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IGBT的三大赛道,哪条是王中王?

IGBT车规级IGBT
发布时间:2021-10-25

IGBT 热点解读

找研报,就上发现报告




上篇《IGBT频频被机构看好,这一双料概念出手“霸盘”!》简单讲了IGBT整体的概念,行业全局,及当前发展情况。今天报告酱将从其他角度分享——下游应用都有什么领域?行业空间分别有多大?最强赛道是哪条?



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IGBT有哪些分类


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。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

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。

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。

上篇文章我们也提到过,IGBT主要应用在工业控制、新能源发电和家电领域。但他在这三大领域中,每一个又有细分。



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工控领域


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

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。

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。预计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。

弧焊逆变器

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。



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新能源发电


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。

其中,资本市场最为看好的是车规级IGBT。

新能源车的快速发展给IGBT带来巨幅增量

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

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

另外,对于新能源车用IGBT而言,要求也会更高——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

车规级IGBT国产替代正当时

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44%,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。

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ModelX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。


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家电市场

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,随着节能环保的大力实施,IPM的应用潜力十分强劲。



以上就是IGBT最火爆的三大赛道,也正如上文所说,车规级IGBT在其中又是最被资本市场看好的那一个。报告酱相信,不久的之后国产IGBT也将会蓬勃发展,逐步走向更广阔的舞台。



参考研报


行业全景
【信达证券】电子行业周报:IGBT引领板块向上,探讨半导体长期投资机遇
【首创证券】电子行业深度报告:IGBT助力碳中和——工控市场规模测算
【安信证券】新能源车快速发展,车规级IGBT国产替代正当时


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