IGBT行业深度报告：IGBT技术发展趋势

1. IGBT：电力电子行业中的核心器件

IGBT被称为电力电子行业的“CPU”

IGBT具有优秀的综合性能。IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管，它由绝缘栅型场效应管和双极型三极管两个部分组成，其兼具MOSFET输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快和 BJT通态电流大、导通压降低、损耗小等优点，是功率半导体未来主要的发展方向之一。

凭借优异的性能，IGBT拥有广泛的下游应用

IGBT凭借着高功率密度、驱动电路简单以及宽安全工作区等特点，成为了中大功率、中低频率电力电子设备的首选。在工作频率低于105Hz的范围内，硅基IGBT是首选的功率半导体器件，其功率范围涵盖几千瓦至十兆瓦，典型的应用领域包括工业控制（变频器、逆变焊机、不间断电源等）；新能源汽车（主电驱、OBC、空调、转向等）；新能源发电（光伏逆变器、风电变流器）；变频白电（IPM）；轨道交通（牵引变流器）；智能电网等。

IGBT技术发展趋势

从正面栅极结构上来看，其结构经历了从平面栅向沟槽栅以及最新的微沟槽栅的演化，目前市场 主流的IGBT芯片以沟槽栅为主。栅极结构从平面向沟槽的发展有利于提高电流密度、降低导通 压降、降低元胞尺并降低制造成本。

从体结构上来看，其经历了从穿通型（PT，Punch Through）到非穿通型（NPT，Non-Punch Through）再到场截止型（FS，Field Stop）三代的演化。

通过不断的技术迭代，IGBT芯片各项性能指标不断优化。从最早的平面穿通型（PT）迭代至 2018年的精细沟槽栅场截止型，IGBT芯片的各项技术指标如芯片面积、工艺线宽、导通压降、 关断时间和功率损耗等均得到了不断优化。

英飞凌IGBT芯片迭代历程

从最初的平面穿通型IGBT到微沟槽场截止IGBT，英飞凌的IGBT芯片技术引进迭代到了第七代。（此处没有列出仅有单管封装产品的IGBT芯片）。

2.空间：新能源等驱动IGBT需求持续增长

全球IGBT市场规模已超过66亿美元

全球IGBT市场规模持续增长，目前已经超过66亿美元。根据研究机构Omdia的数据，全球IGBT市 场规模在过去近十年中保持持续增长，从2012年的32亿美元增长至2020年的66亿美元，八年间的复合增长率在10%左右。全球范围内来看，工控和新能源汽车是IGBT需求占比最大的两个下游领域。分下游需求来看 （2017年数据），工控是IGBT目前最大的需求市场，需求占比达到37%；新能源汽车位居第二大市场，需求占比为28%；其次是新能源发电和变频白电市场，两者的需求占比分别为9%和8%。

中国IGBT市场规模占到全球近四成，且增速更快

中国IGBT市场规模迅速增长，2019年已超过150亿元。根据智研咨询的数据，中国IGBT市场规模增长迅速，从2012年的60亿元增长至2019年的155亿元，复合增速在15%左右，相比全球IGBT市场规模的增速更高。

工控：IGBT需求基本盘，未来将实现稳步增长

IGBT是变频器、逆变焊机、UPS电源和电磁感应加热等传统工业控制及电源行业的核心元器件。以工控领域最常用的变频器为例，变频器是把固定电压、固定频率变换成电压和频率可变化的设备，其通常由整流部分、滤波部分、逆变部分、制动电路、驱动电路和检测电路等组成。IGBT 通常应用在变频器中的逆变电路以及制动电路中，其中以逆变电路的应用为主。变频器依靠内部 IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率。

新能源汽车：IGBT最重要的增量市场

IGBT是新能源汽车中的核心元器件。IGBT在新能源汽车中得到了广泛的应用，对整车的性能有 着重要的影响。IGBT在新能源汽车中的主要应用包括电机控制器、车载充电器（OBC）、车载 空调、以及为新能源汽车充电的直流充电桩中。

新能源发电：IGBT广泛应用在光伏和风电行业

光伏发电需要通过光伏逆变器后并入电网，IGBT是光伏逆变器的核心部件。光伏逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键设备之一，其作用是将光伏发电所产生的直流电转化为符合电网电能质 量要求的交流电，IGBT则是光伏逆变器的核心部件。

变频白电：变频家电也是IGBT重要的应用领域

我国变频白电的渗透率正不断提升。我国三大白电销量近年来稳定在3亿上下，且随着节能减排 要求的提高，我国白电的变频化率正不断提升，根据产业在线的数据，2021年空调、冰箱和洗衣机的变频化率分别达到68%、34%和46%，未来还将进一步提升。

轨道交通：IGBT是轨道交通牵引中的核心器件

交流传动技术是现代轨道交通牵引传动的主流选择和核心技术。交流传动原理：车辆经受电弓从接触网获得单相交流高压电，输送给车载牵引变压器进行降压，然后通过整流器转换成直流电， 再由逆变器将直流电转换成调频调压的三相交流电，最后输送给交流牵引电机，整个过程包含了交-直-交的变化。交流传动优势：（1）良好的牵引和制动性能；（2）功率因数高，谐波干扰小；（3）电机功率大、体积小、质量轻、运行可靠性高；（4）动态性能和粘着利用好。

3.格局：外资垄断集中度高，国产替代持续加速

IGBT行业拥有很高的进入壁垒

从行业进入的角度来看，IGBT行业的进入门槛非常高。整体来看，IGBT行业的进入壁垒有三个方面，分别为技术壁垒、市场壁垒以及资金壁垒，这里我们主要关注前面两者。

技术壁垒：IGBT的技术环节包含了IGBT芯片的设计和制造以及模组的设计和制造。（1）IGBT 芯片需要工作在大电流、高电压和高频率的环境下，对芯片的可靠性有着很高的要求；同时芯片设计还要保证开通关断、抗短路能力和导通压降的均衡。因此IGBT芯片自主研发的要求非常高，设计和参数的调整优化十分特殊复杂，有着非常多的行业know how的积累。（2）IGBT芯片的制造环节同样有着较高的难度，一方面IGBT芯片本身的背面工艺难度较高，另一方面IDM模式自建产能需要非常大的资金投入，而Fabless模式下需要与代工厂实现技术和工艺的深度磨合。（3）模块方面，由于模块的集成度高，且工作在大电流、高电压、高温等恶劣环境下，因此在模块设计和制造工艺实现上须同时考虑绝缘、耐压、散热和电磁干扰等诸多因素。要实现IGBT模块产 品的高可靠性、稳定性和一致性同样需要长时间的行业经验积累。

市场壁垒：IGBT是下游应用产品的核心器件，IGBT的产品性能、可靠性以及稳定性对下游产品的性能表现有着直接的影响。因此，客户在导入IGBT时的验证测试周期长，替换成本高。因此客户在选择IGBT时通常较为保守谨慎，且一旦在选定后去做更改和替换的意愿都不强。

格局：IGBT高壁垒形成了少数外资垄断的格局

全球IGBT市场目前处于德国、日本和美国企业垄断的格局。由于IGBT行业进入门槛高，且外资厂商的业务起步早，先发优势明显（英飞凌第一代IGBT产品诞生于1988年），因此形成了当前 IGBT市场被德日美等国企业垄断的局面，目前全球IGBT前五大厂商分别为英飞凌、三菱、富士 电机、安森美和赛米控。且英飞凌、三菱、富士电机和安森美均为IDM模式，垂直整合整个产业链的上中下游，建立起了强大的护城河。

格局变化：国产进步+供应链安全推动国产替代换挡提速

国产替代加速的内在原因：（1）IGBT作为功率半导体期间，其技术迭代速度较慢，周期较长，一代产品的使用时间非常长，超过十年；且客户主要追求的是IGBT产品的稳定性和可靠性，对新技术的追求意愿不高（英飞凌2007年推出的第四代IGBT芯片仍然是当前行业的主力产品）。因此，虽然国内IGBT厂家的起步较晚，但是行业留给了本土IGBT厂家充足的发展和追赶的时间，目前国内IGBT厂商技术进步较快，已经有产品能大批量满足下游客户需求。（2）本土IGBT企业的服务更好，能快速响应下游客户的需求，并且产品价格上相比于外资有一定优势，有利于下 游客户的降本。（报告来源：未来智库）

4.碳化硅——第三代半导体功率器件大有可为

碳化硅材料具有优越的性能

常见的半导体材料包括硅、锗等元素半导体以及砷化镓、碳化硅、氮化镓等化合物半导体材料， 根据研究和规模化应用的时间先后，业内通常将半导体材料划分为三代：

第一代半导体材料：以硅和锗为代表，典型应用是集成电路。硅基半导体材料是目前产量最大、 应用范围最为广泛的半导体材料。

第二代半导体材料：以砷化镓为代表。砷化镓电子迁移率为硅的6倍以上，其器件具有高频、高 速的光电性能，因此被广泛应用于光电子和微电子领域。

第三代半导体材料：以碳化硅和氮化镓为代表。相比于前两代半导体材料，碳化硅具有禁带宽度 大、击穿电场强度高、热导率高、电子饱和速率高以及抗辐射能力强等特点，适用于高压、高频 和高温的场景，特别适合于电力电子领域的高功率半导体器件的制造。

碳化硅器件的性能同样优于硅基器件

得益于碳化硅材料的优异特性，基于碳化硅材料的碳化硅功率器件具有优越的电气性能：

耐高压：碳化硅材料的击穿电场强度为传统硅基材料的十倍，因此碳化硅功率器件的耐高压特性 显著强于同规格的硅基功率器件；

耐高温：一方面，碳化硅的热导率为硅材料的三倍以上，在同样功率的情况下具有更好的散热能 力，保持更低的温度，由此降低器件散热设计方面的要求，有利于提高集成度，使得器件向小型 化方向发展。另一方面，碳化硅的禁带宽度是硅基的三倍以上，禁带宽度越宽，器件的极限工作温度越高（半导体器件在高温下会产生载流子本征激发现象，造成器件失效），因此碳化硅功率 器件的极限工作温度能达到600℃以上，而目前硅基的IGBT工作温度一般在175℃。

低损耗：碳化硅饱和电子漂移速度是硅的两倍以上，因此碳化硅器件具有更低的导通电阻，导通损耗低；碳化硅器件不存在电流拖尾，开关损耗也比硅基器件要低，也可以实现更高的开关频率。

碳化硅产业将迎来快速发展

受新能源汽车应用的带动，碳化硅器件市场将高速增长。根据Yole的预测，受益于碳化硅在新能源汽车、工业和能源等领域需求的增长，全球碳化硅器件市场将从2021年10亿美元的规模增长至 2027年的60亿美元以上，复合增速将高达34%；其中汽车碳化硅器件的市场将从2021年的6.85亿 美元增长至2027年的约50亿美元，复合增速高达40%，至2027年汽车碳化硅器件市场规模将占到 碳化硅器件市场总规模的80%左右。

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审核编辑 ：李倩