功率器件行业分析

功率器件行业分析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，以适应不同用电装臵的不同需求。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

InsulatedGateBipolarTransistor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

N+

buffer，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成都，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。PTIGBT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，中国

IGBT行业市场规模为

79.8

亿元，预测到

2020

年，中国

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

年中国行业

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，中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

年中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

年中国电焊机产量为

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/100AIGBT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

年中国变频空调销量达

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结温上升，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