IGBT總覽：為什么稱之為電力電子行業(yè)的“CPU”

來源：旺材芯片?

01、功率半導(dǎo)體電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心?
功率半導(dǎo)體是電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心。功率半導(dǎo)體是一?種廣泛用于電力電子裝置和電能轉(zhuǎn)換和控制電路的半導(dǎo)體元件，可通過半?導(dǎo)體的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)電源開關(guān)和電力轉(zhuǎn)換的功能。?
功率半導(dǎo)體具有能夠支持高電壓、大電流的特性，主要用途包括變?頻、整流、變壓、功率放大、功率控制等。除保障電路正常運(yùn)行外，因其?能夠減少電能浪費(fèi)，功率半導(dǎo)體還能起到節(jié)能、省電的作用。

圖表1.?功率半導(dǎo)體原理

圖表2.?功率半導(dǎo)體功能

02、功率半導(dǎo)體=功率器件+功率 IC?
功率半導(dǎo)體按器件集成度可以分為功率分立器件和功率 IC?兩大類。功率分立器件包括二極管、晶體管和晶閘管三大類，其中晶體管市場?規(guī)模最大，常見的晶體管主要包括 IGBT、MOSFET、BJT（雙極結(jié)型晶體?管）。
功率 IC?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，是系統(tǒng)信號處理部分和執(zhí)行部分的橋?梁。

圖表3.?功率半導(dǎo)體產(chǎn)品范圍示意圖

03、IGBT：電力電子行業(yè)的“CPU”?
兼具 MOSFET?及 BJT?兩類器件優(yōu)勢，IGBT?被稱為電力電子行業(yè)的 “CPU”。IGBT?全稱絕緣柵雙極晶體管，是由 BJT(雙極型三極管)和 MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。?
IGBT?具有電導(dǎo)調(diào)制能力，相對于 MOSFET?和雙極晶體管具有較強(qiáng)的?正向電流傳導(dǎo)密度和低通態(tài)壓降，因此兼具有 MOSFET?的高輸入阻抗 MOSFET?器件驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、BJT?器件飽和壓降低、電流密度?高和 GTR?的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。

圖表4：3種類型英飛凌 IGBT?結(jié)構(gòu)示意圖

圖表 5. IGBT?結(jié)構(gòu)圖

04、IGBT發(fā)展史歷經(jīng)七代技術(shù)演進(jìn)，產(chǎn)品性能逐代提升
歷時(shí)超 30?年，IGBT?已經(jīng)發(fā)展至第七代，各方面性能不斷優(yōu)化。目前?為止，IGBT?芯片經(jīng)歷了七代升級：襯底從 PT?穿通，NPT?非穿通到 FS?場?截止，柵極從平面到 Trench?溝槽，最后到第七代的精細(xì) Trench?溝槽。?
隨著技術(shù)的升級，芯片面積、工藝線寬、通態(tài)功耗、關(guān)斷時(shí)間、開關(guān)?功耗均不斷減小，斷態(tài)電壓由第一代的600V升至第七代7000V。

圖表 6. IGBT?技術(shù)演進(jìn)

圖表 7. IGBT?芯片技術(shù)發(fā)展

05、下游應(yīng)用新能源汽車、軌交等新興領(lǐng)域打開市場空間
低壓 IGBT?多用于消費(fèi)、汽車、家電領(lǐng)域，中高壓 IGBT?多用于軌?交、智能電網(wǎng)領(lǐng)域。IGBT?下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，按電壓等級劃分，超低壓?（400-500V）IGBT?主要應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，低壓（600-1350V）IGBT?多應(yīng)用于電動(dòng)汽車、新能源、智能家電領(lǐng)域，中壓（1400-2500V）IGBT?多應(yīng)用于軌道交通、新能源發(fā)電領(lǐng)域，高壓（2500-6500V）IGBT?多應(yīng)用?于軌道牽引、智能電網(wǎng)領(lǐng)域。?
目前，IGBT?作為新型功率半導(dǎo)體器件的主流器件，其應(yīng)用領(lǐng)域包含?工業(yè)、 4C（通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車電子）等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以?及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

圖表8. IGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域

圖表9. IGBT?芯片技術(shù)發(fā)展

06、市場規(guī)模2022?年全球 IGBT?市場規(guī)模有望達(dá)到 57?億美元
2017-2022?年全球 IGBT?市場規(guī)模 CAGR?達(dá) 7.04%，中國市場主要應(yīng)?用包括新能源汽車、工控、消費(fèi)電子。受益于工業(yè)控制及電源行業(yè)市場的?逐步回暖，以及下游的變頻家電、新能源汽車等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，全球及?中國 IGBT?市場規(guī)模持續(xù)增長。根據(jù) WSTS?數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì) 2022?年全球 IGBT?市場規(guī)模將達(dá)到近 57?億美元，2017-2022?年 CAGR?達(dá)到 7.04%。?
從下游應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模占比來看，2020?年中國 IGBT?市場應(yīng)用以新能源?汽車、工業(yè)控制及消費(fèi)電子類為主，占比分別為 30%、27%及 22%。

圖表10.?全球 IGBT?市場規(guī)模（單位：億美元）?

圖表11. 2020?年中國 IGBT?市場下游應(yīng)用占比

07、市場格局海外大廠占據(jù)主要市場，中國企業(yè)追趕空間大?
IGBT?市場英飛凌市占率全面領(lǐng)先，2020?年斯達(dá)半導(dǎo)躋身 IGBT?模塊?市場前六。根據(jù) Omdia?數(shù)據(jù)，2020?年 IGBT?分立器件市場及 IGBT?模塊市?場規(guī)模前三的企業(yè)均為英飛凌、富士電機(jī)及三菱。其中英飛凌 IGBT?市場?市占率全面領(lǐng)先，IGBT?分立器件和 IGBT?模塊的市占率分別為 29.3%和 36.5%。
在 IGBT?分立器件市場中，中國企業(yè)士蘭微進(jìn)入全球前十，2020?年市?場份額為 2.6%；在 IGBT?模塊市場中，2020?年斯達(dá)半導(dǎo)躋身全球第六，市?場份額為 3.3%。

圖表12. 2020?年全球 IGBT?分立器件市場格局

圖表13. 2020年全球 IGBT?模塊市場格局

08、國內(nèi)外重點(diǎn)公司布局情況
（1）中國 IGBT?產(chǎn)業(yè)鏈

圖表15.?中國 IGBT?產(chǎn)業(yè)鏈

①斯達(dá)半導(dǎo)：國內(nèi) IGBT?龍頭企業(yè)，全球 IGBT?模塊市占率第六
嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司成立于 2005?年 4?月，主要從事功率半?導(dǎo)體芯片和模塊尤其是 IGBT?芯片和模塊研發(fā)、生產(chǎn)和銷售服務(wù)的國家級?高新技術(shù)企業(yè)。公司在全球 IGBT?模塊市場市占率為 3.3%，全球排名第?六，國內(nèi)排名第一，是國內(nèi) IGBT?領(lǐng)軍企業(yè)。?
公司的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和電源、可再生能源、新能源汽車、?白色家電等領(lǐng)域。?
2021?年前三季度，公司實(shí)現(xiàn)營收 11.97?億元，同比增長 79.11%，歸母?凈利潤 2.67?億元，同比增長 98.71%。

圖表16.?斯達(dá)半導(dǎo)發(fā)展歷程?

斯達(dá)半導(dǎo)在中高壓 IGBT?產(chǎn)品全面布局，定增加碼車規(guī) SiC?芯片研發(fā)。公司第六代 FS-Trench 650V/750V IGBT?芯片及在新能源汽車行業(yè)使用?比率持續(xù)提升；1200V IGBT?芯片在 12?寸產(chǎn)線上開發(fā)成功并開始批量生產(chǎn); 1700V IGBT?芯片及配套的快恢復(fù)二極管芯片在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)、高壓變頻?器行業(yè)規(guī)?；b機(jī)應(yīng)用。?
汽車級 IGBT?模塊合計(jì)配套超過 20?萬輛新能源汽車；同時(shí)，公司在?車用空調(diào)，充電樁等領(lǐng)域的布局將助力公司在新能源汽車半導(dǎo)體市場占有?率進(jìn)一步提高。?
2021?年公司發(fā)布增發(fā)預(yù)案，募集資金總額不超過 35?億元，主要用于?高壓特色工藝功率芯片及 SiC?芯片的研發(fā)。未來，公司將持續(xù)加大在下一代IGBT芯片、車規(guī)級 SiC?芯片以及 3300V-6500V?高壓 IGBT?的研發(fā)力度。

圖表17.各類 IGBT?產(chǎn)品應(yīng)用

②時(shí)代電氣：軌交電氣龍頭，高壓 IGBT?產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代?
中車時(shí)代電氣是中國中車旗下股份制企業(yè)。公司于 2006?年在香港聯(lián)?交所主板上市，2021?年科創(chuàng)板上市，實(shí)現(xiàn) A+H?股兩地上市。?
功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，公司建有 6?英寸雙極器件、8?英寸 IGBT?和 6?英寸?碳化硅的產(chǎn)業(yè)化基地，擁有芯片、模塊、組件及應(yīng)用的全套自主技術(shù)。公?司全系列高可靠性 IGBT?產(chǎn)品打破了軌道交通核心器件和特高壓輸電工程?關(guān)鍵器件由國外企業(yè)壟斷的局面。目前正在解決新能源汽車核心器件自主?化問題。
2021?年前三季度公司實(shí)現(xiàn)營收 85.3?億元，同比下降 13.7%。歸母凈利?潤 12.02?億元，同比下降 19.7%。

圖表18.?時(shí)代電氣發(fā)展歷程

公司的產(chǎn)品包括 IGBT?芯片、 IGBT?模塊、雙極功率組件、晶閘管、 IGCT、 SiC SBD、SiC MOSFET、SiC?模塊等。在 IGBT?領(lǐng)域，公司產(chǎn)品?已從 650V?覆蓋至 6500V，在電壓范圍上可完美對標(biāo)英飛凌。公司高壓 IGBT?產(chǎn)品大量應(yīng)用于我國軌交核心器件領(lǐng)域；中低壓 IGBT?產(chǎn)品主要應(yīng)用?于新能源汽車領(lǐng)域，目前公司最新一代產(chǎn)品已向包括一汽、長安在內(nèi)的國?內(nèi)多家龍頭汽車整車廠送樣測試驗(yàn)證，未來看好公司車規(guī)級 IGBT?發(fā)展。

圖表19.?時(shí)代電氣功率產(chǎn)品應(yīng)用

③士蘭微：產(chǎn)能持續(xù)落地，產(chǎn)品高端化進(jìn)程順利?
士蘭微成立于 1997?年 9?月，2003?年 3?月公司在上交所上市。目前已?發(fā)展成為國內(nèi)規(guī)模最大的集成電路芯片設(shè)計(jì)與制造一體（IDM）的企業(yè)之?一。公司被國家發(fā)展和改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部等國家部委認(rèn)定為 “國家規(guī)劃布局內(nèi)重點(diǎn)軟件和集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)”，且陸續(xù)承擔(dān)了國家科技?重大專項(xiàng)“01?專項(xiàng)”和“02?專項(xiàng)”多個(gè)科研專項(xiàng)課題。?
公司主要產(chǎn)品包括集成電路、半導(dǎo)體分立器件、LED（發(fā)光二極管）?產(chǎn)品。公司擁有 5、6、8?英寸芯片生產(chǎn)線和正在建設(shè)的 12?英寸芯片生產(chǎn)?線和先進(jìn)化合物芯片生產(chǎn)線。產(chǎn)品方面，公司完成了國內(nèi)領(lǐng)先的高壓BCD、超薄片槽柵 IGBT、超結(jié)高壓 MOSFET、高密度溝槽柵 MOSFET、?快恢復(fù)二極管、 MEMS?傳感器等工藝的研發(fā)，形成了較完整的特色工藝制?造平臺。
2020?年 MOSFET?市場公司排名全球第十，中國大陸第三，市占率 2.2%。IGBT?分立器件市場公司排名全球第十，中國大陸第一，市占率 2.6%。
2021?年前三季度營收 52.22?億元，同比增長 76.18%；實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤 7.28?億元，同比增長 1543.4%?。

圖表20.?士蘭微發(fā)展歷程

④華潤微：國內(nèi)功率 IDM?龍頭，積極布局第三代半導(dǎo)體?
華潤微成立于 2003?年，自 2004?年起連續(xù)被工信部評為中國電子信息?百強(qiáng)企業(yè)。公司是國內(nèi)領(lǐng)先的掌握芯片設(shè)計(jì)、制造、封測一體化運(yùn)營能力?的 IDM?企業(yè)。?
主營產(chǎn)品包括MOSFET?、IGBT?、FRD?、SBD等功率器件。在MOSFET領(lǐng)域中，公司是國內(nèi)少數(shù)能夠提供100V至1500V范圍內(nèi)低、中、高壓全系列 MOSFET產(chǎn)品的企業(yè)。同時(shí)，公司成功研發(fā)1200V和650VSiC肖特基二極管產(chǎn)品。此外，公司國內(nèi)首條6英寸商用SiC?晶圓生產(chǎn)線正式量產(chǎn)。?
2020年MOSFET市場公司排名全球第八，中國大陸第一，市占率達(dá)到3.9%。?
2021年前三季度營收69.28億元，同比增長41.70%；實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤16.84億元，同比增長145.20%?。

圖表21.?華潤微發(fā)展歷程

⑤新潔能：全面布局 MOS、IGBT?產(chǎn)品，設(shè)計(jì)龍頭技術(shù)高端?化優(yōu)勢明顯?
新潔能成立于 2013?年，目前已成長為國內(nèi) 8?英寸及 12?英寸芯片投片?數(shù)量最大的功率半導(dǎo)體公司之一，公司連續(xù)四年名列“中國半導(dǎo)體功率器?件十強(qiáng)企業(yè)”。?
目前公司已經(jīng)掌握 MOSFET、IGBT?等多款產(chǎn)品的研發(fā)核心技術(shù)。是?國內(nèi)最早同時(shí)擁有溝槽型功率 MOSFET、超結(jié)功率 MOSFET、屏蔽柵功率 MOSFET?及 IGBT?四?大?產(chǎn)?品?平?臺?的?本?土?企?業(yè)?之?一?。產(chǎn)?品?電?壓?覆?蓋 12V~1700V?的全系列產(chǎn)品，是國內(nèi) MOSFET、IGBT?等半導(dǎo)體功率器件市?場占有率排名領(lǐng)先的企業(yè)。此外，公司在 SiC/GaN?第三代半導(dǎo)體器件亦有?所布局。
2021?年前三季度公司營收 10.99?億元，同比增長 65%，歸母凈利潤 3.11?億元，同比增長 208%。

圖表22.?新潔能發(fā)展歷程

⑥揚(yáng)杰科技：產(chǎn)品高端化布局開啟第二成長曲線?
揚(yáng)州揚(yáng)杰電子科技股份有限公司成立于 2006?年，于 2014?年 1?月 23?日?在深交所上市。公司是國內(nèi)少數(shù)集半導(dǎo)體分立器件芯片設(shè)計(jì)制造、封裝測?試、終端銷售與服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈垂直一體化（IDM）的杰出廠商。公司已連?續(xù)數(shù)年入圍"中國半導(dǎo)體功率器件十強(qiáng)企業(yè)"前三強(qiáng)。?
公司主營產(chǎn)品為包括分立器件芯片、整流器件、保護(hù)器件、小信號、MOSFET、IGBT?等。其中二極管、整流橋類產(chǎn)品在國內(nèi)占據(jù)領(lǐng)先地位。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子、安防、工控、汽車電子、新能源、家電等領(lǐng)?域。
IGBT：8?英寸工藝的 1200V Trench FS IGBT?芯片及對應(yīng)模塊開始風(fēng)險(xiǎn)?量產(chǎn)，IGBT?高頻系列模塊、IGBT?變頻器系列模塊等也取得批量訂單。MOSFET?：公司持續(xù)優(yōu)化提高 Trench MOSFET?和 SGT MOS?系列產(chǎn)品性?能，擴(kuò)充產(chǎn)品品類。
公司 2021?年前三季度公司營收 32.41?億元，同比增長 75.76%，歸母?凈利潤 5.65?億元，同比增長 115.17%。

圖表23.?揚(yáng)杰科技發(fā)展歷程

⑦聞泰科技：以半導(dǎo)體為核心，安世引領(lǐng)國產(chǎn)功率半導(dǎo)體?
聞泰科技于 2006?年創(chuàng)立，2008?年主營業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級為 ODM，2016?年借殼中茵股份“曲線上市”。2018?年收購功率半導(dǎo)體 IDM?企業(yè)安世半?導(dǎo)體打通了產(chǎn)業(yè)鏈上下游從芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、半導(dǎo)體封裝測試全流?程，并擁有自建模具廠和完善的智能化生產(chǎn)線。?
安世半導(dǎo)體是全球領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體制造商。據(jù)安世數(shù)據(jù)顯示，公司?全球整體市占率達(dá)到 8.4%，其中在小信號二極管和晶體管、ESD?保護(hù)器?件全球排名第一，PowerMOS?汽車領(lǐng)域、邏輯器件全球排名第二，小信號 MOSFET?排名第三。?
2021?年前三季度公司營業(yè)收入 386.5?億元，同比增長 0.8%。歸母凈利?潤 20.4?億元，同比下降 9.64%。

圖表24.?聞泰科技發(fā)展歷程

業(yè)務(wù)方面，公司主要業(yè)務(wù)為通信（ODM）、半導(dǎo)體、光學(xué)模組業(yè)務(wù)。其中公司在收購安世半導(dǎo)體后，經(jīng)營整合的協(xié)同效應(yīng)逐步顯現(xiàn)。未來，公?司將以半導(dǎo)體業(yè)務(wù)為核心，完成產(chǎn)能、產(chǎn)品中遠(yuǎn)期布局，同時(shí)打造半導(dǎo)體?與產(chǎn)品集成業(yè)務(wù)創(chuàng)新互動(dòng)的協(xié)同格局，業(yè)績實(shí)現(xiàn)放量增長。2020?年公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)營收 98.92?億元，同比增長 522%，營收占比提升至 19%。?
產(chǎn)能方面，公司在全球各地設(shè)有工廠，其中今年完成了對英國 NEWPORT?廠的收購，月產(chǎn)能增加3.2萬片8寸等效晶圓。同時(shí)，在上海臨港新建的12寸晶圓廠目前建設(shè)進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)明年三季度投片，年產(chǎn)能達(dá)40萬片12寸晶圓。
產(chǎn)品方面，公司目前超100V的MOSFET?料號數(shù)超過100種，IGBT?第一批料號目前也已進(jìn)入流片階段。

圖表25.?聞泰科技&安世半導(dǎo)體產(chǎn)能

封面圖片來源：旺材芯片

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審核編輯：符乾江