IGBT行業(yè)深度報(bào)告：IGBT技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1. IGBT：電力電子行業(yè)中的核心器件

IGBT被稱為電力電子行業(yè)的“CPU”

IGBT具有優(yōu)秀的綜合性能。IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管，它由絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型三極管兩個(gè)部分組成，其兼具MOSFET輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)速度快和 BJT通態(tài)電流大、導(dǎo)通壓降低、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，是功率半導(dǎo)體未來主要的發(fā)展方向之一。

憑借優(yōu)異的性能，IGBT擁有廣泛的下游應(yīng)用

IGBT憑借著高功率密度、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單以及寬安全工作區(qū)等特點(diǎn)，成為了中大功率、中低頻率電力電子設(shè)備的首選。在工作頻率低于105Hz的范圍內(nèi)，硅基IGBT是首選的功率半導(dǎo)體器件，其功率范圍涵蓋幾千瓦至十兆瓦，典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制（變頻器、逆變焊機(jī)、不間斷電源等）；新能源汽車（主電驅(qū)、OBC、空調(diào)、轉(zhuǎn)向等）；新能源發(fā)電（光伏逆變器、風(fēng)電變流器）；變頻白電（IPM）；軌道交通（牽引變流器）；智能電網(wǎng)等。

IGBT技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

從正面柵極結(jié)構(gòu)上來看，其結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從平面柵向溝槽柵以及最新的微溝槽柵的演化，目前市場(chǎng) 主流的IGBT芯片以溝槽柵為主。柵極結(jié)構(gòu)從平面向溝槽的發(fā)展有利于提高電流密度、降低導(dǎo)通 壓降、降低元胞尺并降低制造成本。

從體結(jié)構(gòu)上來看，其經(jīng)歷了從穿通型（PT，Punch Through）到非穿通型（NPT，Non-Punch Through）再到場(chǎng)截止型（FS，F(xiàn)ield Stop）三代的演化。

通過不斷的技術(shù)迭代，IGBT芯片各項(xiàng)性能指標(biāo)不斷優(yōu)化。從最早的平面穿通型（PT）迭代至 2018年的精細(xì)溝槽柵場(chǎng)截止型，IGBT芯片的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如芯片面積、工藝線寬、導(dǎo)通壓降、 關(guān)斷時(shí)間和功率損耗等均得到了不斷優(yōu)化。

英飛凌IGBT芯片迭代歷程

從最初的平面穿通型IGBT到微溝槽場(chǎng)截止IGBT，英飛凌的IGBT芯片技術(shù)引進(jìn)迭代到了第七代。（此處沒有列出僅有單管封裝產(chǎn)品的IGBT芯片）。

2.空間：新能源等驅(qū)動(dòng)IGBT需求持續(xù)增長(zhǎng)

全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模已超過66億美元

全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，目前已經(jīng)超過66億美元。根據(jù)研究機(jī)構(gòu)Omdia的數(shù)據(jù)，全球IGBT市 場(chǎng)規(guī)模在過去近十年中保持持續(xù)增長(zhǎng)，從2012年的32億美元增長(zhǎng)至2020年的66億美元，八年間的復(fù)合增長(zhǎng)率在10%左右。全球范圍內(nèi)來看，工控和新能源汽車是IGBT需求占比最大的兩個(gè)下游領(lǐng)域。分下游需求來看 （2017年數(shù)據(jù)），工控是IGBT目前最大的需求市場(chǎng)，需求占比達(dá)到37%；新能源汽車位居第二大市場(chǎng)，需求占比為28%；其次是新能源發(fā)電和變頻白電市場(chǎng)，兩者的需求占比分別為9%和8%。

中國(guó)IGBT市場(chǎng)規(guī)模占到全球近四成，且增速更快

中國(guó)IGBT市場(chǎng)規(guī)模迅速增長(zhǎng)，2019年已超過150億元。根據(jù)智研咨詢的數(shù)據(jù)，中國(guó)IGBT市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速，從2012年的60億元增長(zhǎng)至2019年的155億元，復(fù)合增速在15%左右，相比全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模的增速更高。

工控：IGBT需求基本盤，未來將實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)

IGBT是變頻器、逆變焊機(jī)、UPS電源和電磁感應(yīng)加熱等傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)的核心元器件。以工控領(lǐng)域最常用的變頻器為例，變頻器是把固定電壓、固定頻率變換成電壓和頻率可變化的設(shè)備，其通常由整流部分、濾波部分、逆變部分、制動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)電路等組成。IGBT 通常應(yīng)用在變頻器中的逆變電路以及制動(dòng)電路中，其中以逆變電路的應(yīng)用為主。變頻器依靠?jī)?nèi)部 IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率。

新能源汽車：IGBT最重要的增量市場(chǎng)

IGBT是新能源汽車中的核心元器件。IGBT在新能源汽車中得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)整車的性能有 著重要的影響。IGBT在新能源汽車中的主要應(yīng)用包括電機(jī)控制器、車載充電器（OBC）、車載 空調(diào)、以及為新能源汽車充電的直流充電樁中。

新能源發(fā)電：IGBT廣泛應(yīng)用在光伏和風(fēng)電行業(yè)

光伏發(fā)電需要通過光伏逆變器后并入電網(wǎng)，IGBT是光伏逆變器的核心部件。光伏逆變器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用是將光伏發(fā)電所產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)電能質(zhì) 量要求的交流電，IGBT則是光伏逆變器的核心部件。

變頻白電：變頻家電也是IGBT重要的應(yīng)用領(lǐng)域

我國(guó)變頻白電的滲透率正不斷提升。我國(guó)三大白電銷量近年來穩(wěn)定在3億上下，且隨著節(jié)能減排 要求的提高，我國(guó)白電的變頻化率正不斷提升，根據(jù)產(chǎn)業(yè)在線的數(shù)據(jù)，2021年空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)的變頻化率分別達(dá)到68%、34%和46%，未來還將進(jìn)一步提升。

軌道交通：IGBT是軌道交通牽引中的核心器件

交流傳動(dòng)技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通牽引傳動(dòng)的主流選擇和核心技術(shù)。交流傳動(dòng)原理：車輛經(jīng)受電弓從接觸網(wǎng)獲得單相交流高壓電，輸送給車載牽引變壓器進(jìn)行降壓，然后通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電， 再由逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成調(diào)頻調(diào)壓的三相交流電，最后輸送給交流牽引電機(jī)，整個(gè)過程包含了交-直-交的變化。交流傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)：（1）良好的牽引和制動(dòng)性能；（2）功率因數(shù)高，諧波干擾小；（3）電機(jī)功率大、體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行可靠性高；（4）動(dòng)態(tài)性能和粘著利用好。

3.格局：外資壟斷集中度高，國(guó)產(chǎn)替代持續(xù)加速

IGBT行業(yè)擁有很高的進(jìn)入壁壘

從行業(yè)進(jìn)入的角度來看，IGBT行業(yè)的進(jìn)入門檻非常高。整體來看，IGBT行業(yè)的進(jìn)入壁壘有三個(gè)方面，分別為技術(shù)壁壘、市場(chǎng)壁壘以及資金壁壘，這里我們主要關(guān)注前面兩者。

技術(shù)壁壘：IGBT的技術(shù)環(huán)節(jié)包含了IGBT芯片的設(shè)計(jì)和制造以及模組的設(shè)計(jì)和制造。（1）IGBT 芯片需要工作在大電流、高電壓和高頻率的環(huán)境下，對(duì)芯片的可靠性有著很高的要求；同時(shí)芯片設(shè)計(jì)還要保證開通關(guān)斷、抗短路能力和導(dǎo)通壓降的均衡。因此IGBT芯片自主研發(fā)的要求非常高，設(shè)計(jì)和參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化十分特殊復(fù)雜，有著非常多的行業(yè)know how的積累。（2）IGBT芯片的制造環(huán)節(jié)同樣有著較高的難度，一方面IGBT芯片本身的背面工藝難度較高，另一方面IDM模式自建產(chǎn)能需要非常大的資金投入，而Fabless模式下需要與代工廠實(shí)現(xiàn)技術(shù)和工藝的深度磨合。（3）模塊方面，由于模塊的集成度高，且工作在大電流、高電壓、高溫等惡劣環(huán)境下，因此在模塊設(shè)計(jì)和制造工藝實(shí)現(xiàn)上須同時(shí)考慮絕緣、耐壓、散熱和電磁干擾等諸多因素。要實(shí)現(xiàn)IGBT模塊產(chǎn) 品的高可靠性、穩(wěn)定性和一致性同樣需要長(zhǎng)時(shí)間的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累。

市場(chǎng)壁壘：IGBT是下游應(yīng)用產(chǎn)品的核心器件，IGBT的產(chǎn)品性能、可靠性以及穩(wěn)定性對(duì)下游產(chǎn)品的性能表現(xiàn)有著直接的影響。因此，客戶在導(dǎo)入IGBT時(shí)的驗(yàn)證測(cè)試周期長(zhǎng)，替換成本高。因此客戶在選擇IGBT時(shí)通常較為保守謹(jǐn)慎，且一旦在選定后去做更改和替換的意愿都不強(qiáng)。

格局：IGBT高壁壘形成了少數(shù)外資壟斷的格局

全球IGBT市場(chǎng)目前處于德國(guó)、日本和美國(guó)企業(yè)壟斷的格局。由于IGBT行業(yè)進(jìn)入門檻高，且外資廠商的業(yè)務(wù)起步早，先發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯（英飛凌第一代IGBT產(chǎn)品誕生于1988年），因此形成了當(dāng)前 IGBT市場(chǎng)被德日美等國(guó)企業(yè)壟斷的局面，目前全球IGBT前五大廠商分別為英飛凌、三菱、富士 電機(jī)、安森美和賽米控。且英飛凌、三菱、富士電機(jī)和安森美均為IDM模式，垂直整合整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游，建立起了強(qiáng)大的護(hù)城河。

格局變化：國(guó)產(chǎn)進(jìn)步+供應(yīng)鏈安全推動(dòng)國(guó)產(chǎn)替代換擋提速

國(guó)產(chǎn)替代加速的內(nèi)在原因：（1）IGBT作為功率半導(dǎo)體期間，其技術(shù)迭代速度較慢，周期較長(zhǎng)，一代產(chǎn)品的使用時(shí)間非常長(zhǎng)，超過十年；且客戶主要追求的是IGBT產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)新技術(shù)的追求意愿不高（英飛凌2007年推出的第四代IGBT芯片仍然是當(dāng)前行業(yè)的主力產(chǎn)品）。因此，雖然國(guó)內(nèi)IGBT廠家的起步較晚，但是行業(yè)留給了本土IGBT廠家充足的發(fā)展和追趕的時(shí)間，目前國(guó)內(nèi)IGBT廠商技術(shù)進(jìn)步較快，已經(jīng)有產(chǎn)品能大批量滿足下游客戶需求。（2）本土IGBT企業(yè)的服務(wù)更好，能快速響應(yīng)下游客戶的需求，并且產(chǎn)品價(jià)格上相比于外資有一定優(yōu)勢(shì)，有利于下 游客戶的降本。（報(bào)告來源：未來智庫(kù)）

4.碳化硅——第三代半導(dǎo)體功率器件大有可為

碳化硅材料具有優(yōu)越的性能

常見的半導(dǎo)體材料包括硅、鍺等元素半導(dǎo)體以及砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體材料， 根據(jù)研究和規(guī)?；瘧?yīng)用的時(shí)間先后，業(yè)內(nèi)通常將半導(dǎo)體材料劃分為三代：

第一代半導(dǎo)體材料：以硅和鍺為代表，典型應(yīng)用是集成電路。硅基半導(dǎo)體材料是目前產(chǎn)量最大、 應(yīng)用范圍最為廣泛的半導(dǎo)體材料。

第二代半導(dǎo)體材料：以砷化鎵為代表。砷化鎵電子遷移率為硅的6倍以上，其器件具有高頻、高 速的光電性能，因此被廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域。

第三代半導(dǎo)體材料：以碳化硅和氮化鎵為代表。相比于前兩代半導(dǎo)體材料，碳化硅具有禁帶寬度 大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高以及抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于高壓、高頻 和高溫的場(chǎng)景，特別適合于電力電子領(lǐng)域的高功率半導(dǎo)體器件的制造。

碳化硅器件的性能同樣優(yōu)于硅基器件

得益于碳化硅材料的優(yōu)異特性，基于碳化硅材料的碳化硅功率器件具有優(yōu)越的電氣性能：

耐高壓：碳化硅材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為傳統(tǒng)硅基材料的十倍，因此碳化硅功率器件的耐高壓特性 顯著強(qiáng)于同規(guī)格的硅基功率器件；

耐高溫：一方面，碳化硅的熱導(dǎo)率為硅材料的三倍以上，在同樣功率的情況下具有更好的散熱能 力，保持更低的溫度，由此降低器件散熱設(shè)計(jì)方面的要求，有利于提高集成度，使得器件向小型 化方向發(fā)展。另一方面，碳化硅的禁帶寬度是硅基的三倍以上，禁帶寬度越寬，器件的極限工作溫度越高（半導(dǎo)體器件在高溫下會(huì)產(chǎn)生載流子本征激發(fā)現(xiàn)象，造成器件失效），因此碳化硅功率 器件的極限工作溫度能達(dá)到600℃以上，而目前硅基的IGBT工作溫度一般在175℃。

低損耗：碳化硅飽和電子漂移速度是硅的兩倍以上，因此碳化硅器件具有更低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗低；碳化硅器件不存在電流拖尾，開關(guān)損耗也比硅基器件要低，也可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。

碳化硅產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展

受新能源汽車應(yīng)用的帶動(dòng)，碳化硅器件市場(chǎng)將高速增長(zhǎng)。根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，受益于碳化硅在新能源汽車、工業(yè)和能源等領(lǐng)域需求的增長(zhǎng)，全球碳化硅器件市場(chǎng)將從2021年10億美元的規(guī)模增長(zhǎng)至 2027年的60億美元以上，復(fù)合增速將高達(dá)34%；其中汽車碳化硅器件的市場(chǎng)將從2021年的6.85億 美元增長(zhǎng)至2027年的約50億美元，復(fù)合增速高達(dá)40%，至2027年汽車碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模將占到 碳化硅器件市場(chǎng)總規(guī)模的80%左右。

報(bào)告節(jié)選：

審核編輯 ：李倩