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1、功率器件行业分析：新能源车快速发展_车规级IGBT国产替代正当时1. IGBT 器件被誉为电力电子行业里的“CPU”，是现代电力电子产业的核心器件1.1. IGBT 基本情况电力电子技术是以电子（弱电）为手段去控制电力（强电）的技术，使电网的工频电能最终 转换成不同性质、不同用途的电能，以适应不同用电装臵的不同需求。电力电子技术以电子 学、电力学和控制论相互交叉结合为基础，研究电能的变换和利用，广泛应用于高压直流输 电、电力机车牵引、交直流转换、电加热、电解等各种领域中。电力电子器件是电力电子技术的核心。电力电子器件即功率半导体器件，也称为功率电子器 件，是进行功率处理的半导体器件。典型的功率
2、处理功能包括变频、变压、变流、功率放大、 功率管理等，是电力电子装臵的心脏。虽然功率器件在整台电力电子装臵中的价值通常不会 超过总价值的 20%-30%，但对整机的总价值、尺寸、总量、动态性能、过载能力、耐用性 和可靠性起着十分重要的作用。IGBT 是现代电力电子器件中的主导型器件，被誉为电力电子行业里的“CPU”。IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写，即绝缘栅双极型晶体管，是国际上公认的电力电 子技术第三次革命最具代表性的产品。IGBT 作为工业控制及自动化领域的核心元器件，能 够根据信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精
3、准调控的目的，被称 为现代电力电子行业里的“CPU”，广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、 家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等众多领域。IGBT 既有 MOSFET 的开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小 的优点，又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点，是电力电子领域较为理想的 开关器件。IGBT 可以看做由 BJT（双极型晶体管）和 MOSFET（金属氧化物半导体场效应 管）组成的复合功率半导体器件。BJT 即三极管，是电流驱动器件，基本结构是两个背靠背 的 PN 结，基极和发射极之间的 PN 结称为发射结，基极和集电极之间的 PN
4、 结称为集电结， 通过控制输入电压和基极电流可以使三极管出现电流放大或开关效应。MOSFET 是电压型驱 动器件，以常用的 N 沟道 MOS 管为例，通过在 P 型半导体上方加入金属板和绝缘板，即栅 极，在使用中保持源级和漏级电压不变，栅极加正电压，MOS 管呈导通状态，降低栅极电 压，MOS 管呈关闭状态。由于栅极所带来的电容效应，使得 MOS 管只需要很小的驱动功率即可实现高速的开关作用。BJT 通态压降小、载流能力大，但驱动电流小，MOSFET 驱动 功率小、快关速度快，但导通压降大、载流密度小。IGBT 可以等效为 MOS 管和 BJT 管的 复合器件，在保留 MOS 管优点的同时增加
5、了载流能力和抗压能力，自 20 世纪 80 年代末开 始工业化应用以来发展迅速，成为电力电子领域中最重要的功率开关器件之一，在 6500V 以 下的大功率高频领域逐渐取代了晶闸管和功率 MOSFET 器件。1.2. IGBT 的分类IGBT 在应用层面通常根据电压等级划分：低压 IGBT：指电压等级在 1000V 以内的 IGBT 器件，例如常见的 650V 应用于新能源汽 车、家电、工业变频等领域。中压 IGBT：指电压等级在 1000-1700V 区间的 IGBT 器件，例如 1200V 应用于光伏、 电磁炉、家电、电焊机、工业变频器和新能源汽车领域，1700V 应用于光伏和风电领域。高压
6、 IGBT：指电压等级 3300V 及以上的 IGBT 器件，比如 3300V 和 6500V 应用于高铁、 动车、智能电网，以及工业电机等领域。在产品层面通常根据封装方式分类：IGBT 单管：封装规模较小，一般指封装单颗 IGBT 芯片，电流通常在 50A 以下，适用于 消费、工业家电领域。IGBT 模块：是 IGBT 最常见的形式，将多个 IGBT 芯片集成封装在一起，功率更大、散 热能力更强，适用于高压大功率平台，如新能源车、主流光伏、高铁等。功率集成（IPM）：指把 IGBT 模块加上散热器、电容等外围组件，组成一个功能较为完 整和复杂的智能功率模块。1.3. IGBT 技术发展历程及
7、趋势IGBT 技术的整体发展趋势是大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化、高可靠性。 从 20 世纪 80 年代至今，IGBT 芯片经历了 7 代升级，从平面穿通型（PT）到沟槽型电场 截止型（FS-Trench），芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指 标经历了不断的优化，断态电压也从 600V 提高到 6500V 以上。第一代：PT-IGBT，使用重掺杂的 P+衬底作为起始层，在此之上依次生长 N+ buffer，N- base 外延，最后在外延层表面形成原胞结构，由于体内晶体结构本身原因造成“负温度系数”，各 IGBT 原胞通态压降不一致，不利于并联运行，第一代
8、 IGBT 电流只有 25A，且容量小速度 低，目前已基本退出市场。第二代：改进版 PT-IGBT，采用精细平面栅结构，增加一个“缓冲层”，在相同的击穿电压下 实现了更薄的晶片厚度，从而降低了 IGBT 导通电阻，降低了 IGBT 工作过程中的损耗，提 高了 IGBT 的耐压程度。第三代：Trench-IGBT，采用 Trench 结构，通过挖槽工艺去掉栅极下面的 JFET 区，把沟道 从表面变到垂直面，基区的 PIN 效应增强，栅极附近载流子浓度增大，提高了电导调制效应 减小了导通电阻，有效降低导通压降及导通损耗。第四代：NPT-IGBT，使用低掺杂的 N-衬底作为起始层，先在 N-漂移区的
9、正面做成 MOS 结 构，然后从背面减薄到 IGBT 电压规格需要的厚度，再从背面用离子注入工艺形成 P+集电 极，在截止时电场没有贯穿 N-漂移区，因此称为 NPT“非穿通”型 IGBT。可以精准的控制 结深而控制发射效率，尽可能地增快载流子抽取速度来降低关断损耗，保持基区原有的载流 子寿命而不会影响稳态功耗，同时具有正温度系数特点。第五代：FS-IGBT，采用先进的薄片技术并且在薄片上形成电场终止层，大大的减小了芯片 的总厚度，使得导通压降和动态损耗都有大幅的下降，从而进一步降低 IGBT 工作中过程中 的损耗。第六代：FS-Trench-IGBT，是在第五代基础上改进沟槽栅结构，进一步增
10、加芯片的电流导通 能力，优化芯片内的载流子浓度和分布，减小了芯片的综合损耗。第七代：微沟槽栅-场截止型 IGBT，沟槽密度更高，原胞间距也经过精心设计，并且优化了 寄生电容参数，从而实现 5kv/us 下的最佳开关性能。总体而言，不同代际升级趋势为升高耐压成都，降低开关损耗，在结构上大体表现在以下两 方面：栅极结构方面：早期 IGBT 是平面栅结构，随着 Trench（干法刻槽）工艺的成熟，将平面型 栅极结构变成垂直于芯片表面的沟槽型结构，IGBT 的本质是通过控制栅极与发射级之间的 电压大小，从而实现对 IGBT 导通和截止状态的控制。当栅极-发射级电压0 时，IGBT 呈 关断状态，当集电
11、极-发射级电压0 且栅极-发射级电压阈值电压，IGBT 呈导通状态。沟 槽型结构单元面积小、电流密度大、通态损耗降低约 30%，击穿电压更高。纵向结构方面：早期是穿通型（PT）和非穿通型（NPT）结构。PT IGBT 是最早商业化生产 的 IGBT，随着使用应用中电压等级越来越高，对 NPT 结构的基区宽带要求越来越宽，又有 了在高压领域向穿通结构的回归。2. 国内空间广阔，海外巨头占据垄断地位2.1. 国内 IGBT 模块百亿级市场空间，占全球 40%以上根据英飞凌年报，2019 年英飞凌模块产品全球市占率 35.6%，斯达半导 2.5%，英飞凌 IGBT 器件产品市占率 32.5%，士兰微
12、 2.2%。2019 年斯达半导 IGBT 模块营业收入 7.6 亿元，士 兰微 IGBT 器件营业收入约 1 亿元，由此可推算 2019 年全球 IGBT 模块市场规模约 300 亿 元，IGBT 器件市场规模约 45 亿元。根据 ASMC 研究显示，全球 IGBT 市场规模预计在 2022 年达到 60 亿美元，全球 IGBT 市场 规模在未来几年时间仍将继续保持稳定增长的势头。根据中国产业信息网和头豹研究院数据 整理，2014 年，我国 IGBT 行业市场规模为 79.8 亿元，预测到 2020 年，我国 IGBT 行业将 实现 197.7 亿元的收入，年复合增长率达 16.32%。预计
13、到 2023 年中国 IGBT 行业整体市场 规模有望达到 290.8 亿元，市场前景广阔。根据 Yole 预测，2024 年我国行业 IGBT 产量预 期达到 0.78 亿只，需求量达到 1.96 亿只，仍存在巨大供需缺口。IGBT 市场长期被英飞凌、富士电机等海外公司垄断，英飞凌占据绝对领先的地位。2019 年 英飞凌模块产品全球市占率 35.6%，器件产品全球市占率 32.5%，IGBT 模块领域国内斯达 半导是唯一进入前十的企业，市占率 2.5%，IGBT 器件领域国内士兰微是唯一进入前十的企 业，市占率 2.2%。国内产品供需不平衡，“”将是未来 IGBT 行业发展的主要方向。2.2
14、. 工控领域及电源行业支撑 IGBT 稳定发展IGBT 模块是变频器、逆变焊机、UPS 电源等传统工业控制及电源行业的核心元器件，根据 集邦咨询数据，2019 年全球工控市场 IGBT 市场规模约为 140 亿元，中国工控市场 IGBT 市 场规模约为 30 亿元。由于工控市场下游需求分散，工控 IGBT 市场需求较为稳定，假设未 来每年保持 3%的规模增速，预计到 2025 年全球工控 IGBT 市场规模将达到 167 亿元。变频器行业：据前瞻产业研究院测算，我国变频器行业的市场规模整体呈上升态势，从 2012 年至 2019 年，中国变频器行业规模除 2015 年有小幅度下降以外，其余年份
15、均处于稳步增 长状态。2019 年我国变频器行业的市场规模达到 495 亿元，相比 2018 年增长 4.7%。在一 系列节能环保政策的指引下，预计未来 5 年内，变频器将在电力、冶金、煤炭、石油化工等 领域将保持稳定增长，在市政、轨道交通、电梯等领域需求进一步增加，从而促进市场规模 扩大，未来几年整体增幅将保持在 10%左右，到 2025 年，变频器市场规模将达到 883 亿。 变频器靠内部 IGBT 的开关来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所 需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，变频器产业的快速发展势必导致 IGBT 需求 提升。逆变式弧焊电源，又称弧焊逆变器，是
16、一种新型的焊接电源。这种电源一般是将三相工频（50 赫兹）交流网路电压，先经输入整流器整流和滤波，变成直流，再通过 IGBT 模块的交替开 关作用，逆变成几千赫兹至几万赫兹的中频交流电压，同时经变压器降至适合于焊接的几十 伏电压，后再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。根据国家统计局数据，2020 年我国电焊机产量为 1108.93 万台，同比 2019 年增加了 158.87 万台。UPS 电源系统，IGBT 被广泛应用于不间断电源系统(UPS)的设计中，数据显示，1200V/100A IGBT 的导通电阻为同规格耐压功率 MOSFET 的 1/10，开关时间为同规格 GTR 的
17、1/10。据 QYR 电子研究中心统计， 2018 年全球不间断电源（UPS）市场价值为 105.37 亿美元，预 计到 2025 年底将达到 139.66 亿美元。2.3. 家电行业是 IGBT 器件的稳定市场变频空调、冰箱、洗衣机的核心控制部件是变频控制器，它承担了电机驱动、PFC 功率校正 以及相关执行器件的变频控制功能。而变频控制器很重要的一环就是 IPM 模块，IPM 将功率 器件芯片（IGBT+FRD 或高压 MOSFET）、控制 IC 和无源元件等这些元器件高密度贴装封 装在一起，通过 IPM，MCU 就能直接高效地控制驱动电机，配合白家电实现低能耗、小尺 寸、轻重量及高可靠性的
18、要求。中国作为全球最大的家电市场和生产基地，IPM 的应用潜力十分强劲。以空调行业为例，根 据产业在线的数据，2020 年我国变频空调销量达 7485 万台，同比增长 10.02%，并且未来 变频空调有望在空调市场进一步渗透，面向变频空调应用的 IGBT 的市场空间将十分广阔。 同时，作为变频白色家电的另外两大市场，变频冰箱和变频洗衣机市场增速显著。2020 年， 中国变频冰箱销量为 2507 万台，同比增长 26.38%，中国变频洗衣机销量为 2627 万台，同 比增长 0.91%。从 IPM 需求量看，空调对 IPM 需求量最高，2018 年达 1.3 亿块，冰箱达 2000 多万块，洗
19、衣机为 1600 多万块。分不同家电来看，变频冰箱会使用 5-10A 的 IPM，单个价值量在 1 美 金左右；变频洗衣机会使用 10A 左右的 IPM，单个价值量在 2-3 美金；变频空调会使用 15-30A 的 IPM，平均价值量约为 4-5 美金，由此可测算出 2018 年家电 IPM 市场空间为 5 亿美金左 右市场规模，随着变频家电渗透率的逐渐提升，市场空间会进一步扩大。2.4. 新能源发电为 IGBT 带来持续发展动力目前新能源发电以光伏和风力发电为主，以光伏发电为例，在太阳光照射下太阳能电池阵列 产生电能输出直流电，但输出的电能不符合电网要求，需通过逆变器将其整流，再逆变成符 合
20、电网要求的交流电后输入并网。以往光伏发电系统是采用 MOSFET 构成的逆变器，然而 随着电压的升高，MOSFET 会因其通态电阻过大而导致增加开关损耗，IGBT 因其通态电流 大、耐压高、电压驱动等特点，在中、高压容量的系统中更具优势，在实际项目中 IGBT 已 逐渐取代 MOSFET 作为光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件，新能源发电行业的迅速 发展将成为 IGBT 行业持续增长的全新动力。根据国际能源机构 IEA 数据显示，2019 年全球光伏新增装机 115GW，目前集中式光伏逆变 器成本在 0.16-0.17 元/W，组串式光伏逆变器成本在 0.2 元/W 左右，总体光伏逆变器成本
21、在 0.2 元/W 左右。根据行业调研数据，IGBT 模块占光伏逆变器总成本比例约为 10%，即光伏 IGBT 模块价值量约为 0.02 元/W。由此可测算出，2019 年全球光伏 IGBT 价值量为 23 亿元，据欧洲光伏产业协会预测,全球光伏装机量未来 5 年将保持 15%以上的复合增速，假设光伏 逆变器出货量每年保持 15%增长，预计到 2025 年全球光伏 IGBT 市场规模将达到 53 亿元。国内逆变器厂商在全球光伏市场上持续突破，据 Solaredge 数据，2018 年华为在全球逆变 器市场的份额达 22%。据阳光电源 2020 年报披露，公司 2015 年起出货量首次超越连续多
22、 年排名全球发货量第一的欧洲公司，销售收入 7.51 亿元，全球市占率 27%，已批量销往德 国、意大利、澳大利亚、美国、日本、印度等 150 多个国家和地区，国内光伏逆变器厂商的 快速发展也为国产 IGBT 替代带来更多产品应用的机会。3. 新能源车的快速发展给 IGBT 带来巨幅增量3.1. IGBT 是新能源车动力系统核心中的核心新能源车的制动原理是利用电磁效应驱动电机转动，IGBT 优异的开关特性可以实现交直流 转换、电压转换和频率转换几个核心功能，电动车充电时，通过 IGBT 将外部电源转变成直 流电，并把外部 220V 电压转换成适当的电压给电池组充电。电动车制动时，通过 IGBT
23、 把 直流电转变成交流电机使用的交流电，同时精确调整电压和频率，驱动电动车运动。一台车的加速能力、最高时速、能源效率主要看车规级功率器件的性能，硅基 IGBT 作为主 导型功率器件，在新能源车中应用于电动控制系统、车载空调系统、充电桩逆变器三个子系 统中，约占整车成本的 7%-10%，是除电池以外成本第二高的元件，也是决定整车能源效率 的关键器件。新能车市场销量：根据中汽协发布的数据统计，2019 年新能源车新产销分别完成 124.2 万 辆和 120.6 万辆，其中绝大部分为纯电动汽车，产销为 102 万辆和 97.2 万辆，插电式混合 动力汽车产销为 22.0 万辆和 23.2 万辆，20
24、20 年国内新能源车销量为 136.7 万辆。2021 年 5 月，新能源汽车产销环比略增，同比继续保持高速增长，产销均为 21.7 万辆，环比增长 0.5%和 5.4%，同比增长 1.5 倍和 1.6 倍。单台新能源车用量：电动汽车单车 IGBT 的价格在 A00 级车的主控 IGBT 模块价值量 800-1000 元，A 级车 1500 左右，混动车在 2000 元左右，再综合空调、充电等部分，平均 电动汽车单车 IGBT 价值量为 1000-4000 不等。根据 Yole 的统计，2016 年全球电动车 IGBT 管用量约为 9 亿美元，单车的 IGBT 管用量约为 450 美元。新能源
25、车 IGBT 市场空间推算：据 IDC 预计，受政策推动等因素的影响，中国新能源汽车市 场将在未来 5 年迎来强劲增长，2020 年至 2025 年的年均复合增长率（CAGR）将达到 36.1%， 假设单台车 IGBT 用量 3000 元左右来预估，至 2025 年，国内新能源车 IGBT 模块市场规模 为 191 亿左右。3.2. 车规级 IGBT 性能要求更加严苛对于新能源车用 IGBT 而言，一方面由于道路复杂性，车辆行驶中会受到较大的震动和冲击， 对 IGBT 强度要求较高，另一方面由于汽车频繁启停会引起 IGBT 结温上升，对散热提出了 更高的要求。针对车规级 IGBT 模块的特殊要
26、求，IGBT 技术正朝着小型化、低功耗、耐高温、高安全和智 能化的方向发展，以富士电机新能源车用 IGBT 产品为例，重点考虑以下几方面的设计：小型化：由于需要在汽车有限的空间内安装高压蓄电池、电力转换装臵、电机等，因此 电力转换装臵中使用的 IGBT 模块要尽可能实现小型化。散热快：采用第三代直接水冷结构，加快散热片之间的冷却液流动速度，大幅降低热阻。低损耗：优化场截止结构，降低导通电压和开关损耗，优化沟槽栅级结构，使得在关断 动作器件，电子和空穴更容易进行迁移，提高开关速度的可控性，降低损耗。集成芯片传感器：将电流传感器、温度传感器和 IGBT 芯片集成于一个芯片上，实时监 视 IGBT
27、工作时的电流和温度。采用高强度焊接材料：考虑到车用半导体多在恶劣环境下使用，特别是因温度循环产生 的应力导致连接绝缘基板和散热底座的焊接部分出现裂痕后悔引起热阻上升和芯片异常 发热从而导致 IGBT 模块损坏，产品采用高强度焊接材料，抑制裂痕扩展。3.3. 车规级 IGBT 市场国外厂商依旧占据垄断地位，国内厂商力求突破目前国内车规级 IGBT 市场仍旧由国外厂商占据垄断地位，三菱电机生产的 IGBT 已经成为 业内默认的标准，中国的高速机车用 IGBT 由三菱完全垄断，同时欧洲的阿尔斯通、西门子、 庞巴迪也是一半以上采用三菱电机的 IGBT，除日系厂家，英飞凌包揽了几乎所有电动车的 IGBT
28、，例如特斯拉 Model X 使用的 132 个 IGBT 管都由英飞凌提供。由于 IGBT 行业存在技术门槛较高、人才匮乏、市场开拓难度大、资金投入较大等困难，国 内企业在产业化进程中一直进展缓慢。随着全球制造业向中国的转移，中国已逐渐成为全球 最大的 IGBT 市场，IGBT 国产化需求已是刻不容缓。在市场需求的吸引下，一批具备 IGBT 相关经验的海外华人归国投身 IGBT 行业，同时国家大量资金流入 IGBT 行业，我国 IGBT 产业化水平有了一定提升，部分企业已经实现量产。例如斯达半导，作为国内 IGBT 行业的 领军企业，自主研发的第二代芯片（国际第六代芯片 FS-Trench）已实现量产，成功打破国 外跨国企业长期以来对 IGBT 芯片的垄断。报告链接：功率器件行业分析：新能源车快速发展，车规级IGBT国产替代正当时