IGBT的市场机遇

中科院微电子研究所 5天前

来源：君芯科技

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即绝缘栅双极型晶体管，是由BJT和MOSFET组成的复合功率半导体器件，既具备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，在高压、大电流、高速等方面有突出的产品竞争力，已成为电力电子领域开关器件的主流发展方向。



自20世纪80年代末开始工业化应用以来，IGBT发展迅速，不仅在工业应用中取代了MOSFET和GTR，甚至已扩展到SCR及GTO占优势的大功率应用领域，还在消费类电子应用中逐步取代了BJT、MOSFET等功率器件的许多应用领域。


作为一种新型电力电子器件，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，是工业控制及自动化领域的核心元器件，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。随着新能源汽车的发展以及变频白色家电的普及，IGBT的应用优势逐步凸显，它不仅在工业应用中提高了设备的自动化水平、控制精度等，也大幅提高了电能的应用效率，同时减小了产品体积和重量，节约了材料，未来的应用空间十分广阔。



IGBT既可控制信号的导通、也可控制信号的关断，是典型的全控型功率半导体器件，目前，以IGBT为代表的全控型功率半导体器件在工作频率、工作电压和信号控制性等方面的性能出众，正逐步发展为中高端功率半导体器件的主流应用形态。



按照工作电压的不同，IGBT在650V至6500V的电压范围内的各类应用场景广泛应用。其中，工业IGBT应用一般为650V、1200V和6500V级别、新能源汽车和家电IGBT应用一般为650V和1200V级别，新能源发电IGBT应用一般为1200V和1700V级别。


目前，全球市场上，工控、新能源和家电市场是IGBT的主要应用领域，根据Yole的数据，2017年，工控领域IGBT的市场规模为17.32亿美元，占比为37%；新能源汽车领域IGBT的市场规模为13.10亿美元，占比为28%；新能源发电领域IGBT市场规模为4.21亿美元，占比9%；家电领域IGBT的市场规模为3.74亿美元，占比为8%。而在国内市场，根据中国产业信息网的数据，2018年，新能源汽车领域IGBT的市场规模为50.19亿元，占比为31%；家电领域IGBT的市场规模为43.71亿元，占比为27%；工控领域IGBT的市场规模为32.38亿元，占比为20%；新能源发电领域IGBT的市场规模为17.81亿元，占比11%。



受益于工业控制及电源行业市场的逐步回暖，以及下游的变频家电、新能源汽车等领域的迅速发展，IGBT市场有望持续增长。根据博思数据研究中心的统计，2020年全球IGBT市场规模将达57.67亿美元，同比增长6.40%，并且未来市场规模有望保持稳定增长。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。


工业控制IGBT需求稳定，是国产化最快的领域


随着工业控制及电源行业市场的逐步回暖，IGBT在此领域的市场规模有望逐步扩大。IGBT是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件，且已在此领域中得到广泛应用。我国变频器行业的市场规模总体呈上升态势，目前，变频器在冶金、煤炭、石油化工等工业领域的应用规模将保持稳定增长，同时，在城市化率提升的背景下，变频器在市政、轨道交通等公共事业领域的需求也会继续增长。此外，逆变式弧焊电源凭借优异的电源特性在电焊机市场持续渗透，推动逆变式弧焊电源的应用市场规模逐步扩大。随着变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的发展，IGBT的市场规模有望持续增长。


受益于在冶金、煤炭、石油化工、电力等工业领域和市政、轨道交通等公共事业领域的广泛应用，工控变频器市场持续增长。根据睿工业的数据，2018年国内变频器市场规模达203亿元。其中，汇川技术等本土企业在变频器市场持续突破，产品品类不断丰富，市场应用不断拓展，推动了市场份额的持续提升。根据中自网数据，2016年汇川技术在低压变频器市场的市占率为6%，位居市场第三位，2018年，汇川技术在低压变频器市场的市占率增长至14%，跃居市场第二位，市场地位突出。


家电变频化推升IGBT需求

IGBT是白色家电实现变频功能的核心元器件，其高频开闭合功能能够带来以下优点：（1）较小的导通损耗和开关损耗；（2）出色的EMI性能，可通过改变驱动电阻的大小满足EMI需求的同时保持开关损耗在合理范围内；（3）强大的抗短路能力；（4）较小的电压尖峰（对家电起到保护作用）。中国作为全球最大的家电市场和生产基地，IGBT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，2018年我国变频空调销量达6434.10万台，同比增长8.76%，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。根据产业在线的数据，2018年，中国变频冰箱销量为1665.7万台，同比增长31.10%，中国变频洗衣机销量为2163.3万台，同比增长24.54%。随着节能环保的大力推行，具有变频功能的白色家电的市场前景将十分广阔，从而为IGBT市场的增长提供稳定的市场需求。


中国本土厂商在全球家电市场的优势地位逐步显现，以冰箱和洗衣机市场为例，在冰箱市场，根据欧睿国际的数据，2017年，海尔以17.3%的市场份额第十次位列全球第一位，美的以3.7%的份额位居全球第五位。在洗衣机市场，根据欧睿国际的数据，2018年，海尔位居全球洗衣机市场市占率首位，市场份额为22.1%，美的的市场份额为13.4%，位列全球第三位。中国本土厂商在全球家电市场占据了突出的市场份额，随着家电变频化趋势的深入，有望与本土IGBT厂商形成良好协同，为IGBT的国产替代带来重要机遇。


光伏与风力发电装机稳定增长，IGBT国产替代需求空间广阔

新能源发电主要以光伏发电和风力发电为主，根据中国电力化工网的数据，2020年，全球光伏发电装机容量将达736.62GW，同比增长20.48%，我国光伏发电装机容量继续保持快速增长，2020年累计装机有望达516GW，同比增长50%，装机容量位居世界第一。


根据前瞻产业研究院的数据，2020年，全球风电装机容量有望达711GW，同比增长9.55%，中国风电装机容量2020年将达506.1GW，同比增长18.80%，增速显著高于全球平均水平。由于新能源发电输出的电能不符合电网要求，需通过光伏逆变器或风力发电逆变器将其整流成直流电，再逆变成符合电网要求的交流电后输入并网。IGBT是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。


光伏逆变器是光伏系统中将太阳能电池提供的直流电压转换成交流电压，使之适应电网电压水平并输入电网的设备，是太阳能电力系统的核心部件之一。IGBT在逆变器中的作用是一个高速无触点电子开关，利用IGBT的开关原理，通过控制电路给予适当的开通、关断信号，IGBT则根据控制信号将直流电变换成交流电，此外，IGBT还可以通过控制信号的脉宽调节来控制电流的大小，也可以控制交流频率，从而控制逆变器的输出功率，是实现逆变器正常工作、逆变器微型化以及提升逆变器功率密度的核心电子器件。


目前，以华为、阳光电源为主的本土厂商在光伏逆变器市场持续突破，根据Solaredge的数据，2018年，华为在全球逆变器市场的份额达22%，市占率位列全球第一，阳光电源的市场份额为15%，市占率位居全球第二位。特别是在三相组串型逆变器市场，2017年华为的市占率已达56%，市场优势地位突出，本土光伏逆变器厂商的快速发展和突出的市场地位也为国产IGBT替代带来了显著的区位优势和协同效应。


电动汽车未来有望成为IGBT最大的下游市场

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。


随着新能源汽车市场的快速发展和智能驾驶技术的应用，新能源汽车中以IGBT为代表的功率半导体器件产品的需求量有望进一步提升。根据中商产业研究院的数据，传统汽车中功率半导体在汽车半导体中的用量占比约为21%，低于IC产品的用量（23%），但在纯电动新能源汽车中，功率半导体的用量显著增加，在汽车半导体中的用量占比约达56%。



同时，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。


新能源汽车市场规模保持快速增长趋势，根据中商产业研究院的数据，2020年，全球新能源汽车产量将达424.5万辆，同比增长42.69%。根据前瞻产业研究院的数据，2020年，中国新能源汽车产量有望达279.5万辆，同比增长47.49%，增速高于全球水平，并且未来新能源汽车的市场规模有望继续扩张。新能源汽车市场规模的增长，有望持续带动IGBT市场的需求提升。


新能源汽车应用在全球IGBT市场的占比不断提升，根据Yole的数据，预计全球IGBT市场规模将在2022年超过50亿美元。其中电动车（EV/HEV）动力系统的电气化，将成为助推全球IGBT市场增长的主要力量。2016年全球电动车（EV/HEV）IGBT市场规模约9亿美元，而到2022年，该领域市场规模有望达到20亿美元，将占据IGBT总体市场的40%。


替代空间广阔，IGBT国产化加速推进


IGBT技术演化路线：微型化与高功率成为趋势

自上世纪80年度IGBT开启工业化应用以来，IGBT技术经历了丰富的技术演变，涌现出六代不同的IGBT技术方案，但这些方案主要由英飞凌、三菱电机和富士电机等海外厂商主导。



在英飞凌、富士电机、ABB等厂商的推动下，IGBT的结构设计仍在不断突破和创新，并涌现出了P-ring TS+Trench、超级结和SiC IGBT等全新技术，推动IGBT应用和市场的持续发展。


同时，IGBT的制造工艺也在持续革新，IGBT产品的差异化和性能的提升有赖于掺杂、扩散和薄片加工等多种工艺的应用，相关工艺的技术壁垒较高，制造技术也成为实现IGBT自主创新的关键。


全球龙头厂商占据全球与中国市场主要份额

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，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。


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。


厚积薄发，本土IGBT厂商积极突围

目前，IGBT国产化已成为国家关键半导体器件的发展重点之一，IGBT也被列为国家“02专项”的重点扶持项目，相关产业进入高速发展阶段。同时，广阔的IGBT市场中也涌现出一批包括中车时代电气（3898.HK）、比亚迪（比亚迪股份，1211.HK）、中科君芯、斯达半导等在内的掌握IGBT核心技术的企业，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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