国产英飞凌igbt模块「英飞凌igbt功率模块」

时间：2023-04-07 18:05:05来源：搜狐

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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，以适应不同用电装置的不同需求。

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 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Nbuffer，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程度，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，“国产替代”将是未来IGBT行业发展的主要方向。

2.2. 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 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，2020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 水温上升，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 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，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。

4、‍行业公司‍

4.1. 斯达半导

公司主营业务是 IGBT 为主的功率半导体芯片和模块的设计研发和生产，是国内 IGBT 的领先供应商。

起家于家电变频器和工业级产品比如电焊产品，公司以 IGBT 技术为基础，大力发展车规级功率器件，公司产品获得良好的市场评价，尤其在 2020 年疫情后，英飞凌产能不足不能稳定供货，公司拓展突飞猛进，快速扩张市场份额，目前在新能源汽车 IGBT 领域在国内名列前茅。

据公司2020年报披露，公司 2020 年 IGBT 模块销售规模排全球第七，打破了大功率工业级和车用级模块完全依赖进口的被动局面，公司车规级 IGBT 模块目前以 A00 为主，2020 年公司生产的汽车级 IGBT 模块合计配套超过 20 万辆新能源汽车。

同时公司在车用空调，充电桩，电子助力转向等新能源汽车半导体器件份额进一步提高，目前在 A级车领域已经占据相当一部分份额。

4.2. 中车时代电气

公司是中车集团下属子公司，我国轨道交通行业的牵引变流系统主力供应商，产品主要包括以轨道交通牵引变流系统为主的轨道交通电气装备、轨道工程机械、通信信号系统等。

同时，公司在功率半导体器件、工业变流产品、新能源汽车电驱系统、传感器件、海工装备等领域也均有业务布局。

科创板 IPO 审核状态已于 1 月 26 日更新为“已问询”。本次中车时代电气若成功过会，将实现“A H”两地上市。

公司最早依靠英国 Dynex 公司为基础进行 IGBT 业务拓展，此前 Dynex 公司已是高功率半导体排名前三的公司。

IGBT 的技术发展途径从 6500V 高压到中低压，从难到易，同时避免了低端 IGBT 的白热化价格战。公司市场空间偏向体系内，其体系下游企业优先采购自家产品，能验证产品质量，形成良性循环。

相比之下，国内许多厂商很难得到验证机会。

公司 IGBT 业务采用 IDM 模式，据公司科创板招股书披露，公司建有6英寸双极器件、8英寸 IGBT 和 6 英寸碳化硅的产业化基地，拥有芯片、模块、组件及应用的全套自主技术，公司已为新能源汽车、风力发电、光伏发电、高压变频器等批量供应 IGBT 器件，750V和1200V IGBT应用至新能源汽车，并已与国内多个龙头整车企业成为重要合作伙伴。

据 2020 年报披露，公司产品目前在广汽、东风等车型已经获得定点和订单项目。