2019年中國IGBT行業(yè)發(fā)展概況及市場發(fā)展前景分析：IGBT市場需求穩(wěn)定，市場前景廣闊[圖]

    一、IGBT行業(yè)概覽

    1、IGBT是什么？

    IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），中文名為絕緣柵雙極型晶體管，是半導體領域里分立器件中特別重要的一個分支。分立器件主要以功率半導體器件為主，本質(zhì)上就是進行功率處理的，具有處理高電壓、大電流能力的器件，主要用途包括電壓/電流的變頻、變壓、變相、整流、逆變、開關等。

IGBT是半導體分立器件中特別重要的分支

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    功率半導體器件按照控制種類可以分為不可控型、半可控型、全控型三大類產(chǎn)品，其中：不可控型：主要為二極管相關產(chǎn)品，為兩端器件，分別為陽極和陰極，二極管的開關狀態(tài)完全取決于加在陽極和陰極之間的電壓。當所加電壓確定后，二極管的開通和關閉不能通過器件本身進行控制，故稱之為不可控型器件；半可控型：主要為晶閘管產(chǎn)品，為三端器件，除了陽極、陰極之外，還增加了一個控制門極。這種產(chǎn)品的開通除了在陽極和陰極之間加一定的電壓之外，還需要在門極和陰極之間輸入可控功率。這類產(chǎn)品一旦開通就無法再通過門極來關斷，因此被稱為半可控型器件；全控型：主要為BJT、MOSFET、IGBT等類產(chǎn)品，為三端器件，這類產(chǎn)品可以同時控制開通與關斷，稱之為全控型器件。

不可控型、半可控型、全可控型功率器件

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    智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國IGBT行業(yè)產(chǎn)業(yè)運營現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析報告》數(shù)據(jù)顯示：由于其開關完全可控的特點，全控型功率器件被廣泛使用，主要包括BJT、MOSFET、IGBT等，其中：BJT即BipolarJunctionTransistor（雙極結(jié)型晶體管），屬于電流控制器件，BJT主要特點是飽和壓降低，通態(tài)電流大，耐壓高，并且雙極型晶體管體積小、重量輕、耗電少、壽命長、可靠性高，應用十分廣泛。但是雙極型晶體管開關速度慢，輸入阻抗低，功耗大，限制了其在大規(guī)模集成電路中的應用。目前BJT已廣泛用于廣播、電視、通信、雷達、計算機、自控裝臵、電子儀器、家用電器等領域，起放大、振蕩、開關等作用；MOSFET即Metal-Oxide-SemiFieldEffectTransistor（金氧半導體場效應管），屬于電壓控制器件，MOSFET主要特點就是驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率低，開關速度快，高頻特性好，最高工作頻率可以達到1MHz以上，適用于開關電源和高頻感應加熱等高頻場合，且安全工作區(qū)廣，沒有二次擊穿問題，耐破壞性強。但是MOSFET也因為電流容量小，耐壓低，飽和壓降高，不適用于大功率裝臵。目前MOSFET主要應用于電壓低于1000V，功率從幾瓦到數(shù)千瓦的場合，廣泛應用于充電器，適配器，電機控制，PC電源，通信電源，新能源發(fā)電，UPS，充電樁等場合；IGBT即InsulatedGateBipolar（絕緣柵雙極晶體管），屬于電壓控制器件，是由BJT和MOSFET組成的復合功率半導體器件。

IGBT結(jié)合了MOSFET和BJT的結(jié)構(gòu)而成

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    IGBT結(jié)合了BJT和MOSFET的優(yōu)點，既有MOSFET的開關速度快、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關損耗小的優(yōu)點，又有BJT導通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)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(fā)展的主要方向。

IGBT結(jié)合了BJT和MOSFET的優(yōu)點

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    當然，IGBT并不能完全替代BJT、MOSFET，三者根據(jù)各自的器件性能優(yōu)勢，都有適合的應用領域。BJT更強調(diào)工作功率，MOSFET更強調(diào)工作頻率，而IGBT是工作功率和頻率兼具。

功率半導體器件的應用分布

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    從2017年WSTS統(tǒng)計的功率器件市場上來看，二極管、晶閘管、BJT、MOSFET、IGBT都占據(jù)較大的份額，其中MOSFET占比最多31%，其次是二極管和整流橋，占比29%，BJT和晶閘管占比21%，IGBT占比19%。

全球功率半導體器件的細分產(chǎn)品銷售占比

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    IGBT從封裝形式分類可以分為IGBT分立器件、IGBT模塊和IPM三大類產(chǎn)品：IGBT分立器件：一個IGBT單管和一個反向并聯(lián)二極管組成的器件，電流通常在100A以下，結(jié)構(gòu)相對簡單，封裝體積較小，但是缺點也很明顯，接線復雜，可靠性低，分布電感較大；IGBT模塊：是將多個（兩個及以上）IGBT芯片和二極管芯片以絕緣方式組裝到DBC基板上，進行模塊化封裝；

    IGBT模塊的主要優(yōu)勢有：多個IGBT芯片并聯(lián)，電流規(guī)格更大；多個IGBT芯片可以按照特定的電路形式組合，如半橋、全橋等，可以減少外部電路連接的復雜性；多個IGBT芯片處于同一個金屬基板上，散熱效果更均勻，可靠性更高；模塊中多個IGBT芯片之間的連接與多個分立形式的單管進行外部連接相比，電路布局更好，引線電感更好；模塊的外部引線端子更適合高壓和大電流連接，模塊的最高電壓等級一般比單管高1-2個等級；IPM：即智能功率模塊（IntelligentPowerModule），就是將功率器件（組要是IGBT）和驅(qū)動電路、過壓和過流保護電路、溫度監(jiān)視和超溫保護電路等外圍電路集成在一起生產(chǎn)的一種“組合”型器件；IPM的主要優(yōu)勢有：設計“傻瓜式”，用戶使用方便;可靠性高，適合制作中小功率的逆變器。

IGBT分立器件、模塊及IPM對比

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    2017年全球IGBT分立器件、模塊、IPM的市場規(guī)模來看，IGBT分立器件、模塊、IPM市場規(guī)模分別為11億美金、26.29億美金、15.7億美金，占比分別為20.76%、49.61%、29.63%。

全球IGBT分立器件、模塊、IPM的市場規(guī)模占比

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    2、IGBT應用領域廣泛

    IGBT作為工業(yè)控制及自動化領域的核心元器件，被稱為能量轉(zhuǎn)換的CPU，IGBT能夠根據(jù)工業(yè)裝臵中的信號指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現(xiàn)精準調(diào)控，因此廣泛應用于電機節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等領域。

IGBT應用領域非常廣泛

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    按照使用電壓范圍，可以將IGBT分為超低壓、低壓、中壓和高壓幾大類產(chǎn)品，不同電壓范圍對應著不同的應用場景：超低壓：工作電壓范圍為400-500V，主要是應用于內(nèi)燃機的點火裝臵，IGBT已經(jīng)成為點火系統(tǒng)不可或缺的一部分。此領域的IGBT電壓等級主要是400V，電流等級在10-150A，關斷損耗在200-300mJ，工作頻率最高在幾KHZ，全球排名第一的供應商是安森美；低壓：工作電壓在600-1350V，IGBT在低壓領域應用十分廣泛，主要有電焊機、家電（變頻空調(diào)、洗衣機、電冰箱、洗碗機、電磁爐）、電動汽車（混動、純電動等等）、UPS、太陽能電池、風電等，在此領域，IGBT的工作頻率在2-100KHz范圍，全球排名第一的供應商是英飛凌；中壓：工作電壓在1400-2500V，主要應用于主UPS、風能、太陽能電池、地鐵/城軌電機驅(qū)動等領域，在此領域，IGBT的工作頻率在10-50KHz范圍，全球排名第一的供應商是依然是英飛凌；高壓：工作電壓在2500-6500V，主要應用于諸如軌道牽引（高鐵、動車組）、電網(wǎng)（柔性直流輸電、特高壓直流輸電）、大型工業(yè)裝備（軋鋼機）等大電壓、大電流、低頻的領域，在此領域，IGBT的工作頻率在5KHz以內(nèi)，全球排名第一的供應商是三菱電機。

IGBT的應用分布（按照電壓范圍來分）

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    3、IGBT技術(shù)發(fā)展歷程

    從20世紀80年代至今，IGBT芯片經(jīng)歷了5-6代產(chǎn)品升級：第一代：PT-IGBT，平面柵穿通型IGBT，使用重摻雜的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)。它因為截止時電場貫穿整個N-base區(qū)而得名。它工藝復雜，成本高，而且需要載流子壽命控制，飽和壓降呈負溫度系數(shù)，不利于并聯(lián)，目前已經(jīng)很少有這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品；第二代：NPT-IGBT，平面柵非穿通型IGBT，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)，因此稱為“非穿通”型IGBT；第三代：Trench-FSIGBT，溝槽柵-場截止型IGBT，柵極從平面型變成了溝槽型。

    溝槽型IGBT中，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，并同時推出了場截止結(jié)構(gòu)，目標在于盡量減少漂移區(qū)厚度，從而降低飽和電壓。場截止（FieldStop）IGBT起始材料和NPT相同，都是低摻雜的N-襯底，不同在于FSIGBT背面多注入了一個Nbuffer層，它的摻雜濃度略高于N-襯底，因此可以迅速降低電場強度，使整體電場呈梯形，從而使所需的N-漂移區(qū)厚度大大減小；第四代：Trench-FS-TWIGBT，溝槽柵-場截止-薄晶圓型IGBT，相比較第三代IGBT，優(yōu)化了背面結(jié)構(gòu)，漂移區(qū)厚度更薄，背面P發(fā)射極及Nbuffer的摻雜濃度及發(fā)射效率都有優(yōu)化，通過使用薄晶圓及優(yōu)化背面結(jié)構(gòu)，進一步降低了開關損耗，同時，最高允許工作結(jié)溫從第3代的125℃提高到了150℃，這無疑能進一步增加器件的輸出電流能力；第五代：Trench-FS-CuIGBT，溝槽柵-場截止-銅金屬化型IGBT，使用厚銅代替了鋁，銅的通流能力及熱容都遠遠優(yōu)于鋁，因此第五代IGBT允許更高的工作結(jié)溫及輸出電流。同時芯片結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，芯片厚度進一步減?。?/p>

IGBT工藝技術(shù)發(fā)展史

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    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(yōu)化。芯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(tài)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(tài)電壓也從600V提高到了6500V以上。

    二、IGBT下游需求

    作為工業(yè)控制及自動化領域的核心器件，IGBT模塊在電機節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等諸多領域都有廣泛的應用。

    1、新能源汽車如火如荼，車用IGBT需求旺

    新能源汽車產(chǎn)業(yè)如火如荼，IGBT模塊作為核心器件需求顯著提升：2016年11月國務院印發(fā)的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知》指出，到2020年，新能源汽車實現(xiàn)當年產(chǎn)銷200萬輛以上，累計產(chǎn)銷超過500萬輛，對應2017-2020年新能源汽車產(chǎn)量每年平均40%的增速。IGBT模塊是新能源汽車電機控制系統(tǒng)中負責能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵墓β拾雽w器件，電動汽車高壓系統(tǒng)中關鍵電路均需要開關元器件來實現(xiàn)，電驅(qū)動系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、高壓充電機等部件都會用到IGBT器件，提高用電效率以實現(xiàn)高續(xù)航一直是各個新能源汽車廠商追求的目標，新能源汽車產(chǎn)業(yè)如火如荼,車用IGBT模塊需求快速提升。

    IGBT模塊在新能源汽車領域中發(fā)揮著至關重要的作用，被廣泛應用于電機控制器、車載空調(diào)、充電樁等設備。

    IGBT模塊的作用是交流電和直流電的轉(zhuǎn)換，同時IGBT模塊還承擔電壓的高低轉(zhuǎn)換的功能。新能源汽車外界充電的時候是交流電，需要通過IGBT模塊轉(zhuǎn)變成直流電然后給電池，同時要把交流電壓轉(zhuǎn)換成適當?shù)碾妷阂院蟛拍芙o電池組充電。新能源汽車電池放電的時候，把通過IGBT模塊直流電轉(zhuǎn)變成交流電機使用的交流電，同時起到對交流電機的變頻控制。電能的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性，直接決定了新能源汽車的充電效率、電能利用率、電流輸出穩(wěn)定性等性能。綜上，IGBT模塊是新能源汽車的的核心器件，IGBT的性能直接影響新能源汽車功率的釋放速度。2018年全球新能源汽車的滲透率為2%，而中國是滲透比例最高的國家，比例為4%。

全球新能源汽車銷量及同比增速（萬輛；%）

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中國新能源汽車銷量及同比增速（萬輛；%）

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全球新能源汽車滲透率（%）

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主要國家新能源汽車滲透率（%）

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    2015年11月，工業(yè)和信息化部等四個部委聯(lián)合發(fā)布了《電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南》的通知，其中明確提到，為滿足全國500萬輛電動汽車的充電需求，新建了超過12,000個集中式電池充電站，預計到2020年將增加480萬個新的去中心充電樁。預計2018年中國IGBT市場規(guī)模為153億元人民幣，同比增長19.91％。隨著HEV/EV需求和工業(yè)需求的大幅增長，中國IGBT市場規(guī)模將持續(xù)增長，預計到2025年將達到522億元人民幣，復合年增長率為19.11％。其中，IGBT約占充電樁成本的20％，預測到2025年，全球充電樁用IGBT的市場規(guī)模將達到100億元人民幣；IGBT大約占HEV/EV成本的10％，預計到2025年，中國HEV/EV所用IGBT的市場規(guī)模將達到210億元人民幣。按照應用領域劃分，EV/HEV是IGBT應用最廣泛的領域占比為31%，電子占比27%，工業(yè)領域占比20%。

2018年中國IGBT下游應用（%）

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2018年中國IGBT各應用領域市場規(guī)模（億元）

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    2、變頻家電加速普及，孕育IPM模塊需求

    IPM模塊是變頻技術(shù)的核心電子元器件，也是變頻白色家電的核心電子元器件。當前，我國經(jīng)濟由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，家電行業(yè)處在加速向“家電強國”目標前進，“綠色技術(shù)進步、綠色轉(zhuǎn)型升級和綠色制造”是全行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主線之一。

    家用電器能耗是家庭總能耗的主要組成部分，在節(jié)能環(huán)保全球化的趨勢下，家用電器的高效節(jié)能和環(huán)保已成為家電制造商關注的重要指標，高效節(jié)能家電的市場份額不斷攀升。經(jīng)過最近十多年的發(fā)展，空調(diào)、洗衣機、冰箱等主要家用電器的能耗降低30%-50%。隨著世界各國不斷升級的家用電器能效標準，以及我國對節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，變頻家電市場前景廣闊。中國作為全球最大的家電市場和生產(chǎn)基地，亦孕育著大規(guī)模的IPM市場。以空調(diào)行業(yè)為例，2019年家用空調(diào)產(chǎn)量達15280萬臺，銷量達15063萬臺，其中內(nèi)銷9216萬臺，出口5846萬臺。隨著節(jié)能環(huán)保的大力推行，具有變頻功能的白色家電將逐漸替代傳統(tǒng)家電，且家電市場身處消費行業(yè)，市場需求較為穩(wěn)定將具有廣闊的市場前景。但同時也應看到，目前國內(nèi)變頻家電所用的IPM智能功率模塊主要依賴進口，國產(chǎn)化率極低且市場供不應求。

2017-2019年我國家用空調(diào)內(nèi)銷和外銷數(shù)量（萬臺）

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    消費升級成為推動中國智能變頻家電發(fā)展的主要紅利，超過16億臺的家電存量規(guī)模，使持續(xù)穩(wěn)定的更新需求成為提升變頻家電銷量的重要驅(qū)動力量。2020年智能變頻家電產(chǎn)品的滲透率將進一步提升，白電、廚電、生活電器等智能家電的占比將分別達到45%、25%和28%。IPM（智能功率模塊）作為變頻技術(shù)的核心電子元器件，隨著智能變頻家電滲透率提升而需求不斷增加。2018年全球IPM市場規(guī)模為168億美元，其中三菱占比最高為32.3%，安森美為18.9%，國內(nèi)目前尚未出現(xiàn)份額超過0.5%的公司，進口替代迫在眉睫。

2018年IPM供應商市場份額（%）

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    3、工業(yè)控制及電源行業(yè)支撐IGBT市場穩(wěn)步發(fā)展

    IGBT模塊是變頻器、逆變焊機等傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)的核心元器件，且已在此領域中得到廣泛應用。目前，隨著工業(yè)控制及電源行業(yè)市場的逐步回暖，預計IGBT模塊在此領域的市場規(guī)模亦將得到逐步擴大。與此同時，伺服驅(qū)動器和電機作為IPM另一個重要應用領域，隨著我國工業(yè)自動化發(fā)展，預計將保持18%以上的市場增速，到2020年中國市場需求量達到1400萬臺，規(guī)模超200億元，下游產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展將為IPM行業(yè)帶來前所未有的發(fā)展動力。

    IGBT模塊在變頻器中不僅起到傳統(tǒng)的三極管的作用，亦包含了整流部分的作用。控制器產(chǎn)生的正弦波信號通過光藕隔離后進入IGBT，IGBT再根據(jù)信號的變化將380V（220V）整流后的直流電再次轉(zhuǎn)化為交流電輸出，變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的。近年來，我國變頻器行業(yè)的市場規(guī)?？傮w呈上升態(tài)勢。近年來，變頻器市場中我國自主研發(fā)能力有所提升，特別是高壓變頻器在2017年的專利申請數(shù)穩(wěn)定在160項以上。同時，在實體經(jīng)濟的拉動作用下，變頻器已進入新能源領域，在冶金、煤炭、石油化工等工業(yè)領域?qū)⒈３址€(wěn)定增長，在城市化率提升的背景下，變頻器在市政、軌道交通等公共事業(yè)領域的需求也會繼續(xù)增長，從而促進市場規(guī)模擴大。未來幾年，具有高效節(jié)能功能的高壓變頻器市場將受政策驅(qū)動持續(xù)增長，預計到2023年，高壓變頻器的市場將達到175億元左右。

    逆變式弧焊電源，又稱弧焊逆變器，是一種新型的焊接電源。這種電源一般是將三相工頻（50赫茲）交流網(wǎng)路電壓，先經(jīng)輸入整流器整流和濾波，變成直流，再通過大功率開關電子元件（IGBT）的交替開關作用，逆變成幾千赫茲至幾萬赫茲的中頻交流電壓，同時經(jīng)變壓器降至適合于焊接的幾十伏電壓，后再次整流并經(jīng)電抗濾波輸出相當平穩(wěn)的直流焊接電流。2018年我國電焊機產(chǎn)量為853.3萬臺，同比2017年增加了58.46萬臺，電焊機市場的穩(wěn)定增長有望驅(qū)動IGBT的市場需求。