欢迎来到中国产业信息网设为首页|加入收藏|网站地图|繁体|产业网微薄

中国产业信息网行业频道

产业网 > 行业频道 > 电子仪表 > 电子元器件 > 正文

2019年中国IGBT行业发展概况及市场发展前景分析:IGBT市场需求稳定,市场前景广阔[图]

2020年04月03日 13:57:16字号:T|T

    一、IGBT行业概览

    1、IGBT是什么?

    IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),中文名为绝缘栅双极型晶体管,是半导体领域里分立器件中特别重要的一个分支。分立器件主要以功率半导体器件为主,本质上就是进行功率处理的,具有处理高电压、大电流能力的器件,主要用途包括电压/电流的变频、变压、变相、整流、逆变、开关等。

IGBT是半导体分立器件中特别重要的分支

数据来源:公开资料整理

    功率半导体器件按照控制种类可以分为不可控型、半可控型、全控型三大类产品,其中:不可控型:主要为二极管相关产品,为两端器件,分别为阳极和阴极,二极管的开关状态完全取决于加在阳极和阴极之间的电压。当所加电压确定后,二极管的开通和关闭不能通过器件本身进行控制,故称之为不可控型器件;半可控型:主要为晶闸管产品,为三端器件,除了阳极、阴极之外,还增加了一个控制门极。这种产品的开通除了在阳极和阴极之间加一定的电压之外,还需要在门极和阴极之间输入可控功率。这类产品一旦开通就无法再通过门极来关断,因此被称为半可控型器件;全控型:主要为BJT、MOSFET、IGBT等类产品,为三端器件,这类产品可以同时控制开通与关断,称之为全控型器件。

不可控型、半可控型、全可控型功率器件

数据来源:公开资料整理

    智研咨询发布的《2020-2026年中国IGBT行业产业运营现状及发展前景分析报告》数据显示:由于其开关完全可控的特点,全控型功率器件被广泛使用,主要包括BJT、MOSFET、IGBT等,其中:BJT即BipolarJunctionTransistor(双极结型晶体管),属于电流控制器件,BJT主要特点是饱和压降低,通态电流大,耐压高,并且双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高,应用十分广泛。但是双极型晶体管开关速度慢,输入阻抗低,功耗大,限制了其在大规模集成电路中的应用。目前BJT已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装臵、电子仪器、家用电器等领域,起放大、振荡、开关等作用;MOSFET即Metal-Oxide-SemiFieldEffectTransistor(金氧半导体场效应管),属于电压控制器件,MOSFET主要特点就是驱动电路简单,驱动功率低,开关速度快,高频特性好,最高工作频率可以达到1MHz以上,适用于开关电源和高频感应加热等高频场合,且安全工作区广,没有二次击穿问题,耐破坏性强。但是MOSFET也因为电流容量小,耐压低,饱和压降高,不适用于大功率装臵。目前MOSFET主要应用于电压低于1000V,功率从几瓦到数千瓦的场合,广泛应用于充电器,适配器,电机控制,PC电源,通信电源,新能源发电,UPS,充电桩等场合;IGBT即InsulatedGateBipolar(绝缘栅双极晶体管),属于电压控制器件,是由BJT和MOSFET组成的复合功率半导体器件。

IGBT结合了MOSFET和BJT的结构而成

数据来源:公开资料整理

    IGBT结合了BJT和MOSFET的优点,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,在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的,因而是电力电子领域较为理想的开关器件,是未来应用发展的主要方向。

IGBT结合了BJT和MOSFET的优点

IGBT结合了BJT和MOSFET的优点
参数
BJT
MOSFET
IGBT
驱动斱式
电流
电压
电压
导电电荷
电子、空穴
电子
电子
导通损耗
通流能力
开关速度
使用频率
低频(<10KHz)
高频(100-500KHz)
中频(10-100KHz)
驱动电路
复杂
简单
简单

数据来源:公开资料整理

    当然,IGBT并不能完全替代BJT、MOSFET,三者根据各自的器件性能优势,都有适合的应用领域。BJT更强调工作功率,MOSFET更强调工作频率,而IGBT是工作功率和频率兼具。

功率半导体器件的应用分布

数据来源:公开资料整理

    从2017年WSTS统计的功率器件市场上来看,二极管、晶闸管、BJT、MOSFET、IGBT都占据较大的份额,其中MOSFET占比最多31%,其次是二极管和整流桥,占比29%,BJT和晶闸管占比21%,IGBT占比19%。

全球功率半导体器件的细分产品销售占比

数据来源:公开资料整理

    IGBT从封装形式分类可以分为IGBT分立器件、IGBT模块和IPM三大类产品:IGBT分立器件:一个IGBT单管和一个反向并联二极管组成的器件,电流通常在100A以下,结构相对简单,封装体积较小,但是缺点也很明显,接线复杂,可靠性低,分布电感较大;IGBT模块:是将多个(两个及以上)IGBT芯片和二极管芯片以绝缘方式组装到DBC基板上,进行模块化封装;

    IGBT模块的主要优势有:多个IGBT芯片并联,电流规格更大;多个IGBT芯片可以按照特定的电路形式组合,如半桥、全桥等,可以减少外部电路连接的复杂性;多个IGBT芯片处于同一个金属基板上,散热效果更均匀,可靠性更高;模块中多个IGBT芯片之间的连接与多个分立形式的单管进行外部连接相比,电路布局更好,引线电感更好;模块的外部引线端子更适合高压和大电流连接,模块的最高电压等级一般比单管高1-2个等级;IPM:即智能功率模块(IntelligentPowerModule),就是将功率器件(组要是IGBT)和驱动电路、过压和过流保护电路、温度监视和超温保护电路等外围电路集成在一起生产的一种“组合”型器件;IPM的主要优势有:设计“傻瓜式”,用户使用方便;可靠性高,适合制作中小功率的逆变器。

IGBT分立器件、模块及IPM对比

数据来源:公开资料整理

    2017年全球IGBT分立器件、模块、IPM的市场规模来看,IGBT分立器件、模块、IPM市场规模分别为11亿美金、26.29亿美金、15.7亿美金,占比分别为20.76%、49.61%、29.63%。

全球IGBT分立器件、模块、IPM的市场规模占比

数据来源:公开资料整理

    2、IGBT应用领域广泛

    IGBT作为工业控制及自动化领域的核心元器件,被称为能量转换的CPU,IGBT能够根据工业装臵中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控,因此广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域。

IGBT应用领域非常广泛

数据来源:公开资料整理

    按照使用电压范围,可以将IGBT分为超低压、低压、中压和高压几大类产品,不同电压范围对应着不同的应用场景:超低压:工作电压范围为400-500V,主要是应用于内燃机的点火装臵,IGBT已经成为点火系统不可或缺的一部分。此领域的IGBT电压等级主要是400V,电流等级在10-150A,关断损耗在200-300mJ,工作频率最高在几KHZ,全球排名第一的供应商是安森美;低压:工作电压在600-1350V,IGBT在低压领域应用十分广泛,主要有电焊机、家电(变频空调、洗衣机、电冰箱、洗碗机、电磁炉)、电动汽车(混动、纯电动等等)、UPS、太阳能电池、风电等,在此领域,IGBT的工作频率在2-100KHz范围,全球排名第一的供应商是英飞凌;中压:工作电压在1400-2500V,主要应用于主UPS、风能、太阳能电池、地铁/城轨电机驱动等领域,在此领域,IGBT的工作频率在10-50KHz范围,全球排名第一的供应商是依然是英飞凌;高压:工作电压在2500-6500V,主要应用于诸如轨道牵引(高铁、动车组)、电网(柔性直流输电、特高压直流输电)、大型工业装备(轧钢机)等大电压、大电流、低频的领域,在此领域,IGBT的工作频率在5KHz以内,全球排名第一的供应商是三菱电机。

IGBT的应用分布(按照电压范围来分)

IGBT的应用分布(按照电压范围来分)
电压等级
电压范围
主要应用领域
工作频率
全球领先企业
超低压
400-500V
内燃机点火器
几KHz
安森美
低压
600-1350V
电动汽车、UPS、家电、电焊机、太阳能电池、风电
2-100KHz
英飞凌
中压
1400-2500V
UPS、地铁/城轨电机驱动、风电、太阳能电池
10-50KHz
英飞凌
高压
2500-6500V
轨道牵引(高铁、动车组)、电网、大型工业装备
5KHz
三菱电机

数据来源:公开资料整理

    3、IGBT技术发展历程

    从20世纪80年代至今,IGBT芯片经历了5-6代产品升级:第一代:PT-IGBT,平面栅穿通型IGBT,使用重掺杂的P+衬底作为起始层,在此之上依次生长N+buffer,N-base外延,最后在外延层表面形成元胞结构。它因为截止时电场贯穿整个N-base区而得名。它工艺复杂,成本高,而且需要载流子寿命控制,饱和压降呈负温度系数,不利于并联,目前已经很少有这种结构的产品;第二代:NPT-IGBT,平面栅非穿通型IGBT,NPT与PT不同在于,它使用低掺杂的N-衬底作为起始层,先在N-漂移区的正面做成MOS结构,然后用研磨减薄工艺从背面减薄到IGBT电压规格需要的厚度,再从背面用离子注入工艺形成P+collector。在截止时电场没有贯穿N-漂移区,因此称为“非穿通”型IGBT;第三代:Trench-FSIGBT,沟槽栅-场截止型IGBT,栅极从平面型变成了沟槽型。

    沟槽型IGBT中,电子沟道垂直于硅片表面,消除了JFET结构,增加了表面沟道密度,提高近表面载流子浓度,从而使性能更加优化,并同时推出了场截止结构,目标在于尽量减少漂移区厚度,从而降低饱和电压。场截止(FieldStop)IGBT起始材料和NPT相同,都是低掺杂的N-衬底,不同在于FSIGBT背面多注入了一个Nbuffer层,它的掺杂浓度略高于N-衬底,因此可以迅速降低电场强度,使整体电场呈梯形,从而使所需的N-漂移区厚度大大减小;第四代:Trench-FS-TWIGBT,沟槽栅-场截止-薄晶圆型IGBT,相比较第三代IGBT,优化了背面结构,漂移区厚度更薄,背面P发射极及Nbuffer的掺杂浓度及发射效率都有优化,通过使用薄晶圆及优化背面结构,进一步降低了开关损耗,同时,最高允许工作结温从第3代的125℃提高到了150℃,这无疑能进一步增加器件的输出电流能力;第五代:Trench-FS-CuIGBT,沟槽栅-场截止-铜金属化型IGBT,使用厚铜代替了铝,铜的通流能力及热容都远远优于铝,因此第五代IGBT允许更高的工作结温及输出电流。同时芯片结构经过优化,芯片厚度进一步减小;

IGBT工艺技术发展史

IGBT工艺技术发展史
IGBT系列
IGBT1
IGBT2
IGBT3
IGBT4
IGBT5
IGBT名称
平面穿通型(IGBT)PT-
平面非穿通型(NPT-IGBT)
沟槽-场截止型(Trench-FS)
沟槽-场截止-薄晶圆型(Trench-FS-TW)
沟槽-场截止-铜金属化型(Trench-FS-Cu)
主要特征
平面栅、穿通型
平面栅、非穿通型
沟槽栅、场截止型
沟槽栅、场截止型、晶圆减薄
沟槽栅、场截止型、晶圆减薄、铜金属化
优点
-
不需要载流子寿命控制、低饱和压降、正温度系数、高鲁棒性
低导通压降、电流导通能力增强、高鲁棒性
导通压降进一步降低、动态损耗低、电流导通能力增强、高鲁棒性
电流导通能力增强、高鲁棒性、工作结温更高、饱和压降更低
缺点
需要载流子寿命控制、负温度系数、不利于并联
高器件损耗、不利于高压工作
工艺复杂
工艺复杂
工艺复杂

数据来源:公开资料整理

    从平面穿通型(PT)到沟槽型电场—截止型(FS-Trench),各方面指标都得到了不断的优化。芯片面积缩小为最初的四分之一,工艺线宽从5微米降到0.5微米,通态饱和压降从3伏降到1伏,关断时间也更快,从0.5微秒降到0.15微秒,功率损耗也更低,断态电压也从600V提高到了6500V以上。

    二、IGBT下游需求

    作为工业控制及自动化领域的核心器件,IGBT模块在电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等诸多领域都有广泛的应用。

    1、新能源汽车如火如荼,车用IGBT需求旺

    新能源汽车产业如火如荼,IGBT模块作为核心器件需求显著提升:2016年11月国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知》指出,到2020年,新能源汽车实现当年产销200万辆以上,累计产销超过500万辆,对应2017-2020年新能源汽车产量每年平均40%的增速。IGBT模块是新能源汽车电机控制系统中负责能源转换与传输的核心功率半导体器件,电动汽车高压系统中关键电路均需要开关元器件来实现,电驱动系统、空调系统、高压充电机等部件都会用到IGBT器件,提高用电效率以实现高续航一直是各个新能源汽车厂商追求的目标,新能源汽车产业如火如荼,车用IGBT模块需求快速提升。

    IGBT模块在新能源汽车领域中发挥着至关重要的作用,被广泛应用于电机控制器、车载空调、充电桩等设备。

    IGBT模块的作用是交流电和直流电的转换,同时IGBT模块还承担电压的高低转换的功能。新能源汽车外界充电的时候是交流电,需要通过IGBT模块转变成直流电然后给电池,同时要把交流电压转换成适当的电压以后才能给电池组充电。新能源汽车电池放电的时候,把通过IGBT模块直流电转变成交流电机使用的交流电,同时起到对交流电机的变频控制。电能的转化效率和稳定性,直接决定了新能源汽车的充电效率、电能利用率、电流输出稳定性等性能。综上,IGBT模块是新能源汽车的的核心器件,IGBT的性能直接影响新能源汽车功率的释放速度。2018年全球新能源汽车的渗透率为2%,而中国是渗透比例最高的国家,比例为4%。

全球新能源汽车销量及同比增速(万辆;%)

数据来源:公开资料整理

中国新能源汽车销量及同比增速(万辆;%)

数据来源:公开资料整理

全球新能源汽车渗透率(%)

数据来源:公开资料整理

主要国家新能源汽车渗透率(%)

数据来源:公开资料整理

    2015年11月,工业和信息化部等四个部委联合发布了《电动汽车充电基础设施发展指南》的通知,其中明确提到,为满足全国500万辆电动汽车的充电需求,新建了超过12,000个集中式电池充电站,预计到2020年将增加480万个新的去中心充电桩。预计2018年中国IGBT市场规模为153亿元人民币,同比增长19.91%。随着HEV/EV需求和工业需求的大幅增长,中国IGBT市场规模将持续增长,预计到2025年将达到522亿元人民币,复合年增长率为19.11%。其中,IGBT约占充电桩成本的20%,预测到2025年,全球充电桩用IGBT的市场规模将达到100亿元人民币;IGBT大约占HEV/EV成本的10%,预计到2025年,中国HEV/EV所用IGBT的市场规模将达到210亿元人民币。按照应用领域划分,EV/HEV是IGBT应用最广泛的领域占比为31%,电子占比27%,工业领域占比20%。

2018年中国IGBT下游应用(%)

数据来源:公开资料整理

2018年中国IGBT各应用领域市场规模(亿元)

数据来源:公开资料整理

    2、变频家电加速普及,孕育IPM模块需求

    IPM模块是变频技术的核心电子元器件,也是变频白色家电的核心电子元器件。当前,我国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段,家电行业处在加速向“家电强国”目标前进,“绿色技术进步、绿色转型升级和绿色制造”是全行业转型升级的主线之一。

    家用电器能耗是家庭总能耗的主要组成部分,在节能环保全球化的趋势下,家用电器的高效节能和环保已成为家电制造商关注的重要指标,高效节能家电的市场份额不断攀升。经过最近十多年的发展,空调、洗衣机、冰箱等主要家用电器的能耗降低30%-50%。随着世界各国不断升级的家用电器能效标准,以及我国对节能环保要求的不断提高,变频家电市场前景广阔。中国作为全球最大的家电市场和生产基地,亦孕育着大规模的IPM市场。以空调行业为例,2019年家用空调产量达15280万台,销量达15063万台,其中内销9216万台,出口5846万台。随着节能环保的大力推行,具有变频功能的白色家电将逐渐替代传统家电,且家电市场身处消费行业,市场需求较为稳定将具有广阔的市场前景。但同时也应看到,目前国内变频家电所用的IPM智能功率模块主要依赖进口,国产化率极低且市场供不应求。

2017-2019年我国家用空调内销和外销数量(万台)

数据来源:公开资料整理

    消费升级成为推动中国智能变频家电发展的主要红利,超过16亿台的家电存量规模,使持续稳定的更新需求成为提升变频家电销量的重要驱动力量。2020年智能变频家电产品的渗透率将进一步提升,白电、厨电、生活电器等智能家电的占比将分别达到45%、25%和28%。IPM(智能功率模块)作为变频技术的核心电子元器件,随着智能变频家电渗透率提升而需求不断增加。2018年全球IPM市场规模为168亿美元,其中三菱占比最高为32.3%,安森美为18.9%,国内目前尚未出现份额超过0.5%的公司,进口替代迫在眉睫。

2018年IPM供应商市场份额(%)

数据来源:公开资料整理

    3、工业控制及电源行业支撑IGBT市场稳步发展

    IGBT模块是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件,且已在此领域中得到广泛应用。目前,随着工业控制及电源行业市场的逐步回暖,预计IGBT模块在此领域的市场规模亦将得到逐步扩大。与此同时,伺服驱动器和电机作为IPM另一个重要应用领域,随着我国工业自动化发展,预计将保持18%以上的市场增速,到2020年中国市场需求量达到1400万台,规模超200亿元,下游产业的快速发展将为IPM行业带来前所未有的发展动力。

    IGBT模块在变频器中不仅起到传统的三极管的作用,亦包含了整流部分的作用。控制器产生的正弦波信号通过光藕隔离后进入IGBT,IGBT再根据信号的变化将380V(220V)整流后的直流电再次转化为交流电输出,变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的。近年来,我国变频器行业的市场规模总体呈上升态势。近年来,变频器市场中我国自主研发能力有所提升,特别是高压变频器在2017年的专利申请数稳定在160项以上。同时,在实体经济的拉动作用下,变频器已进入新能源领域,在冶金、煤炭、石油化工等工业领域将保持稳定增长,在城市化率提升的背景下,变频器在市政、轨道交通等公共事业领域的需求也会继续增长,从而促进市场规模扩大。未来几年,具有高效节能功能的高压变频器市场将受政策驱动持续增长,预计到2023年,高压变频器的市场将达到175亿元左右。

    逆变式弧焊电源,又称弧焊逆变器,是一种新型的焊接电源。这种电源一般是将三相工频(50赫兹)交流网路电压,先经输入整流器整流和滤波,变成直流,再通过大功率开关电子元件(IGBT)的交替开关作用,逆变成几千赫兹至几万赫兹的中频交流电压,同时经变压器降至适合于焊接的几十伏电压,后再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。2018年我国电焊机产量为853.3万台,同比2017年增加了58.46万台,电焊机市场的稳定增长有望驱动IGBT的市场需求。

相关深度报告

2020-2026年中国IGBT行业投资潜力分析及发展趋势分析报告

2020-2026年中国IGBT行业投资潜力分析及发展趋势分析报告

《2020-2026年中国IGBT行业投资潜力分析及发展趋势分析报告》共十四章,包含未来IGBT及其加工设备制造行业发展预测,IGBT行业投资战略研究,IGBT行业研究结论及发展建议等内容。

版权提示:中国产业信息网倡导尊重与保护知识产权,对有明确来源的内容注明出处。如发现本站文章存在版权、稿酬或其它问题,烦请联系我们,我们将及时与您沟通处理。联系方式:gaojian@chyxx.com、010-60343812。
 

精彩图片

 
 

微信公众号

中国产业信息网微信公众号中国产业信息网
微信公众号

产经要闻行业新闻时政综合

 

 

产业研究产业数据

 

 

 排行榜产经研究数据