IGBT技术发展历史 IGBT内部结构及工作原理

近年来，为了推动功率半导体行业尤其是 IGBT产业健康快速发展，国家相关部门不仅制定了相关的一系列政策措施，还不断加大金融扶持力度。在国家政策引导和市场需求持续增长和的双重刺激下，吸引了一批拥有丰富科研经验的IGBT技术人才回国，同时也为一批企业提供了掌握IGBT核心技术的机会，进一步推进IGBT国产化进程。

IGBT：复合型功率器件

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功率半导体器件

功率半导体器件（Power Electronic Device）又称为电力电子器件和功率电子器件，是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件，其作用主要分为功率转换、功率放大、功率开关、线路保护和整流等。

功率半导体大致可分为功率半导体分立器件(包括功率模块)和功率半导体集成电路两大类。按照器件结构，现有的功率半导体分立器件可分二极管、功率晶体管、晶闸管等，其中功率晶体管分为双极性结型晶体管（BJT，俗称三极管）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。

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IGBT的概念

IGBT是由BJT和MOSFET组成的功率半导体器件，它的控制极为绝缘栅场效应晶体管，输出极为双极型功率晶体管，因而兼有两者速度和驱动能力的优点，克服了两者的缺点。IGBT可以在各种电路中提高功率转换、传送和控制的效率，实现节约能源、提高工业控制水平的目的，，被业界誉为电力电子装置的“CPU”，广泛应用于工业控制、轨道交通、白色家电、新能源发电、新能源汽车等领域。

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IGBT内部结构及工作原理

一般，IGBT有三个端子：集电极、发射极和栅极，他们都是附有金属层。但是，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。IGBT结构其实就相当于是一个四层半导体的器件。四层器件是通过组合PNP和NPN晶体管来实现的，它们构成了P-N-P-N排列。

IGBT的工作原理其实是通过不断激活和停用其栅极端子来开启、关闭实现的。如果正输入的电压通过栅极，发射器就会保持驱动电路开启。另一方面，如果IGBT的栅极端的电压为零或者为负时，则就会关闭电路应用。

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主要产品形式

依产品结构形式不同，IGBT有单管、IGBT模块和智能功率模块IPM三种类型。IGBT单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器及小功率变频器等领域；IGBT模块主要应用于大功率工业变频器、电焊机、新能源汽车（电机控制器、车载空调、充电桩）等领域（当前市场上销售的多为此类模块化产品）；智能功率模块IPM主要在变频空调、变频洗衣机等白色家电领域有广泛应用。

根据应用场景的电压不同，IGBT有超低压、低压、中压和高压等类型，其中新能源汽车、工业控制、家用电器等使用的IGBT以中压为主，而轨道交通、新能源发电和智能电网等对电压要求较高，主要使用高压IGBT。

IGBT技术发展历史

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。目前市场上应用最广泛的仍是IGBT第4代工艺产品。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。

IGBT市场规模及竞争情况

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IGBT全球市场规模

近年来，全球IGBT市场规模保持连年增长的趋势，根据Markets and markets数据，全球IGBT市场规模从2012年的32亿美元增长至2021年的70.9亿美元，年均复合增长率为6.6%，2021年，全球IGBT的市场规模为70.9亿美元，同比增长6.6%。

从应用领域来看，工业控制和新能源汽车是IGBT需求最大的两个下游领域，分别占比为37%和28%，其次是新能源发电和家电变频市场，需求占比分别为9%和8%。2020年以来，新能源汽车需求明显提速，2021年较2020年需求占比提升19%，是IGBT主要的增量需求来源。

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IGBT国内市场规模

随着全球制造业向我国的转移，我国已逐渐成为全球最大的IGBT市场。相关数据显示，2016-2021年，我国IGBT产量及需求量均呈现连年增长的趋势，2021年，我国IGBT的需求量为13000万只，同比增长20.00%；生产量为2580万只，同比增长27.72%；产需差值为10620万只。2021年，我国IGBT市场规模约为218.75亿元，同比增长37.23%。近年来，我国积极践行“碳达峰、碳中和”发展战略，在各行业推行节能减排目标，不断优化调整能源使用结构，大力发展新能源产业，叠加工业自动化进程加快，我国对于IGBT的市场需求不断扩大。预计到2025年，我国IGBT市场规模将达到600亿元左右。

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IGBT竞争格局

从全球市场竞争格局来看，欧美日厂商资金实力雄厚、技术水平领先、产业经验丰富，凭借先发优势抢占了全球功率半导体绝大多数的市场份额，并且一直保持较大的领先优势。国内厂商在全球竞争中不具备优势，所占市场份额较低。在国内市场竞争格局中，国际大厂仍占据绝大部分市场份额，国产化率低于20%。

根据Yole相关数据统计，全球IGBT的市场集中度较高，行业CR3达到51%。其中，英飞凌、三菱、安森美三家企业的市场占比分别为27%、14%、10%，在全球IGBT市场竞争格局中位列前三名；士兰微是我国唯一进入全球前十的品牌，其市场占比约为3%。

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中国IGBT芯片企业产品布局

中国IGBT芯片行业代表性企业从技术格局来看，斯达半导应用第七代IGBT技术，电压覆盖范围为100-3300V；华微电子布局第六代IGBT技术，电压覆盖范围为360-1350V；士兰微、时代电气、宏微科技应用第五代IGBT技术；新洁能主要应用第四代IGBT技术。

从IGBT芯片产品主要应用领域来看，时代电气、斯达半导两家企业覆盖领域较广，时代电气IGBT芯片主要应用领域覆盖了轨交、车载、光伏、风电、工控等，斯达半导IGBT芯片主要应用领域覆盖车载、光伏、风电、工控、家电等。

资料来源：东海证券研究所、前瞻产业研究院、智研咨询、华西证券股权专家

编辑：黄飞