2020年中國IGBT行業(yè)市場需求及IGBT芯片技術未來發(fā)展趨勢分析[圖]

    一、下游多領域驅動IGBT行業(yè)快速成長

    1、工業(yè)控制為IGBT最大市場領域，需求穩(wěn)定增長

    工業(yè)控制為IGBT最大市場需求領域，需求穩(wěn)定增長。IGBT模塊是變頻器、逆變焊機等傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)的核心元器件，且已在此領域中得到廣泛應用。目前，隨著工業(yè)控制及電源行業(yè)市場的逐步回暖，預計IGBT模塊在此領域的市場規(guī)模亦將得到逐步擴大。

    變頻器行業(yè)

    變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。

    IGBT模塊在變頻器中不僅起到傳統(tǒng)的三極管的作用，同時包含了整流部分的作用?？刂破鳟a生的正弦波信號通過光藕隔離后進入IGBT，IGBT再根據信號的變化將380V（220V）整流后的直流電再次轉化為交流電輸出。

    近年來，國內變頻器行業(yè)的市場規(guī)?？傮w呈上升態(tài)勢。2016年國內變頻器行業(yè)的市場規(guī)模為416.77億元，平均4年復合增長率為8.74%。2017年國內變頻器市場規(guī)模約453.2億元。近年來，變頻器市場中國內自主研發(fā)能力有所提升，特別是高壓變頻器在2017年的專利申請數穩(wěn)定在160項以上。同時，在實體經濟的拉動作用下，變頻器已進入新能源領域，在冶金、煤炭、石油化工等工業(yè)領域將保持穩(wěn)定增長，在城市化率提升的背景下，變頻器在市政、軌道交通等公共事業(yè)領域的需求也會繼續(xù)增長，從而促進市場規(guī)模擴大。未來幾年，具有高效節(jié)能功能的高壓變頻器市場將受政策驅動持續(xù)增長，到2023年，高壓變頻器的市場將達到175億元左右。

中國變頻器市場規(guī)模

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    逆變焊機行業(yè)

    逆變式弧焊電源，又稱弧焊逆變器，是一種新型的焊接電源。這種電源一般是將三相工頻（50赫茲）交流網路電壓，先經輸入整流器整流和濾波，變成直流，再通過大功率開關電子元件（IGBT）的交替開關作用，逆變成幾千赫茲至幾萬赫茲的中頻交流電壓，同時經變壓器降至適合于焊接的幾十伏電壓，后再次整流并經電抗濾波輸出相當平穩(wěn)的直流焊接電流。近年來，國內電焊機數量保持穩(wěn)定增長趨勢。2018年國內電焊機產量為853.3萬臺，同比2017年增加了58.46萬臺。電焊機市場的持續(xù)升溫亦將保證IGBT需求量逐步增大。

中國電焊機數量

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    2、新能源汽車行業(yè)是驅動IGBT發(fā)展的重要領域

    智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國IGBT行業(yè)產業(yè)運營現狀及發(fā)展前景分析報告》數據顯示：IGBT模塊在新能源汽車領域中發(fā)揮著至關重要的作用，是新能源汽車電機控制器、車載空調、充電樁等設備的核心元器件。其中電機控制器+鋰電池+汽車電機=新能源汽車動力系統(tǒng)，電機控制器相當于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機，而其中的IGBT模塊相當于是汽車動力系統(tǒng)的“CPU”。

新能源汽車應用場景

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    隨著新能源汽車從48V/MHEV（輕混合電動車）逐漸向PHEV/FHEV（混合電動車）再向BEV（純電動車）發(fā)展，單臺汽車中功率半導體含量大幅提升，48V/MHEV和PHEV/FHEV車型，2018年的單臺汽車的功率半導體含量相對于傳統(tǒng)汽車分別增加了75美金和300美金，而BEV純電動車中功率半導體的含量為455美金。由于IGBT是新能源電動汽車的核心元器件之一，單臺電動汽車的功率半導體含量的大幅提升，必將帶來單臺電動汽車IGBT價值量的提升。

不同電動等級汽車功率半導含量

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    從新能源電動汽車成本來看，占比較大的零部件是電池、電機、電控系統(tǒng)、電驅動零部件等，分別大概占到40%、15%、12%、8%。IGBT模塊作為電控系統(tǒng)的核心零部件，大概占到電控系統(tǒng)成本的30-40%左右，粗略估計IGBT模塊占到整車成本的4-5%左右。

電動車整車成本結構

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    近年來全球新能源汽車銷量快速增長，全球新能源乘用車的銷量將由2019年的221萬輛增長到2025年的1200萬輛，年均復合增長率將達到32.6%，而中國作為全球最大的新能源汽車市場，占比將維持在40-50%份額。

全球新能源乘用車銷量統(tǒng)計

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    2016年全球電動車銷量大概200萬輛，共消耗了大概9億美金的IGBT，平均每輛車450美金。預計隨著全球電動車的銷量提升，IGBT在電動車領域的市場將在2022年達到20億美金。

電動車將帶動IGBT市場的快速增長

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    此外，隨著新能源汽車的不斷普及，對于充電樁的需求日益增加，也會拉動IGBT的需求。由于中國新能源汽車市場最大，每年新增的充電樁數量也是全球最多。從2010年的1000樁左右的建設規(guī)模到2018年的30萬樁左右的建設規(guī)模，2019年上半年又新增22.5萬樁。直流充電樁中，IGBT是最核心的部分，占總成本達到30%。我們認為，隨著充電樁的新增規(guī)模不斷提升，也會進一步拉動IGBT的需求。

中國充電樁每年新增規(guī)模（樁）

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    3、變頻白色家電滲透率提升，拉動IGBT需求

    隨著節(jié)能環(huán)保的大力推行，具有變頻功能的白色家電將具有廣闊的市場前景。具有變頻功能的白色家電最核心的部件之一是其內部的“變頻器”，而IGBT模塊作為變頻器的核心元器件，其高頻開閉合功能能夠帶來以下優(yōu)點：1、較小的導通損耗和開關損耗；2、出色的EMI性能，可通過改變驅動電阻的大小滿足EMI需求的同時保持開關損耗在合理范圍內；3、強大的抗短路能力；4、較小的電壓尖峰（對家電起到保護作用）。中國作為全球最大的家電市場和生產基地，亦孕育著大規(guī)模的IGBT市場。變頻白色家電的推廣不僅僅能夠促進IGBT模塊市場的持續(xù)擴張，更能夠給IGBT模塊提供穩(wěn)定的市場需求。近年來國內白色家電變頻系列銷量占比逐漸提升?？照{系列：2012年到2018年，國內變頻空調銷量從3016萬臺提升到6434萬臺，滲透率從28.94%提升到42.70%，仍有較大的提升空間；冰箱系列：2012年到2018年，國內變頻冰箱銷量從363萬臺提升到1665萬臺，滲透率從4.80%提升到22.15%，仍有很大提升空間；洗衣機系列：2012年到2018年，國內變頻洗衣機銷量從577萬臺提升到2163萬臺，滲透率從10.36%提升到32.97%，同樣有很大提升空間。

中國變頻空調銷量及滲透率情況

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中國變頻冰箱銷量及滲透率情況

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中國變頻洗衣機銷量及滲透率情況

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    我們認為隨著國內白色家電變頻系列產品的滲透率的逐漸提升，將會不斷地拉動IGBT的需求。

    4、新能源發(fā)電逐漸成熟，驅動IGBT持續(xù)成長

    新能源發(fā)電主要以光伏發(fā)電和風力發(fā)電為代表。由于新能源發(fā)電輸出的電能不符合電網要求，需通過光伏逆變器或風力發(fā)電逆變器將其整流成直流電，再逆變成符合電網要求的交流電后輸入并網。IGBT模塊是光伏逆變器和風力發(fā)電逆變器的核心器件，新能源發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展將成為IGBT模塊行業(yè)持續(xù)增長的又一動力。近年來國內新能源發(fā)電設備容量保持快速增長趨勢。從2016年到2019年，國內新能源發(fā)電設備容量一直保持快速增長，并網風電發(fā)電設備容量從14864萬千瓦增加到21005萬千瓦，并網太陽能發(fā)電設備容量從7742萬千瓦增加到20468萬千瓦，新能源發(fā)電設備容量（風電和太陽能發(fā)電）占全口徑發(fā)電設備容量比重從13.74%增加到20.63%。

全口徑發(fā)電設備容量

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    二、IGBT芯片技術的發(fā)展趨勢

    IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor的縮寫，即絕緣柵雙極型晶體管。它是由BJT和MOSFET組成的復合功率半導體器件，既有MOSFET的開關速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小的優(yōu)點，又有BJT導通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點，在高壓、大電流、高速等方面是其他功率器件不能比擬的，因而是電力電子領域較為理想的開關器件，是未來應用發(fā)展的主要方向。正是由于具有上述優(yōu)點，IGBT自20世紀80年代末開始工業(yè)化應用以來發(fā)展迅速，不僅在工業(yè)應用中取代了MOSFET和GTR，甚至已擴展到SCR及GTO占優(yōu)勢的大功率應用領域，還在消費類電子應用中取代了BJT、MOSFET等功率器件的許多應用領域。

IGBT由BJT和MOSFET組成

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IGBT兼顧高功率、高頻優(yōu)勢

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IGBT應用于高功率領域

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Transistor/IGBT/MOSFET參數對比

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    IGBT技術的發(fā)展目標是：大電流、高電壓、低損耗、高頻率、功能集成化和高可靠性。傳動領域（如電力牽引機車）和智能電網領域都需要大功率IGBT的應用，英飛凌、東芝、三菱、西門子等公司高壓IGBT器件已可做到6500V，ARPA．E（先進能源研究計劃署）更是推出了SiCIGBT模塊，電壓能達到15kV。IGBT芯片發(fā)展趨勢是：薄片工藝，主要是減少熱阻，減小襯底電阻從而減小通態(tài)損耗;管芯，主要是提高器件電流密度，十余年來管芯面積減少了2／3；大硅片，硅片由5英寸變?yōu)?2英寸，面積增加了5.76倍，折算后每顆芯粒的成本可大為降低；新材料方面主要以SiC和GaN寬禁帶半導體材料為代表。

IGBT芯片技術的發(fā)展

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