IGBT产业,功率半导体核心元器件的发展

2020-05-08来源: 乐晴智库关键字:IGBT

IGBT是国际上公认的电力电子技术第三次革命具代表性的产品。作为工业控制及自动化领域的核心元器件,被称为能量转换的CPU,属于我国“02专项”重点扶持项目。

 

IGBT即Insulated Gate Bipolar(绝缘栅双极晶体管),属于电压控制器件,是由BJT和MOSFET组成的复合功率半导体器件,是半导体领域里分立器件中特别重要的一个分支。

 

能够根据工业装置中的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,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、新能源汽车等领域。

 

 

中国是最大的功率半导体消费国,2018年市场需求规模达到138亿美元(iHS数据),增速为9.5%,占全球需求比例高达35%。iHS预计未来中国功率半导体将继续保持较高速度增长,2021年市场规模有望达到159亿美元,年化增速达4.8%。

 

根据中国产业信息网的数据,2018年中国IGBT市场规模为161.9亿元,同比增长22.19%,增速显著高于全球平均水平。根据Trendforce预测,国内IGBT行业规模在2025年将增至522亿元,期间CAGR高达19.1%。

 

发展国产化IGBT芯片,打破国际技术封锁,是保障国家基础战略产业发展的需要。在新能源、节能环保“十二五”规划等一系列国家政策措施的支持下,国内IGBT 的发展亦获得巨大的推动力,市场持续快速增长。

 

 

根据iHS的统计,中国功率半导体市场中前三大产品是电源管理IC、MOSFET、IGBT,三者市场规模占2018年中国功率半导体市场规模比例分别为60.98%,20.21%与13.92%。

 

IGBT结合了BJT和MOSFET的优点,既有MOSFET的开关速度快、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,在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的,因而是电力电子领域较为理想的开关器件,是未来应用发展的主要方向。

 

从20 世纪80 年代至今,IGBT 芯片经历了5-6 代产品升级,从平面穿通型(PT)到沟槽型电场—截止型(FS-Trench),各方面指标都得到了不断的优化。芯片面积缩小为最初的四分之一,工艺线宽从5微米降到0.5微米,通态饱和压降从3伏降到1伏,关断时间也更快,从0.5微秒降到0.15微秒,功率损耗也更低,断态电压也从600V 提高到了6500V 以上。

 

根据中国产业信息网的数据,全球前五大IGBT厂商的市场份额合计达74%,同时,从400V及以下的常规IGBT市场到4500V以上的高端IGBT市场,海外厂商的IGBT产品的市场优势地位均十分明显。

 

从低、中、高压IGBT市场来看,大部分的厂商都提供600-1300V中压范围内的IGBT分立和模块解决方案,只有少数厂商专门从事低压分立IGBT市场,目前,全球IGBT市场主要由英飞凌、三菱电机、富士电机、安森美和ABB等海外厂商占据,他们的产品覆盖整个低中高压市场,是市场的主流玩家。

 

各个厂商拥有在不同产品线拥有自身的优势。尽管英飞凌等厂商研发和生产的IGBT产品范围非常齐全,但是并非他们在所有市场都有主导地位。例如在600V-1700V的市场英飞凌是市场第一大供应商,但是在2500-300V以及4500V以上的市场上三菱则处于优势地位。

 

 

目前国内功率半导体企业仅在二极管、晶闸管领域开始广泛替代,而在MOSFET、IGBT与国外企业存在较大差距。

 

在国内IGBT市场,海外厂商同样占据50%以上的市场份额,国产替代的空间十分广阔。根据IHS 数据,国内MOSFET器件仅英飞凌、安森美两家企业就占据45.3%的市场份额,前五厂商中仅有华润微一家中国公司(若不计入安世半导体份额);IGBT方面,全球前十大IGBT模块供应商占据77.7%的份额,当中仅有斯达半导一家国内企业进入排名,占据2%的市场份额。根据ASMC披露,我国90%以上IGBT产品需要进口。

 

从我国IGBT企业目前的竞争局面来看,制造和封测模组环节竞争力较强,以上海先进半导体(积塔半导体)、华虹半导体、华润微电子为主导的晶圆代工制造企业已经具备了8-12寸IGBT芯片生产的技术,并积极推进国产制造端的升级。但是在芯片设计端相对薄弱,只有中车时代电气、比亚迪、斯达半导、士兰微等少数几家公司具备竞争力。

 

IGBT产业链可以分为四部分,芯片设计、芯片制造、模块设计及制造封测,其中芯片设计和模块设计以及工艺设计都有非常高的技术壁垒,需要非常专业化的研发团队和长时间的技术积累。

 

近几年中国IGBT产业在国家政策推动和市场牵引下得到迅速发展,产业链逐步完善。与集成电路,功率半导体也同样存在IDM和fabless两种经营模式,目前,我国采取两种经营模式的厂商都有。

 

IDM的企业有中车时代电气、比亚迪微电子、士兰微、华微电子、华润微、台基股份、扬杰科技、斯达半导等。设计公司有中科君芯、达新半导体、紫光微电子、无锡新洁能、芯派科技,制造公司有华虹宏力、上海先进、中芯国际、方正微电子、华润上华,模组公司有芯能半导体、西安永电、宏微科技、威海新佳、银茂微电子等。

 

 

IGBT在新能源汽车领域中发挥着至关重要的作用,是新能源汽车电机控制器、车载空调、充电桩等设备的核心元器件。

 

新能源汽车工作时电流范围在-100A到+150A之间,如此巨大的电流需要被电控单元精准控制,以实现汽车的制动,而当中最核心的零部件就是IGBT。

 

在电动汽车中,电机驱动系统占整车成本的15-20%,而IGBT又在电机驱动系统中占比50%左右,即IGBT占整车成本的7-10%,是除电池外最贵的零部件之一。

 

新能源汽车中的功率半导体价值量提升十分显著,根据英飞凌的数据,新能源中汽车功率半导体器件的价值量约为传统燃油车的5倍以上。

 

其中,IGBT约占新能源汽车电控系统成本的37%,是电控系统中最核心的电子器件之一,因此,未来新能源汽车市场的快速增长,有望带动以IGBT为代表的功率半导体器件的价值量显著提升,从而有力推动IGBT市场的发展。

 

根据中汽协数据,2019年我国新能源汽车渗透率为4.7%,仍处于非常低的状态,如果2025年达到渗透率25%的目标,未来几年年复合增长率达到30%,成长空间广阔。

 

从国产替代的进程来看,中车时代电气在高铁IGBT等重点领域具备了扎实的实力,其他公司的产品主要是从工控、光伏和风电等领域先行替代,在新能源汽车等高端领域的替代进程相对较慢。

 

 

在传统工业控制及电源行业支撑下,随着变频器进入新能源领域的拉动,电焊机市场的持续升温,IGBT 下游的新能源汽车、变频家电、新能源发电等领域发展迅速,未来IGBT 市场将继续保持稳定增长势头。在产业政策和市场需求的驱动下,IGBT国产化进程加速启动。

 


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