一文看懂功率半導(dǎo)體-IGBT

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文章大綱

IGBT是電子電力行業(yè)的“CPU”

·IGBT是功率器件中的“結(jié)晶”

·IGBT技術(shù)不斷迭代，產(chǎn)品推陳出新

IGBT搭乘新能源快車打開增長空間天花板

·新能源汽車市場成為 IGBT增長最充足動力

·新能源發(fā)電前景廣闊驅(qū)動 IGBT增長

·工業(yè)控制平穩(wěn)發(fā)展支撐 IGBT行業(yè)需求

國產(chǎn) IGBT崛起有望重塑海外寡頭壟斷格局

·行業(yè)壁壘成為 IGBT集中度高的內(nèi)在因素

·海外龍頭主導(dǎo) IGBT市場

·海外龍頭短期內(nèi)交貨周期與價格維持穩(wěn)定態(tài)勢

·國內(nèi)廠商產(chǎn)能逐步釋放加速國產(chǎn)替代

IGBT

IGBT是電子電力行業(yè)的“CPU”

1.1IGBT是功率器件中的“結(jié)晶”

（1）功率半導(dǎo)體根據(jù)集成度可以分為分立器件中的功率器件和集成電路IC中的功率IC兩個大類。半導(dǎo)體產(chǎn)品的分類是一個十分復(fù)雜困難的過程，國際上多種分類方法都不可能完美區(qū)分出來各種產(chǎn)品種類與規(guī)模，目前較多采用 WSTS（世界半導(dǎo)體貿(mào)易協(xié)會）的分類方法。在下圖的半導(dǎo)體產(chǎn)品中，功率半導(dǎo)體是包含了功率器件與功率IC兩大類，功率IC相對來說集成芯片的小功率、小電壓產(chǎn)品，功率IC集成度較高，是指將高壓功率器件與其控制電路、外圍接口電路及保護(hù)電路等集成在同一芯片的集成電路，主要應(yīng)用于手機(jī)等小電壓產(chǎn)品。功率器件包括二極管、晶體管和晶閘管三大類，其中晶體管市場規(guī)模最大，晶體管又細(xì)分為IGBT、MOSFET、雙極型晶體管等。功率器件是指體積較大，用來處理較大功率、大電壓的產(chǎn)品，IGBT屬于功率器件的一類產(chǎn)品。

（2）IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管（BJT）和絕緣柵型場效應(yīng)管（MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件。下圖顯示了一種N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)。IGBT是一個三端器件，正面有兩個電極，分別為發(fā)射極(Emitter)和柵極(Gate)背面為集電極(Collector)。IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通；反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。

（3）IGBT是功率半導(dǎo)體中的核心器件，兼具MOSFET及BJT兩類器件優(yōu)勢，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。金氧半場效晶體管（MOSFET）輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快；而雙極型三極管（BJT）飽和壓降低，BJT更強(qiáng)調(diào)工作功率，MOSFET更強(qiáng)調(diào)工作頻率，因此IGBT兼有以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，性能優(yōu)勢顯著。

（4）功率半導(dǎo)體的兩大功能是開關(guān)與電能轉(zhuǎn)換，主要可以依據(jù)工作頻率與功率大小將功率半導(dǎo)體分為不同類型，IGBT屬于功率半導(dǎo)體領(lǐng)域中高電壓低頻率應(yīng)用的一種。功率器件通過調(diào)節(jié)改變電子元器件的功率來實現(xiàn)電源開關(guān)和電能轉(zhuǎn)換的功能，主要體現(xiàn)在變頻、整流、變壓、開關(guān)等方面。其應(yīng)用范圍廣泛，包括工控、風(fēng)電、光伏、電動汽車與充電樁、軌交、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。IGBT屬于其中偏向高電壓、中低頻率應(yīng)用場景的一類產(chǎn)品。一般低壓IGBT常用于變頻白色家電、新能源汽車零部件等領(lǐng)域；中壓IGBT常用于工業(yè)控制、新能源汽車等領(lǐng)域；高壓IGBT常用于軌道交通、電網(wǎng)等領(lǐng)域。

（5）IGBT通常應(yīng)用形式是模塊或者單管，內(nèi)部的核心組件就是IGBT芯片。如下圖所示的IGBT模塊型號為：FF1400R17IP4，模塊的長寬高為：25cmx8.9cmx3.8cm，模塊內(nèi)部包含兩個IGBT模組，也就是我們常說的半橋模塊。IGBT模塊內(nèi)部主要包含3個部件，散熱基板、DBC（Direct Bonding Copper-直接覆銅陶瓷板）基板和硅芯片(包含IGBT芯片和Diode芯片)，其余的主要是焊料層和互連導(dǎo)線，用途是將IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC連接起來。DBC的主要功能需要保證硅芯片和散熱基板之間的電氣絕緣能力以及良好的導(dǎo)熱能力，同時還要滿足一定的電流傳輸能力。DBC基板類似2層PCB電路板，DBC 常用的陶瓷絕緣材料為氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)。如下右圖所示，半橋結(jié)構(gòu)IGBT模塊內(nèi)部有6個DBC，每個DBC上有4個IGBT芯片和2個Diode（二極管）芯片。無論是內(nèi)部的芯片還是最終形成的模組，IGBT的每一個環(huán)節(jié)技術(shù)壁壘均較高。

（6）IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）是一種功能強(qiáng)大的集成電路模塊，可以用于控制和驅(qū)動高功率電子設(shè)備，如交流電機(jī)驅(qū)動器、變頻器、逆變器等。由于IGBT器件的固有特性，當(dāng)出現(xiàn)過流?短路?過壓時如不能及時保護(hù)，往往在十幾微秒乃至數(shù)微秒內(nèi)就會導(dǎo)致IGBT損壞，造成電力變換系統(tǒng)停機(jī)事故。為了解決IGBT在驅(qū)動保護(hù)?可靠性方面的不足IPM把驅(qū)動和多種保護(hù)電路封裝在同一模塊，IPM應(yīng)用過程中，不再需要用戶自己設(shè)計驅(qū)動保護(hù)電路，IGBT的驅(qū)動及保護(hù)由IPM內(nèi)部電路來完成。IPM模塊通常包括一個功率MOSFET、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）或SiC（碳化硅）等開關(guān)器件，以及一個驅(qū)動電路，用于控制這些開關(guān)器件的導(dǎo)通和截止。此外，IPM模塊還通常集成有電源電路、電流和電壓傳感器、過溫保護(hù)和短路保護(hù)等功能，可以提供全面的保護(hù)措施，以保證高功率電子設(shè)備的安全和可靠性。

（7）IGBT應(yīng)用范圍按照領(lǐng)域的不同主要可以分為三大類：消費(fèi)類，工業(yè)類，汽車類。IGBT單管主要應(yīng)用于小功率家用電器、分布式光伏逆變器；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；而IPM模塊應(yīng)用于變頻空調(diào)、變頻冰箱等白色家電產(chǎn)品。

（8）相比工控與消費(fèi)類IGBT，車規(guī)級IGBT對產(chǎn)品安全性和可靠性提出更高要求。作為汽車電氣化變革的關(guān)鍵制程，IGBT產(chǎn)品在智能汽車中具有不可替代的作用。由于汽車電子本身使用環(huán)境較為復(fù)雜，一旦失效可能引發(fā)嚴(yán)重后果，所以市場對于車規(guī)級IGBT產(chǎn)品的要求要高于工控類與消費(fèi)類IGBT產(chǎn)品。對比之下，車規(guī)級IGBT對于溫度的覆蓋要求更高、對出錯率的容忍度更低且要求使用時間也更長、工藝處理和電路設(shè)計方面對可靠性和散熱性要求更高。具體體現(xiàn)為：1）車規(guī)級IGBT的工作溫度范圍廣，IGBT需適應(yīng)“極熱”、“極冷”的高低溫工況；2）需承受頻繁啟停、加減速帶來的電流沖擊，導(dǎo)致IGBT結(jié)溫快速變化，對IGBT耐高溫和散熱性能要求更高；3）汽車行駛中可能會受到較大的震動和顛簸，要求IGBT模塊的各引線端子有足夠強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，能夠在強(qiáng)震動情況下正常運(yùn)行；4）需具備長使用壽命，要求零失效率。

1.2 IGBT技術(shù)不斷迭代，產(chǎn)品推陳出新

（1）IGBT產(chǎn)品的技術(shù)路徑在于不斷降低導(dǎo)通損耗、降低開關(guān)損耗、提升安全工作區(qū)這樣三個相互矛盾的方面來進(jìn)行。IGBT產(chǎn)品作為一個商業(yè)化的產(chǎn)品，長期目標(biāo)是不斷提升性能，同時不斷降低成本。能夠評價IGBT性能的指標(biāo)有很多個，比較關(guān)鍵指標(biāo)有三個，其一是降低開關(guān)損耗，是指在滿足高頻率的開關(guān)功能條件下，提升轉(zhuǎn)換能量效率；其二是導(dǎo)通損耗，是指電路導(dǎo)通后降低熱損耗，提升電能轉(zhuǎn)換效率；其三是提升安全工作區(qū)，是指盡可能保證器件在更大的溫度、電壓、電流范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。除了以上三個核心維度之外，提升電流密度、提高阻斷電壓、提高結(jié)溫、減少耗材等性能指標(biāo)也很重要。通常來說，各個產(chǎn)品性能指標(biāo)之間是相互矛盾的，同時提升所有性能指標(biāo)是理想的目的，長期來看是可以實現(xiàn)這一過程的，但短期設(shè)計過程往往需要根據(jù)下游應(yīng)用側(cè)重考慮某些重要指標(biāo)。IGBT經(jīng)過30余年的不斷發(fā)展，整體性能不斷提升，核心指標(biāo)來看，功率密度已經(jīng)提高了3倍，能耗不斷降低只有剛開始的1/3，IGBT的新技術(shù)依然在不斷迭代中。

（3）IGBT柵極結(jié)構(gòu)從平面柵向Trench溝槽型結(jié)構(gòu)發(fā)展，再發(fā)展到最新的微溝槽型。在平面柵IGBT中，在電子流通方向上，包含溝道電阻 Rkanal，JFET 電阻RJFET，與漂移區(qū)電阻 Rn-，通過刺蝕將溝道從橫向變?yōu)榭v向，電子溝道垂直于硅片表面，消除了JFET結(jié)構(gòu)，增加了表面溝道密度，提高近表面載流子濃度，從而使性能更加優(yōu)化。另一方面，相比于平面柵極IGBT，溝槽IGBT的垂直結(jié)構(gòu)省去了在硅表面上制作導(dǎo)電溝道的面積，更有利于設(shè)計緊湊的元胞，即在同等芯片面積上可以制作更多的IGBT元胞，從而增加導(dǎo)電溝道的寬度，降低溝道電阻。微溝槽型柵極結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低溝槽間距至亞微米級，使得溝道密度更高，高密度的溝槽柵能夠有效的調(diào)節(jié)出最合適的電容比率，在開關(guān)過程中較小的開關(guān)損耗以及較優(yōu)的開關(guān)特性，同時采用了虛擬陪柵結(jié)構(gòu)和非有源區(qū)以提高元胞通態(tài)時發(fā) 射極端載流子濃度。

（4）IGBT縱向結(jié)構(gòu)發(fā)展方向從帶緩沖層的PT型發(fā)展到NPT型再到FS型。PT型使用重?fù)诫s的P+襯底作為起始層，在此之上依次生長N+buffer，N-base外延，最后在外延層表面形成元胞結(jié)構(gòu)。工藝復(fù)雜，成本高，飽和壓降呈負(fù)溫度系數(shù)，不利于并聯(lián)，在80年代后期逐漸被NPT取代，目前IGBT產(chǎn)品已不使用PT技術(shù)。NPT與PT不同在于，它使用低摻雜的N-襯底作為起始層，先在N-漂移區(qū)的正面做成MOS結(jié)構(gòu)，然后用研磨減薄工藝從背面減薄到IGBT電壓規(guī)格需要的厚度，再從背面用離子注入工藝形成P+collector。在截止時電場沒有貫穿N-漂移區(qū)，NPT不需要載流子壽命控制，但它的缺點(diǎn)在于，如果需要更高的電壓阻斷能力，勢必需要電阻率更高且更厚的N-漂移層，這意味著飽和導(dǎo)通電壓Vce(sat)也會隨之上升，從而大幅增加器件的損耗與溫升。為了進(jìn)一步調(diào)和襯底厚度、耐壓和通態(tài)壓價增大的矛盾，體結(jié)構(gòu)緩沖層的電場截止（FS）被提出，當(dāng)背面減薄后，先制作一層重?fù)诫s的N型電場截止層，使得硅片更薄。

（5）IGBT芯片隨著每一代產(chǎn)品的升級，各項性能指標(biāo)均有提升，考慮成本后，當(dāng)前性價比較高、應(yīng)用廣泛的是第四代產(chǎn)品。如下所表示，全球IGBT龍頭企業(yè)英飛凌有史以來誕生了七代不同的產(chǎn)品，每一代產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上有較大的差異，在關(guān)鍵性能指標(biāo)上也都有較大的提升，相對來說越是先進(jìn)的產(chǎn)品，性能效果越高，能夠?qū)a(chǎn)品研發(fā)到第幾代技術(shù)，某種程度上也說明了企業(yè)在絕對技術(shù)上的研發(fā)實力。如果考慮到成本等因素，IGBT目前性價比較高的產(chǎn)品屬于第四代產(chǎn)品。

IGBT

IGBT搭乘新能源快車打開增長空間天花板

2.1新能源汽車市場成為IGBT增長最充足動力

（1）新能源汽車市場快速發(fā)展，從2021年以來，市場銷量呈爆發(fā)式增長態(tài)勢。根據(jù)中國汽車協(xié)會數(shù)據(jù)，2021年中國新能源車銷量達(dá)到352.1萬輛，同比增速為157.57%，2022年持續(xù)大幅增長達(dá)688.7萬輛，同比增長95.60%，2019-2022年CAGR達(dá)到78.74%，增速處于高位，2023年市場余熱未消，繼續(xù)保持增長勢頭，可以預(yù)見，未來幾年新能源車市場將一直處于繁榮上升期，高景氣度持續(xù)。

（2）IGBT是電動汽車和直流充電樁等設(shè)備的核心器件，直接影響電動汽車的動力釋放速度、車輛加速能力和高速度，相對來說汽車芯片認(rèn)證周期高達(dá)3-5年。IGBT主要應(yīng)用于電動汽車電機(jī)驅(qū)動、DC/DC升壓變換器、雙向DC/AC逆變器，以及充電端的DC/DC降壓變換器。對于電動控制系統(tǒng)，作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆變后汽車電機(jī)的驅(qū)動；對于車載空調(diào)控制系統(tǒng)，作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆變；對于充電樁，在智能充電樁中被作為開關(guān)元件使用。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。汽車IGBT的技術(shù)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)極高，IGBT要進(jìn)入到汽車供應(yīng)商行列，需要滿足新汽車級標(biāo)準(zhǔn)LV324/AQG324的要求，同時還要滿足中國IGBT聯(lián)盟和中關(guān)村寬禁帶聯(lián)盟等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)證指標(biāo)中主要體現(xiàn)在溫度沖擊、功率循環(huán)、溫度循環(huán)、結(jié)溫等與全生命周期可靠性。最后，汽車IGBT還要通過終端汽車客戶的認(rèn)證，一般來說，認(rèn)證周期在3-5年。

（3）新能源汽車IGBT市場規(guī)模測算：

模型假設(shè)：（1）全球和中國汽車總銷量2023、2024年分別保持2%和5%左右低速增長，與全球和中國經(jīng)濟(jì)增速保持一致，2025、2026年市場較為飽和，增速放緩；（2）全球新能源汽車銷量與全球知名電動汽車市場研究網(wǎng)站保持一致，中國新能源汽車銷量與我國國家發(fā)展工作規(guī)劃保持一致；（3）根據(jù)ICV報告中數(shù)據(jù)，2022年新能源車單車IGBT價值量為1902元，隨著新能源汽車電動化程度加深，IGBT單車價值量維持緩慢增長。

我們根據(jù)IGBT單車價值量、全球與中國新能源汽車銷量數(shù)據(jù)，測算出2026年全球新能源汽車IGBT市場規(guī)模有望達(dá)到655.72億元，中國新能源汽車IGBT市場規(guī)模2026年有望達(dá)到億 407.84億元，2022-2026年CAGR為32.84%，IGBT在新能源汽車應(yīng)用市場保持較高增速。

2.2新能源發(fā)電前景廣闊驅(qū)動IGBT增長

（1）IGBT是光伏逆變器的“心臟”，在光伏領(lǐng)域中市場需求提速較快。IGBT等功率器件作為光伏逆變器、風(fēng)電變流器及儲能變流器的核心半導(dǎo)體部件，對電能起到整流、逆變等作用，以實現(xiàn)新能源發(fā)電的交流并網(wǎng)、儲能電池的充放電等功能。其中光伏逆變器是最主要的應(yīng)用場景，光伏IGBT對于可靠性的要求非常高，新能源發(fā)電輸出的電能需要通過光伏逆變器將整流后的直流電逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)要求的交流電后輸入電網(wǎng)，這種線路需要將IGBT模塊性能的可用性實現(xiàn)最大化以保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

（2）新能源發(fā)電主要包括風(fēng)電、光伏、儲能三部分，目前風(fēng)光儲裝機(jī)量大幅提升，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，同時帶動IGBT需求增長。光伏逆變器原材料主要由結(jié)構(gòu)件、電感、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成，半導(dǎo)體器件和集成電路材料主要為IGBT元器件、IC半導(dǎo)體等。在碳中和背景下，光伏和風(fēng)力等新能源的應(yīng)用已成為指向標(biāo)，中國光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量趨勢保持逐年上升態(tài)勢，根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2023年1-8月份光伏裝機(jī)容量跳躍式增長至11316萬千瓦，超過2022年全年新增裝機(jī)容量8741萬千瓦，隨著光伏裝機(jī)量的持續(xù)增長，對IGBT的需求也迅速攀升。逆變器中IGBT等電子元器件使用年限一般為10年-15年，而光伏組件的運(yùn)營周期是25年，所以逆變器在光伏組件的生命周期內(nèi)至少需要更換一次，這也進(jìn)一步擴(kuò)大了IGBT在光伏系統(tǒng)中的使用量。

（3）中國光伏逆變器和風(fēng)電變流器IGBT市場規(guī)模測算：

模型假設(shè)：（1）全球和國內(nèi)新增光伏裝機(jī)量與中國光伏行業(yè)協(xié)會預(yù)測保持一致性，我國光伏行業(yè)駛?cè)肟燔嚨?，而全球發(fā)展不確定性因素更高，因此設(shè)定同比增速低于我國；（2）光伏組件和光伏逆變器的容配比為1.25；（3）根據(jù)SMM數(shù)據(jù)測算出2022年光伏逆變器單瓦價格為0.20元/W，在降價大趨勢下預(yù)計2023年降至0.16元/W，在技術(shù)迭代與競爭加劇下逐年持續(xù)降低，2026年下降至0.13元/W；（4）根據(jù)固德威招股說明書IGBT在采購金額中占比數(shù)據(jù)，我們設(shè)定IGBT占光伏逆變器成本比例維持在10%。

我們根據(jù)光伏新增裝機(jī)量預(yù)測、光伏逆變器需求量和逆變器單位價格等數(shù)據(jù)定量分析，測算出全球和國內(nèi)光伏逆變器IGBT國內(nèi)市場規(guī)模將從2022年的36.80億元和13.99億元逐年增長至2026年的71.95億元和27.30億元，2022-2026年復(fù)合增速分布為18.25%和18.20%。

模型假設(shè)：（1）全球風(fēng)電新增裝機(jī)量分為陸上和海上兩大類，陸上和海上新增裝機(jī)量與全球風(fēng)能理事會預(yù)測保持一致，國內(nèi)新增風(fēng)電裝機(jī)量與國家發(fā)展規(guī)劃和全球風(fēng)能理事會預(yù)測保持一致；（2）風(fēng)電變流器2022年單價參考龍頭公司招標(biāo)結(jié)果公告為0.17元/W，以后年度保持穩(wěn)定；（3）根據(jù)禾望電氣招股說明書功率器件在采購金額中占比，我們設(shè)定IGBT占風(fēng)電變流器成本比例維持在10%。

根據(jù)風(fēng)電變流需求量、單瓦價格，我們測算出全球和國內(nèi)風(fēng)電變流器IGBT市場規(guī)模從2022年13.19億元和6.40億元翻倍增長至2026年的25.53億元和16.89億元，2022-2026年復(fù)合增長率分別為17.94%和27.47%

2.3工業(yè)控制平穩(wěn)發(fā)展支撐IGBT行業(yè)需求

（1）IGBT在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用范圍較大，主要是在變頻器、UPS電源以及逆變焊機(jī)等設(shè)備的使用。變頻器依靠內(nèi)部IGBT的開關(guān)來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，變頻器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展勢必導(dǎo)致IGBT需求提升。逆變焊機(jī)的工作原理主要是通過將低頻交流電經(jīng)過整流濾波變成直流，再通過IGBT將直流逆變成千赫茲到萬赫茲的中頻交流電，同時經(jīng)變壓器降至適合于焊接的幾十伏電壓，再次整流并經(jīng)過濾波輸出平穩(wěn)的直流電，進(jìn)行焊接工作。UPS即不間斷電源(Uninterruptible Power Supply)，是一種含有儲能裝置的不間斷電源，主要用于給部分對電源穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備，提供不間斷的電源。在UPS電源內(nèi)部有整流器與逆變器，進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換過程需要用到IGBT。

??（2）工業(yè)控制IGBT市場規(guī)模測算：

模型假設(shè)：（1）變頻器、逆變焊機(jī)、UPS電源IGBT市場規(guī)模與ICV報告測算數(shù)據(jù)保持一致；（2）全球市場增速維持在4%，中國是工業(yè)制造大國，制造業(yè)規(guī)模居世界首位，因此國內(nèi)市場同比增速高于全球市場，其中國內(nèi)變頻器和UPS電源市場規(guī)模同比增速超過全球市場增速的2倍；（3）根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，變頻器、逆變焊機(jī)、UPS電源IGBT價值量占比分別為12%、10%、15%，考慮到工控市場發(fā)展較為成熟，IGBT使用價值比例在未來維持穩(wěn)定。

通過變頻器、逆變焊機(jī)、UPS電源市場規(guī)模以及IGBT在各領(lǐng)域占比數(shù)據(jù)，我們測算出2026年全球及國內(nèi)工控IGBT市場規(guī)模有望分別達(dá)到297.74億元和123.52億元，復(fù)合增長率為4%和10.48%，保持低速穩(wěn)定增長，是下游應(yīng)用領(lǐng)域中最穩(wěn)健的存量市場。

2.4家電智能化催生IGBT模塊增長

（1）白色家電中實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換均需要功率半導(dǎo)體，其中變頻家電中智能模塊（IPM）主要會用到IGBT。白色家電中變頻功能實現(xiàn)均需要IPM模塊，變頻白電主要包括變頻空調(diào)、變頻冰箱和變頻洗衣機(jī)，這些是應(yīng)用最廣泛的消費(fèi)家電產(chǎn)品。如下圖所示是用于空調(diào)的IPM模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，藍(lán)色框部分表示用到多個IGBT芯片或者單管，變頻器IPM用于驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)及室外風(fēng)扇。

（2）變頻白電IGBT市場規(guī)模測算：

模型假設(shè)：（1）空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)銷量同比增速分別為6%、4%、4%；（2）變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)滲透率根據(jù)歷史數(shù)據(jù)變化，設(shè)定逐年上升1%、5%、3%；（3）根據(jù)ICV報告數(shù)據(jù)，變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)用IPM模塊數(shù)量分別為2,1,1個；（5）家電類IPM模塊均價通過ICV報告中2022年已知市場規(guī)模和變頻白色家電IPM模塊需求量倒推出平均價格為28.39元，價格與市面主要品牌廠商的經(jīng)銷渠道價格差距不大，同時每年以穩(wěn)定低速降低；（4）中國變頻白色家電IPM模塊在全球市場中份額占比逐年低速提升，以同比增速增加 0.10pcts增長。

根據(jù)變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)銷量與單機(jī)IPM模塊數(shù)量，我們測算出2026年全球和中國變頻白色家電IPM模塊市場規(guī)模穩(wěn)健增長至210.49億元和103.85億元。2022-2026年復(fù)合增速分別為7.41%和7.68%，國內(nèi)與全球白色家電IGBT市場規(guī)模增速相差不大，每年占據(jù)全球市場份額的50%左右。

2.5軌道交通助力IGBT市場增長

（1）IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通的核心技術(shù)之一，在交流傳動系統(tǒng)中牽引變流器是關(guān)鍵部件，而IGBT 又是牽引變流器最核心的器件之一。

牽引逆變器將1500VDC直流轉(zhuǎn)化成變頻變壓的交流電，通過IGBT完成逆變電源輸出，此為地鐵車輛最常見的變流系統(tǒng)。牽引變流器輸入端為三重四象限變流器(網(wǎng)側(cè)變流器)，直接連接到主變壓器的3個牽引繞組輸出端：牽引變流器輸出端為三相逆變器(電機(jī)側(cè)變流器)，直接與牽引電機(jī)連接。

動車組中的列車供電、冷卻風(fēng)扇電機(jī)、牽引通風(fēng)機(jī)電機(jī)都需要應(yīng)用逆變器，以及交流輔助發(fā)電機(jī)通過整流模塊進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換。

（2）為了適應(yīng)大功率牽引應(yīng)用工況和鐵路運(yùn)輸環(huán)境，軌道交通用IGBT模塊要求更高的功率密度和集成度、更高的工作結(jié)溫等性能。對于使用環(huán)境苛刻，可靠性要求更高的應(yīng)用領(lǐng)域，選擇的材料及封裝工藝具有更好的綜合性能和可靠性。例如，工業(yè)IGBT采用鋁線（Al）鍵合線鍵合的電氣、熱力學(xué)性能較差，膨脹系數(shù)失配大，影響IGBT使用壽命，而軌道交通使用銅線鍵合工藝具有電氣、熱力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，可靠性高，適用于高功率密度、高效散熱的模塊；標(biāo)準(zhǔn)錫基軟釬焊料的熔化溫度為220℃，而在更大的功率密度應(yīng)用需求下，相應(yīng)的芯片結(jié)溫可達(dá)175℃甚至200℃，同系溫度>0.8將導(dǎo)致焊接層在熱應(yīng)力負(fù)載下很快疲勞失效，因此軌道交通IGBT 使用擴(kuò)散焊接技術(shù)來解決此問題。

（3）軌道交通IGBT市場規(guī)模測算：

模型假設(shè)：（1）中國高鐵營業(yè)里程、城市軌道交通運(yùn)營里程根據(jù)歷史數(shù)據(jù)以穩(wěn)定5%和9%的增速逐年增長；（2）動車組密度分別以每年20標(biāo)準(zhǔn)組/萬公里增加，城軌運(yùn)營車輛密度保持穩(wěn)定不變；（3）動車組、城市軌交用IGBT單價以采招網(wǎng)中標(biāo)金額為依據(jù)。

根據(jù)當(dāng)年新增動車組、新增城市軌道交通運(yùn)營車輛、動車組和城市軌交用IGBT單價，我們測算出2026年國內(nèi)軌道交通用IGBT市場規(guī)模達(dá)6.38億元，2022-2026年復(fù)合增長率達(dá) 17.04%，是下游應(yīng)用中增長相對較快的領(lǐng)域。

2.6國內(nèi)IGBT市場乘風(fēng)新能源領(lǐng)域迅速擴(kuò)張

（1）受益于新能源汽車和新能源發(fā)電的需求大幅增加，中國IGBT市場規(guī)模將持續(xù)增長，根據(jù)我們的測算結(jié)果的合計，到2026年，中國IGBT市場規(guī)模將有望達(dá)到685.78億人民幣，年復(fù)合增長率達(dá)21.48%。在各下游市場中，新能源汽車市場依然是增速最快的部分，其市場規(guī)模2022-2026年復(fù)合增速高達(dá)32.84%；而新能源發(fā)電市場也將獲得21.34%的行業(yè)增速，成為第二大市場規(guī)模增速較高的領(lǐng)域；軌道交通市場的增速也相對較快達(dá)17.04%，由于其體量較小，對IGBT市場規(guī)模擴(kuò)張?zhí)峁┑呢暙I(xiàn)相對較小，但仍然是具有良好發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域；工控市場發(fā)展較為成熟，波動較小成為下游市場穩(wěn)健支撐，工控IGBT市場規(guī)模保持穩(wěn)定增長；變頻白電雖然增速最低，但其體量大、應(yīng)用滲透率高，也是不可或缺的重要助力。

（2）從下游占比來看，2026年預(yù)計新能源汽車、工業(yè)控制、變頻白電、新能源發(fā)電、軌道交通分別為60%、18%、15%、6%以及1%。下游應(yīng)用領(lǐng)域中規(guī)模占比最大的前三大領(lǐng)域始終為新能源汽車、工業(yè)控制和變頻白電，新能源汽車市場將在雙碳政策和技術(shù)升級雙輪驅(qū)動下繼續(xù)保持旺盛需求，其主導(dǎo)地位未來有望得到進(jìn)一步鞏固，市場占比從2022年的42%有望在2026年提升至60%，占據(jù)IGBT市場一半以上的份額。

IGBT

國產(chǎn)IGBT崛起有望重塑海外寡頭壟斷格局

3.1行業(yè)壁壘成為IGBT集中度高的內(nèi)在因素

3.1.1技術(shù)壁壘

（1）IGBT的核心生產(chǎn)過程也包括芯片設(shè)計、晶圓制造、封測與模塊設(shè)計三個主要部分，各有其技術(shù)難點(diǎn)。

?芯片設(shè)計方面，IGBT芯片由于考慮到處在大電流、高電壓、高頻率工作環(huán)境的特性，對芯片的可靠性要求也相對較高，同時芯片設(shè)計需保證開通關(guān)斷、抗短路能力和導(dǎo)通壓降（控制熱量）三者處于動態(tài)均衡狀態(tài)，芯片設(shè)計與參數(shù)調(diào)整優(yōu)化十分特殊和復(fù)雜。芯片設(shè)計環(huán)節(jié)的主要技術(shù)難點(diǎn)有：1.終端設(shè)計在小尺寸滿足高耐壓的基礎(chǔ)上須保證其高可靠性；2.元胞設(shè)計實現(xiàn)高電流密度的同時須保證其較寬泛的安全工作區(qū)和足夠的短路能力。

?晶圓制造方面，IGBT的正面工藝和標(biāo)準(zhǔn)BCD的LDMOS區(qū)別相差不大，其背面工藝較為復(fù)雜，要求嚴(yán)苛，主要包括三大技術(shù)難點(diǎn)：背板減薄、激光退火、離子注入，通過背面薄片工藝的重復(fù)性和一致性來確保批量生產(chǎn)的連續(xù)性。背面工藝是在基于已完成正面Device和金屬Al層的基礎(chǔ)上，將硅片通過機(jī)械減薄或特殊減薄工藝（如 Taiko、Temporary Bonding技術(shù)）進(jìn)行減薄處理，然后對減薄硅片進(jìn)行背面離子注入，如N型摻雜P離子、P型摻雜B離子，在此過程中還引入了激光退火技術(shù)來精確控制硅片面的能量密度。特定耐壓指標(biāo)的IGBT器件，芯片厚度需要減薄到100-200μm，對于要求較高的器件，甚至需要減薄到60~80μm。當(dāng)硅片厚度減到100-200μm的量級，后續(xù)的加工處理非常困難，硅片極易破碎和翹曲。從8寸到12寸有兩個關(guān)鍵門檻：減薄要求從120μm轉(zhuǎn)成80μm，翹曲更嚴(yán)重，背面高能離子注入（氫離子注入），設(shè)備單價高。

?模塊封裝方面，分為模塊設(shè)計、模塊制造，其中模塊設(shè)計包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路布局設(shè)計、熱設(shè)計、電磁設(shè)計等，一款I(lǐng)GBT模塊的開發(fā)需要進(jìn)行機(jī)、電、熱、磁等方面的優(yōu)化并兼顧模塊工藝的可實現(xiàn)性等方面因素。模塊設(shè)計環(huán)節(jié)的主要難點(diǎn)在于保證可靠性和散熱性能：1.在不影響器件參數(shù)的前提下，不同封裝形式其工藝路線的設(shè)計須保證內(nèi)部器件的長期可靠性；2.在保證良好的均流散熱等性能的前提下，不同封裝形式內(nèi)部布局的設(shè)計須實現(xiàn)低雜散電感并避免內(nèi)部各器件的相互干擾。而模塊制造則是指根據(jù)特定的電路設(shè)計，將兩個或以上的IGBT芯片和其他芯片貼片到DBC板上，并用金屬線鍵合連接，然后進(jìn)行灌封或塑封，以滿足芯片、線路之間的絕緣、防潮、抗干擾等要求，最后將電路密封在絕緣外殼內(nèi)，并與散熱底板絕緣的工藝。不同下游應(yīng)用對封裝技術(shù)要求存在差異，其中車規(guī)級由于工作溫度高同時還需考慮強(qiáng)振動條件，其封裝要求高于工業(yè)級和消費(fèi)級

（2）與其他半導(dǎo)體不同的是，在封測與模塊上IGBT的技術(shù)壁壘極高并且擁有較高的毛利率。一般來說，所有的半導(dǎo)體核心工藝都有芯片設(shè)計、晶圓代工、封裝測試三個環(huán)節(jié)，相對來說芯片設(shè)計的附加值極高。但是，對于IGBT企業(yè)來說，IGBT封測與模塊是一個技術(shù)壁壘極高的工作，在高電壓、大功率的環(huán)境下，需要解決很多功能損耗、高溫度范圍、高壓高流等諸多復(fù)雜問題，某種程度上來說模塊設(shè)計也是體現(xiàn)企業(yè)的核心價值一部分，一般來說毛利率也相對較高。

3.1.2市場壁壘

客戶認(rèn)可度是IGBT廠商的主要市場壁壘。IGBT模塊是下游產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件，其性能表現(xiàn)、穩(wěn)定性和可靠性對下游客戶來說至關(guān)重要，下游客戶將供應(yīng)鏈安全穩(wěn)定作為所考慮首要因素，更傾向于和IGBT供應(yīng)商保持長期合作關(guān)系，一旦合作后客戶粘性大大提升，變更已有長期合作的供應(yīng)商的意愿較。IGBT模塊認(rèn)證周期較長，替換成本高，下游客戶會對于新入場的IGBT供應(yīng)商保持相對謹(jǐn)慎的態(tài)度，不僅要考慮供應(yīng)商的實力，產(chǎn)品還要經(jīng)過單機(jī)測試、整機(jī)測試、多次小批量試用等多個環(huán)節(jié)之后才會做出大批量采購決策，采購決策周期較長。IGBT模塊的驗證測試項目繁多，其中可靠性測試最為重要，是客戶關(guān)注度最高的性能指標(biāo)。

3.2海外龍頭主導(dǎo)IGBT市場

（1）從整個IGBT的產(chǎn)業(yè)鏈來看，核心環(huán)節(jié)幾乎都是海外企業(yè)為主，但在每一個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，我國均有企業(yè)在積極布局。IGBT的核心產(chǎn)業(yè)鏈中，我國有多個企業(yè)積極參與布局，主要分為Fabless、foundry、IDM三種運(yùn)作模式。IDM模式即垂直整合制造商，是指包含電路設(shè)計、晶圓制造、封裝測試、模塊等全環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)的企業(yè)模式；Fabless模式是芯片設(shè)計與銷售經(jīng)營模式，即企業(yè)自身專注于芯片設(shè)計與銷售，而將芯片制造外協(xié)給代工廠商生產(chǎn)制造的模式；Foundry模式主要負(fù)責(zé)制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)，根據(jù)客戶的產(chǎn)品設(shè)計，采購原材料來進(jìn)行加工制造。

海外龍頭企業(yè)多為IDM模式，如英飛凌、安森美等企業(yè)，國內(nèi)IDM模式的公司較少，絕大多數(shù)為上市公司，但在全球市場中占據(jù)一定的市場份額，如比亞迪半導(dǎo)、士蘭微、中車時代電氣等公司。國內(nèi)主流的芯片生產(chǎn)是采用Fabless的代工模式，典型公司有斯達(dá)半導(dǎo)、宏微科技等，而代工廠根據(jù)公司提供的工藝流程和設(shè)計版圖，生產(chǎn)出各項參數(shù)符合設(shè)計指標(biāo)的芯片，華虹宏力目前是國內(nèi)最先進(jìn)，最全面的半導(dǎo)體功率器件代工廠。

（2）全球IGBT市場呈現(xiàn)出集中度高，海外廠商英飛凌、富士電機(jī)、三菱這TOP3大企業(yè)占據(jù)了超過50%的市場份額。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，2021年全球IGBT單管市場中，中國大陸企業(yè)只有士蘭微進(jìn)入前十大廠商中，占據(jù)4%的市場份額；2021年全球IGBT模塊市場中，中國大陸只有斯達(dá)半導(dǎo)和中車時代進(jìn)入前十大廠商，分別占據(jù)3%和2%。國外巨頭英飛凌無論在單管還是模塊都處于絕對龍頭地位，而國內(nèi)廠商市場份額較低，且只在某一產(chǎn)品上具備競爭優(yōu)勢。國內(nèi)廠商和國外廠商存在差距的原因主要是國外廠商成立時間早，比如富士電機(jī)成立于1923年，三菱電機(jī)成立于1921年，技術(shù)積累豐富，同時與海外汽車、工控等大型企業(yè)合作十分緊密，在技術(shù)與生態(tài)上優(yōu)勢顯著。國內(nèi)的幾大廠商主要集中在1997—2005年，技術(shù)追趕較慢，產(chǎn)業(yè)資源十分稀缺，但國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)完成 0-1的技術(shù)突破,先從消費(fèi)級、工業(yè)級中低端產(chǎn)品入手逐步打開市場，目前已經(jīng)有一些企業(yè)帶來車規(guī)級高端

產(chǎn)品市場，隨著國產(chǎn)化不斷深入，國內(nèi)企業(yè)未來迎來加速發(fā)展期。

（3）國內(nèi)IGBT產(chǎn)量穩(wěn)步提升，國產(chǎn)化率長期不斷上升。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計，2023年中國IGBT產(chǎn)量有望快速增長達(dá)到3624萬只，自給率也將達(dá)到32.90%，近年來，隨著我國IGBT技術(shù)的不斷更新迭代，國產(chǎn)廠商逐步突破產(chǎn)能受限問題，加速產(chǎn)能布局，目前正處于國產(chǎn)替代的增長階段。

（4）全球海外IGBT企業(yè)大多是全球知名的芯片企業(yè)，歷史悠久，總體收入規(guī)模巨大。我們梳理了全球的IGBT龍頭企業(yè)，根據(jù)下表中的數(shù)據(jù)可以看出全球龍頭標(biāo)的的一些特征。全球IGBT龍頭企業(yè)均為知名芯片巨頭企業(yè)，這些龍頭企業(yè)營收規(guī)模都在幾百億上千億元，功率器件只占據(jù)業(yè)務(wù)的一部分，一方面因為功率器件規(guī)模相對有限，當(dāng)企業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模后會通過橫向發(fā)展、協(xié)同發(fā)展其他芯片賽道業(yè)務(wù)，另一方面也體現(xiàn)了功率器件與下游客戶綁定程度較深，具有半定制化的特征，很難形成寡頭壟斷格局。這也給國內(nèi)企業(yè)長期發(fā)展提供一定參考，創(chuàng)業(yè)期可以專注于功率器件、IGBT業(yè)務(wù)，后期成長發(fā)展可能也需要橫向發(fā)展與協(xié)同發(fā)展來擴(kuò)張企業(yè)規(guī)模。

3.3海外龍頭短期內(nèi)交貨周期與價格維持穩(wěn)定態(tài)勢

（1）全球半導(dǎo)體周期下行趨勢下，短期IGBT全球價格保持相對穩(wěn)定。2023年第二季度，海外主要IGBT廠商英飛凌及意法半導(dǎo)體交貨周期和價格保持平穩(wěn)態(tài)勢。交付貨期方面，與第一季度相比較，英飛凌貨期維持在39-50周，意法半導(dǎo)體維持47-52周；價格趨勢方面，英飛凌與意法半導(dǎo)體均環(huán)比持平?，F(xiàn)階段下游需求持續(xù)高景氣度，而上游海外廠商產(chǎn)能釋放有限，IGBT市場面臨短期內(nèi)供不應(yīng)求的狀態(tài)，這為國產(chǎn)企業(yè)提供了機(jī)遇。如今，本土IGBT產(chǎn)品性能已經(jīng)逐漸成熟，且部分產(chǎn)品性能可對標(biāo)海外IGBT大廠產(chǎn)品，加速國產(chǎn)化IGBT產(chǎn)品市場滲透，逐步切入高端市場，助力應(yīng)用新能源車與發(fā)電領(lǐng)域的IGBT市場保持向好態(tài)勢。

（2）國內(nèi)企業(yè)在全球規(guī)模較小，海外巨頭企業(yè)的價格是國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品定價的錨，短期內(nèi)國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品價格預(yù)計保持穩(wěn)定。由于國內(nèi)企業(yè)的規(guī)模普遍偏小，在全球不具備產(chǎn)品定價權(quán)，同類產(chǎn)品上多參考海外巨頭產(chǎn)品的價格，在此基礎(chǔ)上根據(jù)與客戶的協(xié)商定價。全球巨頭產(chǎn)品的價格有所調(diào)整，國內(nèi)企業(yè)價格理論上也會同方向上調(diào)整。2021年受到全球缺芯價格影響，國內(nèi)企業(yè)的功率器件產(chǎn)品大幅度漲價，2022年缺芯逐步緩解，價格企穩(wěn)下降，到目前為止，功率器件的供貨周期穩(wěn)定，價格相對穩(wěn)定。

3.4國內(nèi)廠商產(chǎn)能逐步釋放加速國產(chǎn)替代

國內(nèi)晶圓產(chǎn)能分布以代工廠產(chǎn)能占據(jù)主導(dǎo)，同時多家IDM廠商在自建產(chǎn)線上擴(kuò)產(chǎn)，生產(chǎn)的晶圓規(guī)格主要集中于6、8和12英寸上，12英寸難度較大產(chǎn)能相對較低。國內(nèi)生產(chǎn)IGBT芯片的企業(yè)主要有代工廠以及IDM模式的功率器件企業(yè)，我們從以下圖表可知，F(xiàn)abless、IDM、Foundry的企業(yè)都有擴(kuò)張產(chǎn)能計劃，按照面積初步估算國內(nèi)企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)后的總產(chǎn)能相比于目前產(chǎn)能增加幅度在50%以內(nèi)，并且產(chǎn)能規(guī)劃在1-3年內(nèi)完成，因此我國企業(yè)IGBT的總產(chǎn)能增加在全球?qū)Ρ葋砜匆廊徊桓?。產(chǎn)能增長后，企業(yè)的產(chǎn)能利用率也有一個爬坡期，最終的銷量到客戶也需要一個過程。此外，IGBT模塊與IPM模塊也需要相關(guān)的產(chǎn)線來制造，根據(jù)斯達(dá)半導(dǎo)與宏微科技的公告來看，模塊的產(chǎn)能增長相對更加簡單，但目前IGBT芯片的自給率都還有空間。綜合來看，我國IGBT芯片的產(chǎn)能擴(kuò)產(chǎn)相對積極，但總產(chǎn)能在全球占比依然不高，國產(chǎn)化空間依然較大。

審核編輯 黃宇