IGBT政策支持 国内厂商与国际巨头正面竞争

编者按：本文来自梧桐树资本作者：郭睿，集微网经授权发布。

“ IGBT被誉为功率半导体的皇冠明珠，是电能控制和转换（变压、变流、变频等）的“CPU”，可广泛应用于军工、高铁、可再生能源、智能电网、新能源汽车及家电中，是一种极其重要的芯片，随着下游行业的逐步放量，对IGBT的需求也大幅增长。

另外，作为第三代半导体材料SiC和GaN的直接竞争对手，IGBT有着悠久的历史，也在良率、成本及可靠性上有着短期内不可被替代的优势。梧桐树作为半导体领域的专业投资机构，对IGBT长期保持关注。

本文内容源自梧桐树资本产业投资部投资总监郭睿的行研报告《IGBT行业研究》。”

作者介绍

郭睿，梧桐树资本投资总监。获得美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料学硕士学位，师从电子封装泰斗King-Ning TU院士；曾任职于Renesas（瑞萨电子），负责芯片后道塑封工作；曾任职于熔拓资本，负责先进制造领域的投资与并购（包括半导体方向），在半导体与投资领域有丰富经验。

「报告结论」

IGBT为绝缘栅双极晶体管，为半导体功率器件中的全控器件，具有驱动功率小和饱和压降低等优势。IGBT是一个非通即断的开关，导通时可以看做导线，断开时当做开路。IGBT的开关特性可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用，其应用领域极其广泛，小到家电、数码产品，大到轨道交通、航空航天，以及清洁发电、新能源汽车等战略性新兴产业都会用到IGBT。

按电压分布来看，消费电子领域运用的IGBT产品为600V以下；太阳能逆变器、白色家电、新能源汽车所需的IGBT在600-1700V之间；动车组常用的IGBT模块为3300V和6500V，轨道交通所使用的IGBT电压在1700V-6500V之间。IGBT在新能源汽车中主要运用于电力驱动系统、车载空调系统和充电桩。

2017-2020年IGBT平均每年市场容量为102亿元。IGBT技术壁垒为芯片的设计能力，模块封装虽然技术门槛不高，但是出于下游市场规模的考虑，自建封装厂有利于提高整体收益。IGBT制造的核心工艺为背面制造工艺，这是一个相对独立的工艺，主要包括背面减薄、背面注入、背面清洗、背面金属化、背面退火。

全球IGBT 市场中最主要的供应厂商包括英飞凌、三菱、富士电机、东芝、ABB、仙童。其中，仙童等企业在消费级IGBT领域处于优势地位；ABB、英飞凌、三菱电机在中等电压的工业级IGBT领域占据优势；在3300V以上高电压等级的领域，英飞凌、ABB、三菱三家公司占据垄断地位，代表着国际IGBT技术的最高水平。中国企业以斯达为代表凭借政策和下游市场的优势，正在迎头赶上，缩短与国际巨头的差距。

IGBT的概念和分类

功率半导体器件指能够耐受高电压或承受大电流的半导体分立器件，主要用于电能变换和控制。

按照是否能通过外界条件控制器件的开通和关断的分类标准可分为：不可控型功率器件（普通功率二极管）、半控型功率器件（晶闸管等）、全控型功率器件（MOSFET、IGBT等）。二极管是最简单的功率半导体分立器件，单向导通，可以实现整流；晶闸管为半控型功率器件，只能触发导通，不能触发关断；IGBT为绝缘栅双极晶体管，可以触发导通，也可以触发关断，所以称为全控器件。

图1. 功率半导体器件分类

IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)-绝缘栅双极晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

IGBT是一个非通即断的开关，导通时可以看做导线，断开时当做开路。

IGBT的开关特性可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用，可以应用于逆变器、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT最常见的应用形式是模块，而不是单管。IGBT模块是IGBT芯片封装后的产品，将多个芯片以绝缘方式组装在金属基板上，再用空心塑壳封装，与空气的隔绝材料是高压硅脂或者硅脂，以及其他可能的软性绝缘材料。模块的主要优势在于：

1）多个IGBT芯片并联，IGBT的电流规格更大，减少了外部电路连接的复杂性，模块的参数一致性比分立元件要好。

2）模块与分立形式的单管进行外部连接相比，器件之间的连线被大大缩短，引线电感更小。

3）更适合于大功率应用。模块的最高电压等级一般会比IGBT单管高1-2个等级，如果单管产品的最高电压规格为1700V，则模块有2500V、3300V乃至更高电压规格的产品。

图2. IGBT 模块各应用领域产品

IGBT的应用领域

IGBT应用领域极其广泛，小到家电、数码产品，大到轨道交通、航空航天，以及清洁发电、新能源汽车等战略性新兴产业都会用到IGBT。按电压分布来看，消费电子领域运用的IGBT产品为600V以下；太阳能逆变器、白色家电、新能源汽车所需的IGBT在600-1700V之间；动车组常用的IGBT模块为3300V和6500V，轨道交通所使用的IGBT电压在1700V-6500V之间。

IGBT是新能源汽车电机驱动系统的核心元件，包括车载空调控制系统和充电桩中也需要用到IGBT。

IGBT的发展史

第一代：平面穿通型（PT）

第二代：改进的平面穿通型（PT）

第三代：沟槽型（Trench）

第四代：非穿通型（NPT）

第五代：电场截止型（FS）

第六代：沟槽型-电场截止型（FS-Trench）

第七代：逆导IGBT（RC-IGBT）

IGBT的市场容量

1、未来增长主要来自于新能源汽车产业链

IGBT主要运用于电力驱动系统、车载空调系统和充电桩。①电力驱动系统将电能转换为机械能，驱动电动汽车行驶，并能够在电动汽车减速制动时，将车轮的机械能转化为电能充入电池，是控制电动汽车最关键的部分；电力驱动系统主要由电子控制器、驱动电动机、电动机逆变器、传感器、机械传动装置和车轮组成，IGBT在电力驱动系统中用于逆变器模块，将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。②充电桩中，IGBT主要运用于直流快充充电桩，直流电桩通过三相电网输入交流电，经过三相桥式不可控整流电路整流变成直流电，滤波后提供给高频DC-DC功率变换器，进而输出需要的直流，为电动汽车动力蓄电池充电。③车载空调系统中也会用到IGBT，实现小功率的DC/AC逆变，从而驱动空调系统运行。

新能源汽车：两驱所使用的IGBT为1个电机加1个三项全桥模块，模块市场价格为1,200-2,600元/只，四驱所使用的IGBT为2个电机2个模块，市场价格为2,400-5,200元/只，再加上空调部分最少要4,000-6,000元，从2017-2020新能源汽车新增500万辆来计算，新能源汽车IGBT市场空间为200亿-300亿，平均按250亿来计算，则每年的市场规模为63亿元。

充电桩：目前我国充电桩市场存量约为20万座，十三五期间仍有近500万充电桩的建设需求，1个充电桩用到3-6只IGBT，市场价格为600元/只，则平均1个充电桩IGBT成本为2,500元，综上2017-2020年，充电桩所带动的IGBT市场规模将达到125亿元，平均每年为31亿元。

2、高铁与地铁市场相对平缓

高铁：CRH1、CRH2一辆高铁需要80个IGBT，CRH3一辆高铁需要128个IGBT，CRH5需要150个IGBT，平均每辆高铁需要115个IGBT，十三五高铁里程达3万公里，按当前密度高铁0.12辆/km计算（2,586辆/2.2万km），十三五还需要新建里程8,000公里，需要高铁960辆， 按每年交付300-350台动车组，每个IGBT模块按10,000元/块计算，市场规模为11亿元，平均每年市场规模为3亿元。

地铁：每辆地铁需求25个IGBT模块，2016年地铁拥有量2.18万辆，运营里程3168公里，保有量为6.88辆/公里，预计十三五新增3000公里，若保持当前的密度，则需要新增地铁20,644辆，按照IGBT模块5000元/个计算，市场容量为25亿元，平均每年市场容量为5亿元。

综上，预计2019-2020年IGBT平均每年市场容量为102亿元。

技术壁垒与核心工艺

IGBT技术壁垒为芯片的设计能力，其设计非常复杂，既要保持在高电压、大电流、高频环境下稳定工作，还要保持开关损耗、抗短路能力及导通压降平衡。模块封装是另一个需要考虑的壁垒，第一，出于下游市场规模的考虑，自建封装厂有利于提高整体收益；另外，IGBT模块对于可靠性要求极高，需要模块能适应不同的甚至恶劣的工作环境，这就对进入者在产品质量上提出了非常高的要求。

IGBT制造的核心工艺为背面制造工艺，这是一个相对独立的工艺，主要包括背面减薄、背面注入、背面清洗、背面金属化、背面退火。

国内外相关标的

1、国外企业

全球IGBT 市场中最主要的供应厂商包括英飞凌(Infineon)、三菱(Mitsubishi)、富士电机(Fuji Electric)、东芝(Toshiba)、ABB、仙童(Fairchild)。其中，仙童等企业在消费级IGBT领域处于优势地位；ABB、英飞凌、三菱电机在中等电压的工业级IGBT领域占据优势；在3300V以上高电压等级的领域，英飞凌、ABB、三菱三家公司占据垄断地位，代表着国际IGBT技术的最高水平。

根据英飞凌年报，2015年英飞凌以27.6%的市占率稳坐全球IGBT市场头把交椅，其次为三菱电机和富士电机，分别占20.6%和12.5%的市场份额；全球CR5达到73.2%，集中度较高。

2、国内企业

国内IGBT产业起步较晚，产业链中主要有16家企业，其中IDM模式企业有6家，封装模块企业6家，芯片设计企业4家。包括斯达半导、中车时代电气、比亚迪、杭州士兰微以及吉林华微等上市企业。其中斯达半导2018年全球市占率达2.2%，已经成为全球第八大IGBT模块供应商，其产品涵盖大功率模块、小功率模块、工业级中等功率模块、车用模块以及SiC模块。

目前，中国的一些厂商已经研发出第六代FS-Trench IGBT，并在第七代RC IGBT上具备相应的技术储备，同时随着政府对中国IGBT企业的政策支持，叠加中国下游市场对产品的大量需求，中国企业有望实现大规模的国产替代，后来居上与国际巨头正面竞争。