IGBT被稱為電力電子行業裡的“CPU”,是工業控制及自動化領域的核心元器件。
作為一種新型電力電子器件,IGBT是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產品,能夠根據工業裝置中的訊號指令來調節電路中的電壓、電流、頻率、相位等,以實現精準調控的目的。
IGBT廣泛應用於電機節能、軌道交通、智慧電網、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發電、新能源汽車等領域。#igbt#
在新能源汽車領域中,IGBT發揮著核心作用,佔據了電機控制器成本的37%,是汽車動力系統的“心臟”。其兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導通壓降兩方面優點,是電力電子領域較為理想的開關器件,也是未來應用發展的主要方向。
據行行查資料顯示,2020年全球IGBT市場空間已達60億美元左右,預計未來五年我國新能源汽車和充電樁市場將帶動200億元IGBT模組的國內市場需求,汽車半導體功率器件有望迎來黃金髮展期。
IGBT在新能源汽車中的應用:
與傳統燃油車相比,新能源汽車沒有發動機和啟停系統,新增了“三電系統”,即電池、電機、電控系統,以及車載DC/DC、電空調驅動、車載充電器(OBC)等電力電子裝置,相應地實現能量轉換及傳輸的核心器件—功率半導體含量大大增加。
根據英飛凌資料,傳統燃油車中,功率半導體含量為71美元,全插混/純電池電動車中,功率半導體價值量為330美元,是傳統燃油車的4.6倍。
新能源汽車“三電系統”圖示:
IGBT產業鏈
IGBT產業鏈可以分為四部分,晶片設計、晶片製造、模組設計及製造封測,其中晶片設計和模組設計以及工藝設計都有非常高的技術壁壘,需要非常專業化的研發團隊和長時間的技術積累。
IGBT產業鏈公司運作模式可分為Fabless(無工廠晶片供應商)、Foundry(代工廠)、IDM(整合器件製造)三類。
Fabless模式主要負責設計晶片電路以及最終的銷售,將具體生產環節外包,在中國市場主要廠商有斯達半導、東微半導體、中科君芯、無錫新潔能等。
Foundry模式主要負責主製造、封裝或測試的其中環節。製造部分有華虹半導體、中芯國際、華潤微電子、上海先進,其中華虹半導體已經為IGBT代工;封裝部分有賽晶電力電子、中車永電、威海新佳、美林電子,其中賽晶電力電子是國內IGBT封裝較為成熟的公司,其也是外資ABB在國內最大的大功率半導體器件分銷商。
IDM模式集晶片設計、製造、封測多個環節於一身。若某家公司三個環節均同時掌握,則是IDM模式。全球龍頭企業多為此模式,比如英飛凌、三菱等;在中國市場IDM模式代表企業包括比亞迪、中車時代電氣、斯達半導體及士蘭微等,前三家公司主要從事IGBT器件的IDM生產。
IGBT產業鏈代表公司運作模式:
新能源車IGBT產業鏈又主要分為上游元器件,中游電控和下游整車廠環節。
新能源汽車整車產業鏈:
電控作為新能源整車中重要環節,接受整車控制器的指令,進而控制驅動電機的轉速和轉矩,以控制整車的運動,相當於傳統汽車的發動機,佔到整車成本的15~20%,是除了電池之外成本第二高的器件。
為保證電控系統長時間穩定執行,上游IGBT模組的重要性不可忽視。
新能源汽車對IGBT壽命要求高且新能源汽車工況較為複雜,對IGBT模組的散熱性、可靠性等提出了較高要求。
IGBT模組供應商為進入市場,需首先透過下游電控廠及整車廠長達1-2年左右的驗證週期,確保安全性、可靠性等必備要素基礎上方有望大批次放量。
新能源車IGBT競爭格局
全球範圍來看,IGBT市場呈現寡頭壟斷格局,前五企業均為海外廠商,佔據了全球近70%的市場份額。
英飛凌作為全球IGBT龍頭,在IGBT分立器件、模組和IPM領域領先地位突出,加上富士電機、安森美、東芝、三菱、瑞士ABB等國外廠商,共同形成了高集中度的市場結構。
截至2020年底,在最大的IGBT模組市場中,英飛凌裝機量市佔率達到近40%,在IGBT分立器件與IPM市場中佔比同樣超過30%。
國內廠商僅有比亞迪微電子、斯達半導及中車時代電氣三家企業入圍市場份額TOP10,國產化率較低。
在新能源汽車領域,隨著市場對於整車效能要求的迅速提高,車規級IGBT呈現出高電壓、高效率、高功率密度和高可靠性的“四高”特性。
未來,IGBT行業會在精細化技術、超結技術、高結溫終端技術、先進封裝技術、功能整合技術等方向進一步探索,實現尺寸厚度、功率密度、驅動效率、結溫、可靠性等方面的最佳化,不斷降低生產成本。
中國《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》提出新能源汽車發展願景,計劃到2025年,國內新能源汽車滲透率達到20%。
基於國家相關政策中提出核心元器件國產化的要求,隨著供應鏈自主安全意識的加強,IGBT作為半導體器件突出代表成為重點發展物件,有望迎來高速發展,國產替代也將成為未來IGBT行業發展的主旋律之一。