guī)模及競(jìng)爭(zhēng)情況

1IGBT全球市場(chǎng)規(guī)模

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

2IGBT國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模

隨著全球制造業(yè)向我國(guó)的轉(zhuǎn)移，我國(guó)已逐漸成為全球最大的IGBT市場(chǎng)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016-2021年，我國(guó)IGBT產(chǎn)量及需求量均呈現(xiàn)連年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2021年，我國(guó)IGBT的需求量為13000萬只，同比增長(zhǎng)20.00%；生產(chǎn)量為2580萬只，同比增長(zhǎng)27.72%；產(chǎn)需差值為10620萬只。2021年，我國(guó)IGBT市場(chǎng)規(guī)模約為218.75億元，同比增長(zhǎng)37.23%。近年來，我國(guó)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(dòng)化進(jìn)程加快，我國(guó)對(duì)于IGBT的市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大。預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)IGBT市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到600億元左右。

3IGBT競(jìng)爭(zhēng)格局

從全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(shì)搶占了全球功率半導(dǎo)體絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額，并且一直保持較大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)廠商在全球競(jìng)爭(zhēng)中不具備優(yōu)勢(shì)，所占市場(chǎng)份額較低。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局中，國(guó)際大廠仍占據(jù)絕大部分市場(chǎng)份額，國(guó)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(chǎng)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(chǎng)占比分別為27%、14%、10%，在全球IGBT市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局中位列前三名；士蘭微是我國(guó)唯一進(jìn)入全球前十的品牌，其市場(chǎng)占比約為3%。

4中國(guó)IGBT芯片企業(yè)產(chǎn)品布局

中國(guó)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(shí)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(shí)代電氣、斯達(dá)半導(dǎo)兩家企業(yè)覆蓋領(lǐng)域較廣，時(shí)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。

審核編輯：湯梓紅