IGBT:功率半導體核心元器件

2020-12-05 樂晴智庫

IGBT是國際上公認的電力電子技術第三次革命具代表性的產品。作為工業控制及自動化領域的核心元器件,被稱為能量轉換的CPU,屬於我國「02專項」重點扶持項目。

IGBT即Insulated Gate Bipolar(絕緣柵雙極電晶體),屬於電壓控制器件,是由BJT和MOSFET組成的複合功率半導體器件,是半導體領域裡分立器件中特別重要的一個分支。能夠根據工業裝置中的信號指令來調節電路中的電壓、電流、頻率、相位等,以實現精準調控的目的,廣泛應用於電機節能、軌道交通、智能電網、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發電、新能源汽車等領域。

中國是最大的功率半導體消費國,2018年市場需求規模達到138億美元(iHS數據),增速為9.5%,佔全球需求比例高達35%。iHS預計未來中國功率半導體將繼續保持較高速度增長,2021年市場規模有望達到159億美元,年化增速達4.8%。

根據中國產業信息網的數據,2018年中國IGBT市場規模為161.9億元,同比增長22.19%,增速顯著高於全球平均水平。根據Trendforce預測,國內IGBT行業規模在2025年將增至522億元,期間CAGR高達19.1%。

發展國產化IGBT晶片,打破國際技術封鎖,是保障國家基礎戰略產業發展的需要。在新能源、節能環保「十二五」規劃等一系列國家政策措施的支持下,國內IGBT 的發展亦獲得巨大的推動力,市場持續快速增長。

根據iHS的統計,中國功率半導體市場中前三大產品是電源管理IC、MOSFET、IGBT,三者市場規模佔2018年中國功率半導體市場規模比例分別為60.98%,20.21%與13.92%。

IGBT結合了BJT和MOSFET的優點,既有MOSFET的開關速度快、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小的優點,又有BJT導通電壓低、通態電流大、損耗小的優點,在高壓、大電流、高速等方面是其他功率器件不能比擬的,因而是電力電子領域較為理想的開關器件,是未來應用發展的主要方向。

從20 世紀80 年代至今,IGBT 晶片經歷了5-6 代產品升級,從平面穿通型(PT)到溝槽型電場—截止型(FS-Trench),各方面指標都得到了不斷的優化。晶片面積縮小為最初的四分之一,工藝線寬從5微米降到0.5微米,通態飽和壓降從3伏降到1伏,關斷時間也更快,從0.5微秒降到0.15微秒,功率損耗也更低,斷態電壓也從600V 提高到了6500V 以上。

根據中國產業信息網的數據,全球前五大IGBT廠商的市場份額合計達74%,同時,從400V及以下的常規IGBT市場到4500V以上的高端IGBT市場,海外廠商的IGBT產品的市場優勢地位均十分明顯。

從低、中、高壓IGBT市場來看,大部分的廠商都提供600-1300V中壓範圍內的IGBT分立和模塊解決方案,只有少數廠商專門從事低壓分立IGBT市場,目前,全球IGBT市場主要由英飛凌、三菱電機、富士電機、安森美和ABB等海外廠商佔據,他們的產品覆蓋整個低中高壓市場,是市場的主流玩家。

各個廠商擁有在不同產品線擁有自身的優勢。儘管英飛凌等廠商研發和生產的IGBT產品範圍非常齊全,但是並非他們在所有市場都有主導地位。例如在600V-1700V的市場英飛凌是市場第一大供應商,但是在2500-300V以及4500V以上的市場上三菱則處於優勢地位。

目前國內功率半導體企業僅在二極體、晶閘管領域開始廣泛替代,而在MOSFET、IGBT與國外企業存在較大差距。

在國內IGBT市場,海外廠商同樣佔據50%以上的市場份額,國產替代的空間十分廣闊。根據IHS 數據,國內MOSFET器件僅英飛凌、安森美兩家企業就佔據45.3%的市場份額,前五廠商中僅有華潤微一家中國公司(若不計入安世半導體份額);IGBT方面,全球前十大IGBT模塊供應商佔據77.7%的份額,當中僅有斯達半導一家國內企業進入排名,佔據2%的市場份額。根據ASMC披露,我國90%以上IGBT產品需要進口。

從我國IGBT企業目前的競爭局面來看,製造和封測模組環節競爭力較強,以上海先進半導體(積塔半導體)、華虹半導體、華潤微電子為主導的晶圓代工製造企業已經具備了8-12寸IGBT晶片生產的技術,並積極推進國產製造端的升級。但是在晶片設計端相對薄弱,只有中車時代電氣、比亞迪、斯達半導、士蘭微等少數幾家公司具備競爭力。

IGBT產業鏈可以分為四部分,晶片設計、晶片製造、模塊設計及製造封測,其中晶片設計和模塊設計以及工藝設計都有非常高的技術壁壘,需要非常專業化的研發團隊和長時間的技術積累。

近幾年中國IGBT產業在國家政策推動和市場牽引下得到迅速發展,產業鏈逐步完善。與集成電路,功率半導體也同樣存在IDM和fabless兩種經營模式,目前,我國採取兩種經營模式的廠商都有。IDM的企業有中車時代電氣、比亞迪微電子、士蘭微、華微電子、華潤微、臺基股份、揚傑科技、斯達半導等。設計公司有中科君芯、達新半導體、紫光微電子、無錫新潔能、芯派科技,製造公司有華虹宏力、上海先進、中芯國際、方正微電子、華潤上華,模組公司有芯能半導體、西安永電、宏微科技、威海新佳、銀茂微電子等。

IGBT在新能源汽車領域中發揮著至關重要的作用,是新能源汽車電機控制器、車載空調、充電樁等設備的核心元器件。

新能源汽車工作時電流範圍在-100A到+150A之間,如此巨大的電流需要被電控單元精準控制,以實現汽車的制動,而當中最核心的零部件就是IGBT。在電動汽車中,電機驅動系統佔整車成本的15-20%,而IGBT又在電機驅動系統中佔比50%左右,即IGBT佔整車成本的7-10%,是除電池外最貴的零部件之一。

新能源汽車中的功率半導體價值量提升十分顯著,根據英飛凌的數據,新能源中汽車功率半導體器件的價值量約為傳統燃油車的5倍以上。其中,IGBT約佔新能源汽車電控系統成本的37%,是電控系統中最核心的電子器件之一,因此,未來新能源汽車市場的快速增長,有望帶動以IGBT為代表的功率半導體器件的價值量顯著提升,從而有力推動IGBT市場的發展。

根據中汽協數據,2019年我國新能源汽車滲透率為4.7%,仍處於非常低的狀態,如果2025年達到滲透率25%的目標,未來幾年年複合增長率達到30%,成長空間廣闊。

從國產替代的進程來看,中車時代電氣在高鐵IGBT等重點領域具備了紮實的實力,其他公司的產品主要是從工控、光伏和風電等領域先行替代,在新能源汽車等高端領域的替代進程相對較慢。

在傳統工業控制及電源行業支撐下,隨著變頻器進入新能源領域的拉動,電焊機市場的持續升溫,IGBT 下遊的新能源汽車、變頻家電、新能源發電等領域發展迅速,未來IGBT 市場將繼續保持穩定增長勢頭。在產業政策和市場需求的驅動下,IGBT國產化進程加速啟動。

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