IGBT的迭代及应用 | 科技专题

IGBT即绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,其兼具MOSFET(金氧半场效晶体管)输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快和BJT(双极结型晶体管)通态电流大、导通压降低、损耗小等优点,被称作电力电子装置的“CPU”。

IGBT主要的作用在于让直流电和交流电之间相互转化,在新能源汽车、光伏风电、变频白电、智能电网、轨道交通、航空航天等需求快速拉伸、行业快速发展的背景下,IGBT凭借优异的性能逐渐成为功率半导体器件中最具成长性的新兴产业之一。

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IGBT的迭代

自20世纪80年代末开始工业化后,IGBT得以迅速发展,且随着下游终端功能需求的不断升级以及应用需求的不断提升,IGBT的性能也在随之迭代与优化。

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图片来源:东吴证券

其中,IGBT的技术发展和迭代方向主要体现在如下方面:(1)降低导通损耗;(2)降低开关损耗;(3)提高电流密度;(4)提高阻断电压;(5)减少半导体材料用量(即在电压和电流等级一定的情况下,降低芯片厚度和减小芯片面积,以此达到降本的目的);(6)提升结温;(7)扩展安全工作区。

基于此,IGBT芯片已经发展至第7代技术,即从最早的平面穿通型(PT)迭代至2018年的精细沟槽栅场截止型,在这一技术迭代的过程中,IGBT芯片的各项技术指标如芯片面积、工艺线宽、导通压降、关断时间、功率损耗以及断态电压等均在不断进行优化。IGBT行业绝对龙头英飞凌即是如此。

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图片来源:东吴证券

根据Yole数据,2020年IGBT行业CR3达50%,其中英飞凌作为行业绝对龙头,其市占率达27%。由于IGBT在芯片设计、芯片制造以及模组封装等环节都有非常高的技术要求和工艺要求,因此其进入门槛非常高。目前,我国在IGBT方面的自给率仍然较低,且增速相对较慢,根据Yole数据,2015年国内自给率为10%、2019年国内自给率仅12%。

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IGBT的应用

根据产品类型的不同,IGBT可分为单管、IPM和模块。其中,IGBT单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器、小功率变频器;IPM模块主要应用于白色家电中的变频空调、变频洗衣机;IGBT模块主要应用于大功率变频器、电焊机、新能源汽车、集中式光伏等领域。

从电压等级来划分,600V以下的低压IGBT主要应用于消费电子领域,600V~1200V的中压IGBT主要应用于新能源车、光伏、家电、工业(电焊机、UPS)领域,1700V以上的超高压IGBT主要应用于轨交、风电、智能电网领域。

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图片来源:国金证券

其中,新能源汽车市场或将成为IGBT第一大增量市场。在新能源汽车中,IGBT主要应用在电机控制系统、热管理系统、车载充电机,此外,IGBT也广泛应用在PTC加热器、水泵、油泵、空调压缩机等辅逆变器中,完成小功率DC-AC转换。国金证券预计,2025年全球新能源车IGBT市场规模将达383亿元,2020~2025年CAGR将达48%,2030年全球新能源车IGBT市场规模达765亿元,2020~2030年CGAR达31%。

此外,IGBT是光伏逆变器、储能逆变器的核心器件。光伏储能作为可再生新能源领域主要发展方向之一,同时受益于全球光伏新增装机量的高速增长,其或将成为IGBT的第二大增量市场。国金证券预计2025年全球光伏储能IGBT市场规模达108亿元,2020~2025年CAGR达30%,2030年全球光伏&储能IGBT市场规模达280亿元,2020~2030年CGAR达25%。

在此背景下,受益于我国新能源汽车、光伏风电产业等领域需求的大幅增加,我国IGBT市场规模增速有望进一步加快。根据集邦咨询预测,中国IGBT市场规模将持续增长,到2025年,中国IGBT市场规模将达到522亿元人民币,2018-2025年复合增长率达19.96%。

可以预见,在IGBT下游应用市场规模不断扩大、行业快速发展的背景下,IGBT行业短期内仍将处于供不应求的状态,而IGBT国产替代或将迎来机会进入加速发展期。