IGBT行业深度报告：IGBT技术发展趋势-电子发烧友网

1. IGBT：电力电子行业中的核心器件

IGBT被称为电力电子行业的“CPU”

IGBT具有优秀的综合性能。IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管，它由绝缘栅型场效应管和双极型三极管两个部分组成，其兼具MOSFET输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快和 BJT通态电流大、导通压降低、损耗小等优点，是功率半导体未来主要的发展方向之一。

凭借优异的性能，IGBT拥有广泛的下游应用

IGBT凭借着高功率密度、驱动电路简单以及宽安全工作区等特点，成为了中大功率、中低频率电力电子设备的首选。在工作频率低于105Hz的范围内，硅基IGBT是首选的功率半导体器件，其功率范围涵盖几千瓦至十兆瓦，典型的应用领域包括工业控制（变频器、逆变焊机、不间断电源等）；新能源汽车（主电驱、OBC、空调、转向等）；新能源发电（光伏逆变器、风电变流器）；变频白电（IPM）；轨道交通（牵引变流器）；智能电网等。

IGBT技术发展趋势

从正面栅极结构上来看，其结构经历了从平面栅向沟槽栅以及最新的微沟槽栅的演化，目前市场主流的IGBT芯片以沟槽栅为主。栅极结构从平面向沟槽的发展有利于提高电流密度、降低导通压降、降低元胞尺并降低制造成本。

从体结构上来看，其经历了从穿通型（PT，Punch Through）到非穿通型（NPT，Non-Punch Through）再到场截止型（FS，Field Stop）三代的演化。

通过不断的技术迭代，IGBT芯片各项性能指标不断优化。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，IGBT芯片的各项技术指标如芯片面积、工艺线宽、导通压降、关断时间和功率损耗等均得到了不断优化。

英飞凌IGBT芯片迭代历程

从最初的平面穿通型IGBT到微沟槽场截止IGBT，英飞凌的IGBT芯片技术引进迭代到了第七代。（此处没有列出仅有单管封装产品的IGBT芯片）。

2.空间：新能源等驱动IGBT需求持续增长

全球IGBT市场规模已超过66亿美元

全球IGBT市场规模持续增长，目前已经超过66亿美元。根据研究机构Omdia的数据，全球IGBT市场规模在过去近十年中保持持续增长，从2012年的32亿美元增长至2020年的66亿美元，八年间的复合增长率在10%左右。全球范围内来看，工控和新能源汽车是IGBT需求占比最大的两个下游领域。分下游需求来看（2017年数据），工控是IGBT目前最大的需求市场，需求占比达到37%；新能源汽车位居第二大市场，需求占比为28%；其次是新能源发电和变频白电市场，两者的需求占比分别为9%和8%。

中国IGBT市场规模占到全球近四成，且增速更快

中国IGBT市场规模迅速增长，2019年已超过150亿元。根据智研咨询的数据，中国IGBT市场规模增长迅速，从2012年的60亿元增长至2019年的155亿元，复合增速在15%左右，相比全球IGBT市场规模的增速更高。

工控：IGBT需求基本盘，未来将实现稳步增长

IGBT是变频器、逆变焊机、UPS电源和电磁感应加热等传统工业控制及电源行业的核心元器件。以工控领域最常用的变频器为例，变频器是把固定电压、固定频率变换成电压和频率可变化的设备，其通常由整流部分、滤波部分、逆变部分、制动电路、驱动电路和检测电路等组成。IGBT 通常应用在变频器中的逆变电路以及制动电路中，其中以逆变电路的应用为主。变频器依靠内部 IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率。

新能源汽车：IGBT最重要的增量市场

IGBT是新能源汽车中的核心元器件。IGBT在新能源汽车中得到了广泛的应用，对整车的性能有着重要的影响。IGBT在新能源汽车中的主要应用包括电机控制器、车载充电器（OBC）、车载空调、以及为新能源汽车充电的直流充电桩中。

新能源发电：IGBT广泛应用在光伏和风电行业

光伏发电需要通过光伏逆变器后并入电网，IGBT是光伏逆变器的核心部件。光伏逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键设备之一，其作用是将光伏发电所产生的直流电转化为符合电网电能质量要求的交流电，IGBT则是光伏逆变器的核心部件。

变频白电：变频家电也是IGBT重要的应用领域

我国变频白电的渗透率正不断提升。我国三大白电销量近年来稳定在3亿上下，且随着节能减排要求的提高，我国白电的变频化率正不断提升，根据产业在线的数据，2021年空调、冰箱和洗衣机的变频化率分别达到68%、34%和46%，未来还将进一步提升。

轨道交通：IGBT是轨道交通牵引中的核心器件

交流传动技术是现代轨道交通牵引传动的主流选择和核心技术。交流传动原理：车辆经受电弓从接触网获得单相交流高压电，输送给车载牵引变压器进行降压，然后通过整流器转换成直流电，再由逆变器将直流电转换成调频调压的三相交流电，最后输送给交流牵引电机，整个过程包含了交-直-交的变化。交流传动优势：（1）良好的牵引和制动性能；（2）功率因数高，谐波干扰小；（3）电机功率大、体积小、质量轻、运行可靠性高；（4）动态性能和粘着利用好。

3.格局：外资垄断集中度高，国产替代持续加速

IGBT行业拥有很高的进入壁垒

从行业进入的角度来看，IGBT行业的进入门槛非常高。整体来看，IGBT行业的进入壁垒有三个方面，分别为技术壁垒、市场壁垒以及资金壁垒，这里我们主要关注前面两者。

技术壁垒：IGBT的技术环节包含了IGBT芯片的设计和制造以及模组的设计和制造。（1）IGBT 芯片需要工作在大电流、高电压和高频率的环境下，对芯片的可靠性有着很高的要求；同时芯片设计还要保证开通关断、抗短路能力和导通压降的均衡。因此IGBT芯片自主研发的要求非常高，设计和参数的调整优化十分特殊复杂，有着非常多的行业know how的积累。（2）IGBT芯片的制造环节同样有着较高的难度，一方面IGBT芯片本身的背面工艺难度较高，另一方面IDM模式自建产能需要非常大的资金投入，而Fabless模式下需要与代工厂实现技术和工艺的深度磨合。（3）模块方面，由于模块的集成度高，且工作在大电流、高电压、高温等恶劣环境下，因此在模块设计和制造工艺实现上须同时考虑绝缘、耐压、散热和电磁干扰等诸多因素。要实现IGBT模块产品的高可靠性、稳定性和一致性同样需要长时间的行业经验积累。

市场壁垒：IGBT是下游应用产品的核心器件，IGBT的产品性能、可靠性以及稳定性对下游产品的性能表现有着直接的影响。因此，客户在导入IGBT时的验证测试周期长，替换成本高。因此客户在选择IGBT时通常较为保守谨慎，且一旦在选定后去做更改和替换的意愿都不强。

格局：IGBT高壁垒形成了少数外资垄断的格局

全球IGBT市场目前处于德国、日本和美国企业垄断的格局。由于IGBT行业进入门槛高，且外资厂商的业务起步早，先发优势明显（英飞凌第一代IGBT产品诞生于1988年），因此形成了当前 IGBT市场被德日美等国企业垄断的局面，目前全球IGBT前五大厂商分别为英飞凌、三菱、富士电机、安森美和赛米控。且英飞凌、三菱、富士电机和安森美均为IDM模式，垂直整合整个产业链的上中下游，建立起了强大的护城河。

格局变化：国产进步+供应链安全推动国产替代换挡提速

国产替代加速的内在原因：（1）IGBT作为功率半导体期间，其技术迭代速度较慢，周期较长，一代产品的使用时间非常长，超过十年；且客户主要追求的是IGBT产品的稳定性和可靠性，对新技术的追求意愿不高（英飞凌2007年推出的第四代IGBT芯片仍然是当前行业的主力产品）。因此，虽然国内IGBT厂家的起步较晚，但是行业留给了本土IGBT厂家充足的发展和追赶的时间，目前国内IGBT厂商技术进步较快，已经有产品能大批量满足下游客户需求。（2）本土IGBT企业的服务更好，能快速响应下游客户的需求，并且产品价格上相比于外资有一定优势，有利于下游客户的降本。（报告来源：未来智库）

4.碳化硅——第三代半导体功率器件大有可为

碳化硅材料具有优越的性能

常见的半导体材料包括硅、锗等元素半导体以及砷化镓、碳化硅、氮化镓等化合物半导体材料，根据研究和规模化应用的时间先后，业内通常将半导体材料划分为三代：

第一代半导体材料：以硅和锗为代表，典型应用是集成电路。硅基半导体材料是目前产量最大、应用范围最为广泛的半导体材料。

第二代半导体材料：以砷化镓为代表。砷化镓电子迁移率为硅的6倍以上，其器件具有高频、高速的光电性能，因此被广泛应用于光电子和微电子领域。

第三代半导体材料：以碳化硅和氮化镓为代表。相比于前两代半导体材料，碳化硅具有禁带宽度大、击穿电场强度高、热导率高、电子饱和速率高以及抗辐射能力强等特点，适用于高压、高频和高温的场景，特别适合于电力电子领域的高功率半导体器件的制造。

碳化硅器件的性能同样优于硅基器件

得益于碳化硅材料的优异特性，基于碳化硅材料的碳化硅功率器件具有优越的电气性能：

耐高压：碳化硅材料的击穿电场强度为传统硅基材料的十倍，因此碳化硅功率器件的耐高压特性显著强于同规格的硅基功率器件；

耐高温：一方面，碳化硅的热导率为硅材料的三倍以上，在同样功率的情况下具有更好的散热能力，保持更低的温度，由此降低器件散热设计方面的要求，有利于提高集成度，使得器件向小型化方向发展。另一方面，碳化硅的禁带宽度是硅基的三倍以上，禁带宽度越宽，器件的极限工作温度越高（半导体器件在高温下会产生载流子本征激发现象，造成器件失效），因此碳化硅功率器件的极限工作温度能达到600℃以上，而目前硅基的IGBT工作温度一般在175℃。

低损耗：碳化硅饱和电子漂移速度是硅的两倍以上，因此碳化硅器件具有更低的导通电阻，导通损耗低；碳化硅器件不存在电流拖尾，开关损耗也比硅基器件要低，也可以实现更高的开关频率。

碳化硅产业将迎来快速发展

受新能源汽车应用的带动，碳化硅器件市场将高速增长。根据Yole的预测，受益于碳化硅在新能源汽车、工业和能源等领域需求的增长，全球碳化硅器件市场将从2021年10亿美元的规模增长至 2027年的60亿美元以上，复合增速将高达34%；其中汽车碳化硅器件的市场将从2021年的6.85亿美元增长至2027年的约50亿美元，复合增速高达40%，至2027年汽车碳化硅器件市场规模将占到碳化硅器件市场总规模的80%左右。

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