【产业科普】IGBT到底是个啥,为啥新能源光伏风电都离不开它
（以下内容从太平洋《【产业科普】IGBT到底是个啥,为啥新能源光伏风电都离不开它》研报附件原文摘录）
新能源行业都在关注的IGBT到底是个啥 Rachel最近看到不少新能源行业上市公司调研，不约而同都提到明年IGBT可能供应不足，会制约明年业绩增速。 IGBT对于一些微电子专业人士来说，想必耳熟能详。 但是对于A股众多从未专业学习过微电子的投资者来说，IGBT到底是个什么玩意儿？它为什么那么重要？要怎么理解它？在新能源车、风电和光伏这些热门赛道里它起什么作用？如何看待功率半导体IGBT的市场空间？ Rachel经过深入学习，综合各类资料，尽量尝试用最通俗易懂的语言来解释以上问题，并在文末附上相关市场空间测算深度研报。希望读完本文，对于IGBT一头雾水的小可爱们能有一点收获。 IGBT本质就是一个高速开关 学术性地说，IGBT具有高频率、高电压、大电流、易于开关等优良性能，主要作用是进行交流电直流电的转换、电压高低的转换，被视为电控系统中的“CPU”。 简单讲，IGBT是一个非通即断的开关，导通时可以看做导线，断开时当做开路。它就像家里的电灯开关，只不过是由电信号控制，能承受几十到几百伏电压、几十到几百安电流的强电，每秒钟开关频率最高可达几万次。然后根据信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，好似一个“开关”，实现精准调控。 IGBT是一个三端器件，也是重要的分立器件分支，属于分立器件中的全控型器件，可以同时控制开通与关断，具有自关断的特征，即是一个非通即断的开关。 对于IGBT更深入一点的认知，我们可以从其全称展开：绝缘栅双极性晶体管，英文全称为Insulated GateBipolar Transistor。 “晶体管”是一种固体半导体器件，在这里可以理解为一种利用电信号（电流/电压）控制开关断的开关器件，不同于机械开关，它的开关速度非常快。 “栅极”意味着IGBT是个电压控制型器件，这是相比于电流型控制器件而言。简单来说，电压型控制器件主要是通过控制端电压来控制器件的开通与关断，而电流型控制器件的开关断则主要被控制端电流的大小控制。 电流控制型器件的共同特点是导通损耗小，所需驱动功率小，但是驱动电路复杂，工作频率较低，如晶闸管、GTR等。 电压控制型器件的共同特点在于输入阻抗高、所需驱动功率小、驱动电路简单、工作频率高，如IGBT、MOSFET等。 此外，压控器件在整体功耗方面也要低于流控器件。 “双极性”是相较于“单极性”而言。两者最主要的区别在于器件工作时，移动的电荷载流子是电子还是空穴，亦或是二者都有。 若只有一种载流子参与导电，则称为单极性晶体管，如MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）、SBD（肖特基二极管）等。 若电子和空穴都参与了导电，则称为双极性晶体管，如BJT（双极结型晶体管）、IGBT等。 两者相对比，双极性晶体管由于同时有电子和空穴参与导电，所以其关断速度相比单极性晶体管来说更慢。 那IGBT具体是怎么工作的？ IGBT 拥有栅极 G（Gate）、集电极 C（Collector）和发射极 E（Emitter），其开通和关断由栅极和发射极间的电压 UGE 决定；在 IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压， PNP 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通。 在IGBT使用过程中，可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小，从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。 做个简单比喻：栅极就像水龙头开关，栅极加正向电压时，IGBT导通；栅极加负向电压时，IGBT截止。 开态就是水龙头放水，对应IGBT持续通电流状态；关态就是水龙头关闭，但水龙头需要承载一定的水压且不能漏水；而截止到导通或者导通到截止都是瞬间完成 IGBT在功率模块中可同时以IPM模组和分立器件形式存在，主要用于逆变(DC-AC直交流转换)。IGBT结合了MOSFET闸极控制高输入阻抗和BJT大电流低导通压降的优势，使得器件驱动功率小、开关频率高、开关损耗小，广泛应用于600V以上的电源供应系统（变频器、电机等）。 IGBT结合了MOSFET与BJT的优势 IGBT是功率分离器件的其中一类产品。它结合了 MOSFET 与 BJT 的优势，是电力电子领域较为理想的开关器件。 IGBT 既有 MOSFET 的开关速度快，输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点，又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点，此外为了提升 IGBT 耐压，减小拖 尾电流，结构相对复杂。 IGBT目前已迭代至第七代 IGBT 工艺与设计难度高，导致 IGBT 迭代速度较慢。 但同时其产品生命周期长，该产品已迭代至第七代。以英飞凌 IGBT 产品为例，其发布于 2000 年代初的第三代 IGBT 芯片技术在 3300V、4500V、6500V 等高压应用领域依旧占据主导地位，其发布 于 2007 年的第四代 IGBT 则依旧为目前使用最广泛的 IGBT 芯片技术，其 IGBT4 产品 的收入增长趋势甚至持续到了第 15 年。 这么牛逼的东西用在哪？能源转换与传输都需要 IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU” 。其作用几乎无所不在，小到微波炉、变频空调、变频冰箱，大到新能源汽车、高铁，甚至航母的电磁弹射，IGBT都不可或缺。 采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。 根据具体工况条件及应用要求，不同晶体管会被应用在不同领域中。比如IGBT 是电动汽车逆变器的核心电子器件，重要性类似电脑里的 CPU。 对于电动汽车MCU产品来说，IGBT直接控制驱动系统直、交流电的转换，决定了车辆的扭矩和最大输出功率等。其优异的电流输出控制能力可提升新能源车的输出功率，直接提升整车的加速性能。 从成本上看，新能源电动车成本结构中最大者为电池，占比约40-50%，其次为电机驱动系统，约占全车成本15-20%。其中，IGBT占驱动系统一半左右，即IGBT占电动车约8-10%成本。此外，IGBT占到充电桩成本的20%。在新能源汽车取代燃油汽车的趋势下，IGBT作为其核心零部件，需求量也将得到提升。 除了汽车、高铁等交通工具，光伏、风电等新能源发电领域，电视机、洗衣机、空调、冰箱等消费级产品，都在不断提高电气化、智能化水平，传统电网也在加速智能化，这些应用场景都能有IGBT的身影。 总结来说，IGBT一般可应用于工业领域（变频器、UPS电源、EPS电源）、新能源发电领域（风能发电、太阳能发电）、新能源汽车领域（充电桩、电动控制、车载空调）等。 综合 IGBT 原理和作用，可将 IGBT 根据电压等级划分为低压、中压 和高压 IGBT： (1) 低压 IGBT 的电压等级分布在 650V-1,200V 之间，主要用于低消耗的消费电子和太阳 能逆变器领域。 (2) 中压 IGBT 的电压等级分布在 1,200V-2,500V 之间，主要用于新能源汽车、风力发电 等领域。 (3) 高压 IGBT 的电压等级分布在 2,500V-6,500V 之间，主要用于高压大电流的高铁、动 车、智能电网、工业电机等领域。 IGBT自给率不足15% IGBT长期以来基本被英飞凌、三菱、富士电机、仙童等国外巨头垄断全球市场。在国内市场，中高端IGBT产能严重不足，长期依赖国际巨头，导致“一芯难求”。 从2019年市场占有率情况来看，中国功率半导体市场规模占世界市场的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上，90%主要依赖进口，基本被国外欧美、日本企业垄断。 海外企业良性循环：市占率越高，产品的反馈数据越多，积累的经验越多，产品越成熟， 利润体量越大，投入新一代研发也越多。 国内企业发展受阻：贸易摩擦之前，由于产品长期得不到客户使用，无法积累大规模量产情况下的数据，产品小批量出了问题也不知道如何解决。 在国内新能源汽车IGBT模块市场中，英飞凌公司中是绝对的龙头老大，市场占比58.2%，相比2016年33%的市场占比，其市场地位有了进一步的巩固。 比亚迪微电子则在多年的技术积累中，逐渐成长为中国IGBT市场份额第二大企业。 中车时代电气则以轨交IGBT为市场切入点，不断拓展业务至电动汽车及智能电网市场，2019年市场份额逐渐攀升至0.8%。 2019年中国新能源汽车功率模块市占率情况 国内产业链公司及情况梳理 目前国内IGBT类企业多数还是设计公司为主，部分设计自建封装和模块组装产线，晶圆制造交给专业的代工厂完成，如华虹半导体。 设计+封装 ：斯达半导、新洁能、台基股份、扬杰科技、捷捷微电 功率器件代工：华虹宏力、中芯绍兴、积塔半导体 IDM垂直一体化：中车时代半导体（轨道交通）、比亚迪半导体（新能源汽车）、华润微、士兰微、华微电子 关于IGBT的市场空间，可以参考首创证券的三篇深度报告 报告pdf下载方式： 1、文末右下角点击”在看“； 2、后台私信关键字"20211213"； 入群方式：关注公众号，回复“入群”，可添加管理员微信，赐名片后，加您入调研室交流群。
新能源行业都在关注的IGBT到底是个啥 Rachel最近看到不少新能源行业上市公司调研，不约而同都提到明年IGBT可能供应不足，会制约明年业绩增速。 IGBT对于一些微电子专业人士来说，想必耳熟能详。 但是对于A股众多从未专业学习过微电子的投资者来说，IGBT到底是个什么玩意儿？它为什么那么重要？要怎么理解它？在新能源车、风电和光伏这些热门赛道里它起什么作用？如何看待功率半导体IGBT的市场空间？ Rachel经过深入学习，综合各类资料，尽量尝试用最通俗易懂的语言来解释以上问题，并在文末附上相关市场空间测算深度研报。希望读完本文，对于IGBT一头雾水的小可爱们能有一点收获。 IGBT本质就是一个高速开关 学术性地说，IGBT具有高频率、高电压、大电流、易于开关等优良性能，主要作用是进行交流电直流电的转换、电压高低的转换，被视为电控系统中的“CPU”。 简单讲，IGBT是一个非通即断的开关，导通时可以看做导线，断开时当做开路。它就像家里的电灯开关，只不过是由电信号控制，能承受几十到几百伏电压、几十到几百安电流的强电，每秒钟开关频率最高可达几万次。然后根据信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，好似一个“开关”，实现精准调控。 IGBT是一个三端器件，也是重要的分立器件分支，属于分立器件中的全控型器件，可以同时控制开通与关断，具有自关断的特征，即是一个非通即断的开关。 对于IGBT更深入一点的认知，我们可以从其全称展开：绝缘栅双极性晶体管，英文全称为Insulated GateBipolar Transistor。 “晶体管”是一种固体半导体器件，在这里可以理解为一种利用电信号（电流/电压）控制开关断的开关器件，不同于机械开关，它的开关速度非常快。 “栅极”意味着IGBT是个电压控制型器件，这是相比于电流型控制器件而言。简单来说，电压型控制器件主要是通过控制端电压来控制器件的开通与关断，而电流型控制器件的开关断则主要被控制端电流的大小控制。 电流控制型器件的共同特点是导通损耗小，所需驱动功率小，但是驱动电路复杂，工作频率较低，如晶闸管、GTR等。 电压控制型器件的共同特点在于输入阻抗高、所需驱动功率小、驱动电路简单、工作频率高，如IGBT、MOSFET等。 此外，压控器件在整体功耗方面也要低于流控器件。 “双极性”是相较于“单极性”而言。两者最主要的区别在于器件工作时，移动的电荷载流子是电子还是空穴，亦或是二者都有。 若只有一种载流子参与导电，则称为单极性晶体管，如MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）、SBD（肖特基二极管）等。 若电子和空穴都参与了导电，则称为双极性晶体管，如BJT（双极结型晶体管）、IGBT等。 两者相对比，双极性晶体管由于同时有电子和空穴参与导电，所以其关断速度相比单极性晶体管来说更慢。 那IGBT具体是怎么工作的？ IGBT 拥有栅极 G（Gate）、集电极 C（Collector）和发射极 E（Emitter），其开通和关断由栅极和发射极间的电压 UGE 决定；在 IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压， PNP 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通。 在IGBT使用过程中，可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小，从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。 做个简单比喻：栅极就像水龙头开关，栅极加正向电压时，IGBT导通；栅极加负向电压时，IGBT截止。 开态就是水龙头放水，对应IGBT持续通电流状态；关态就是水龙头关闭，但水龙头需要承载一定的水压且不能漏水；而截止到导通或者导通到截止都是瞬间完成 IGBT在功率模块中可同时以IPM模组和分立器件形式存在，主要用于逆变(DC-AC直交流转换)。IGBT结合了MOSFET闸极控制高输入阻抗和BJT大电流低导通压降的优势，使得器件驱动功率小、开关频率高、开关损耗小，广泛应用于600V以上的电源供应系统（变频器、电机等）。 IGBT结合了MOSFET与BJT的优势 IGBT是功率分离器件的其中一类产品。它结合了 MOSFET 与 BJT 的优势，是电力电子领域较为理想的开关器件。 IGBT 既有 MOSFET 的开关速度快，输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点，又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点，此外为了提升 IGBT 耐压，减小拖 尾电流，结构相对复杂。 IGBT目前已迭代至第七代 IGBT 工艺与设计难度高，导致 IGBT 迭代速度较慢。 但同时其产品生命周期长，该产品已迭代至第七代。以英飞凌 IGBT 产品为例，其发布于 2000 年代初的第三代 IGBT 芯片技术在 3300V、4500V、6500V 等高压应用领域依旧占据主导地位，其发布 于 2007 年的第四代 IGBT 则依旧为目前使用最广泛的 IGBT 芯片技术，其 IGBT4 产品 的收入增长趋势甚至持续到了第 15 年。 这么牛逼的东西用在哪？能源转换与传输都需要 IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU” 。其作用几乎无所不在，小到微波炉、变频空调、变频冰箱，大到新能源汽车、高铁，甚至航母的电磁弹射，IGBT都不可或缺。 采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。 根据具体工况条件及应用要求，不同晶体管会被应用在不同领域中。比如IGBT 是电动汽车逆变器的核心电子器件，重要性类似电脑里的 CPU。 对于电动汽车MCU产品来说，IGBT直接控制驱动系统直、交流电的转换，决定了车辆的扭矩和最大输出功率等。其优异的电流输出控制能力可提升新能源车的输出功率，直接提升整车的加速性能。 从成本上看，新能源电动车成本结构中最大者为电池，占比约40-50%，其次为电机驱动系统，约占全车成本15-20%。其中，IGBT占驱动系统一半左右，即IGBT占电动车约8-10%成本。此外，IGBT占到充电桩成本的20%。在新能源汽车取代燃油汽车的趋势下，IGBT作为其核心零部件，需求量也将得到提升。 除了汽车、高铁等交通工具，光伏、风电等新能源发电领域，电视机、洗衣机、空调、冰箱等消费级产品，都在不断提高电气化、智能化水平，传统电网也在加速智能化，这些应用场景都能有IGBT的身影。 总结来说，IGBT一般可应用于工业领域（变频器、UPS电源、EPS电源）、新能源发电领域（风能发电、太阳能发电）、新能源汽车领域（充电桩、电动控制、车载空调）等。 综合 IGBT 原理和作用，可将 IGBT 根据电压等级划分为低压、中压 和高压 IGBT： (1) 低压 IGBT 的电压等级分布在 650V-1,200V 之间，主要用于低消耗的消费电子和太阳 能逆变器领域。 (2) 中压 IGBT 的电压等级分布在 1,200V-2,500V 之间，主要用于新能源汽车、风力发电 等领域。 (3) 高压 IGBT 的电压等级分布在 2,500V-6,500V 之间，主要用于高压大电流的高铁、动 车、智能电网、工业电机等领域。 IGBT自给率不足15% IGBT长期以来基本被英飞凌、三菱、富士电机、仙童等国外巨头垄断全球市场。在国内市场，中高端IGBT产能严重不足，长期依赖国际巨头，导致“一芯难求”。 从2019年市场占有率情况来看，中国功率半导体市场规模占世界市场的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上，90%主要依赖进口，基本被国外欧美、日本企业垄断。 海外企业良性循环：市占率越高，产品的反馈数据越多，积累的经验越多，产品越成熟， 利润体量越大，投入新一代研发也越多。 国内企业发展受阻：贸易摩擦之前，由于产品长期得不到客户使用，无法积累大规模量产情况下的数据，产品小批量出了问题也不知道如何解决。 在国内新能源汽车IGBT模块市场中，英飞凌公司中是绝对的龙头老大，市场占比58.2%，相比2016年33%的市场占比，其市场地位有了进一步的巩固。 比亚迪微电子则在多年的技术积累中，逐渐成长为中国IGBT市场份额第二大企业。 中车时代电气则以轨交IGBT为市场切入点，不断拓展业务至电动汽车及智能电网市场，2019年市场份额逐渐攀升至0.8%。 2019年中国新能源汽车功率模块市占率情况 国内产业链公司及情况梳理 目前国内IGBT类企业多数还是设计公司为主，部分设计自建封装和模块组装产线，晶圆制造交给专业的代工厂完成，如华虹半导体。 设计+封装 ：斯达半导、新洁能、台基股份、扬杰科技、捷捷微电 功率器件代工：华虹宏力、中芯绍兴、积塔半导体 IDM垂直一体化：中车时代半导体（轨道交通）、比亚迪半导体（新能源汽车）、华润微、士兰微、华微电子 关于IGBT的市场空间，可以参考首创证券的三篇深度报告 报告pdf下载方式： 1、文末右下角点击”在看“； 2、后台私信关键字"20211213"； 入群方式：关注公众号，回复“入群”，可添加管理员微信，赐名片后，加您入调研室交流群。
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