IGBT總覽：為什么稱之為電力電子行業的“CPU”

來源：旺材芯片?

01、功率半導體電子裝置電能轉換與電路控制的核心?
功率半導體是電子裝置電能轉換與電路控制的核心。功率半導體是一?種廣泛用于電力電子裝置和電能轉換和控制電路的半導體元件，可通過半?導體的單向導電性實現電源開關和電力轉換的功能。?
功率半導體具有能夠支持高電壓、大電流的特性，主要用途包括變?頻、整流、變壓、功率放大、功率控制等。除保障電路正常運行外，因其?能夠減少電能浪費，功率半導體還能起到節能、省電的作用。

圖表1.?功率半導體原理

圖表2.?功率半導體功能

02、功率半導體=功率器件+功率 IC?
功率半導體按器件集成度可以分為功率分立器件和功率 IC?兩大類。功率分立器件包括二極管、晶體管和晶閘管三大類，其中晶體管市場?規模最大，常見的晶體管主要包括 IGBT、MOSFET、BJT（雙極結型晶體?管）。
功率 IC?是指將高壓功率器件與其控制電路、外圍接口電路及保護電?路等集成在同一芯片的集成電路，是系統信號處理部分和執行部分的橋?梁。

圖表3.?功率半導體產品范圍示意圖

03、IGBT：電力電子行業的“CPU”?
兼具 MOSFET?及 BJT?兩類器件優勢，IGBT?被稱為電力電子行業的 “CPU”。IGBT?全稱絕緣柵雙極晶體管，是由 BJT(雙極型三極管)和 MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。?
IGBT?具有電導調制能力，相對于 MOSFET?和雙極晶體管具有較強的?正向電流傳導密度和低通態壓降，因此兼具有 MOSFET?的高輸入阻抗 MOSFET?器件驅動功率小、開關速度快、BJT?器件飽和壓降低、電流密度?高和 GTR?的低導通壓降的優點。

圖表4：3種類型英飛凌 IGBT?結構示意圖

圖表 5. IGBT?結構圖

04、IGBT發展史歷經七代技術演進，產品性能逐代提升
歷時超 30?年，IGBT?已經發展至第七代，各方面性能不斷優化。目前?為止，IGBT?芯片經歷了七代升級：襯底從 PT?穿通，NPT?非穿通到 FS?場?截止，柵極從平面到 Trench?溝槽，最后到第七代的精細 Trench?溝槽。?
隨著技術的升級，芯片面積、工藝線寬、通態功耗、關斷時間、開關?功耗均不斷減小，斷態電壓由第一代的600V升至第七代7000V。

圖表 6. IGBT?技術演進

圖表 7. IGBT?芯片技術發展

05、下游應用新能源汽車、軌交等新興領域打開市場空間
低壓 IGBT?多用于消費、汽車、家電領域，中高壓 IGBT?多用于軌?交、智能電網領域。IGBT?下游應用領域廣泛，按電壓等級劃分，超低壓?（400-500V）IGBT?主要應用于消費電子領域，低壓（600-1350V）IGBT?多應用于電動汽車、新能源、智能家電領域，中壓（1400-2500V）IGBT?多應用于軌道交通、新能源發電領域，高壓（2500-6500V）IGBT?多應用?于軌道牽引、智能電網領域。?
目前，IGBT?作為新型功率半導體器件的主流器件，其應用領域包含?工業、 4C（通信、計算機、消費電子、汽車電子）等傳統產業領域，以?及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。

圖表8. IGBT的主要應用領域

圖表9. IGBT?芯片技術發展

06、市場規模2022?年全球 IGBT?市場規模有望達到 57?億美元
2017-2022?年全球 IGBT?市場規模 CAGR?達 7.04%，中國市場主要應?用包括新能源汽車、工控、消費電子。受益于工業控制及電源行業市場的?逐步回暖，以及下游的變頻家電、新能源汽車等領域的迅速發展，全球及?中國 IGBT?市場規模持續增長。根據 WSTS?數據，預計 2022?年全球 IGBT?市場規模將達到近 57?億美元，2017-2022?年 CAGR?達到 7.04%。?
從下游應用領域規模占比來看，2020?年中國 IGBT?市場應用以新能源?汽車、工業控制及消費電子類為主，占比分別為 30%、27%及 22%。

圖表10.?全球 IGBT?市場規模（單位：億美元）?

圖表11. 2020?年中國 IGBT?市場下游應用占比

07、市場格局海外大廠占據主要市場，中國企業追趕空間大?
IGBT?市場英飛凌市占率全面領先，2020?年斯達半導躋身 IGBT?模塊?市場前六。根據 Omdia?數據，2020?年 IGBT?分立器件市場及 IGBT?模塊市?場規模前三的企業均為英飛凌、富士電機及三菱。其中英飛凌 IGBT?市場?市占率全面領先，IGBT?分立器件和 IGBT?模塊的市占率分別為 29.3%和 36.5%。
在 IGBT?分立器件市場中，中國企業士蘭微進入全球前十，2020?年市?場份額為 2.6%；在 IGBT?模塊市場中，2020?年斯達半導躋身全球第六，市?場份額為 3.3%。

圖表12. 2020?年全球 IGBT?分立器件市場格局

圖表13. 2020年全球 IGBT?模塊市場格局

08、國內外重點公司布局情況
（1）中國 IGBT?產業鏈

圖表15.?中國 IGBT?產業鏈

①斯達半導：國內 IGBT?龍頭企業，全球 IGBT?模塊市占率第六
嘉興斯達半導體股份有限公司成立于 2005?年 4?月，主要從事功率半?導體芯片和模塊尤其是 IGBT?芯片和模塊研發、生產和銷售服務的國家級?高新技術企業。公司在全球 IGBT?模塊市場市占率為 3.3%，全球排名第?六，國內排名第一，是國內 IGBT?領軍企業。?
公司的產品廣泛應用于工業控制和電源、可再生能源、新能源汽車、?白色家電等領域。?
2021?年前三季度，公司實現營收 11.97?億元，同比增長 79.11%，歸母?凈利潤 2.67?億元，同比增長 98.71%。

圖表16.?斯達半導發展歷程?

斯達半導在中高壓 IGBT?產品全面布局，定增加碼車規 SiC?芯片研發。公司第六代 FS-Trench 650V/750V IGBT?芯片及在新能源汽車行業使用?比率持續提升；1200V IGBT?芯片在 12?寸產線上開發成功并開始批量生產; 1700V IGBT?芯片及配套的快恢復二極管芯片在風力發電行業、高壓變頻?器行業規模化裝機應用。?
汽車級 IGBT?模塊合計配套超過 20?萬輛新能源汽車；同時，公司在?車用空調，充電樁等領域的布局將助力公司在新能源汽車半導體市場占有?率進一步提高。?
2021?年公司發布增發預案，募集資金總額不超過 35?億元，主要用于?高壓特色工藝功率芯片及 SiC?芯片的研發。未來，公司將持續加大在下一代IGBT芯片、車規級 SiC?芯片以及 3300V-6500V?高壓 IGBT?的研發力度。

圖表17.各類 IGBT?產品應用

②時代電氣：軌交電氣龍頭，高壓 IGBT?產品實現國產替代?
中車時代電氣是中國中車旗下股份制企業。公司于 2006?年在香港聯?交所主板上市，2021?年科創板上市，實現 A+H?股兩地上市。?
功率半導體領域，公司建有 6?英寸雙極器件、8?英寸 IGBT?和 6?英寸?碳化硅的產業化基地，擁有芯片、模塊、組件及應用的全套自主技術。公?司全系列高可靠性 IGBT?產品打破了軌道交通核心器件和特高壓輸電工程?關鍵器件由國外企業壟斷的局面。目前正在解決新能源汽車核心器件自主?化問題。
2021?年前三季度公司實現營收 85.3?億元，同比下降 13.7%。歸母凈利?潤 12.02?億元，同比下降 19.7%。

圖表18.?時代電氣發展歷程

公司的產品包括 IGBT?芯片、 IGBT?模塊、雙極功率組件、晶閘管、 IGCT、 SiC SBD、SiC MOSFET、SiC?模塊等。在 IGBT?領域，公司產品?已從 650V?覆蓋至 6500V，在電壓范圍上可完美對標英飛凌。公司高壓 IGBT?產品大量應用于我國軌交核心器件領域；中低壓 IGBT?產品主要應用?于新能源汽車領域，目前公司最新一代產品已向包括一汽、長安在內的國?內多家龍頭汽車整車廠送樣測試驗證，未來看好公司車規級 IGBT?發展。

圖表19.?時代電氣功率產品應用

③士蘭微：產能持續落地，產品高端化進程順利?
士蘭微成立于 1997?年 9?月，2003?年 3?月公司在上交所上市。目前已?發展成為國內規模最大的集成電路芯片設計與制造一體（IDM）的企業之?一。公司被國家發展和改革委員會、工業和信息化部等國家部委認定為 “國家規劃布局內重點軟件和集成電路設計企業”，且陸續承擔了國家科技?重大專項“01?專項”和“02?專項”多個科研專項課題。?
公司主要產品包括集成電路、半導體分立器件、LED（發光二極管）?產品。公司擁有 5、6、8?英寸芯片生產線和正在建設的 12?英寸芯片生產?線和先進化合物芯片生產線。產品方面，公司完成了國內領先的高壓BCD、超薄片槽柵 IGBT、超結高壓 MOSFET、高密度溝槽柵 MOSFET、?快恢復二極管、 MEMS?傳感器等工藝的研發，形成了較完整的特色工藝制?造平臺。
2020?年 MOSFET?市場公司排名全球第十，中國大陸第三，市占率 2.2%。IGBT?分立器件市場公司排名全球第十，中國大陸第一，市占率 2.6%。
2021?年前三季度營收 52.22?億元，同比增長 76.18%；實現歸母凈利潤 7.28?億元，同比增長 1543.4%?。

圖表20.?士蘭微發展歷程

④華潤微：國內功率 IDM?龍頭，積極布局第三代半導體?
華潤微成立于 2003?年，自 2004?年起連續被工信部評為中國電子信息?百強企業。公司是國內領先的掌握芯片設計、制造、封測一體化運營能力?的 IDM?企業。?
主營產品包括MOSFET?、IGBT?、FRD?、SBD等功率器件。在MOSFET領域中，公司是國內少數能夠提供100V至1500V范圍內低、中、高壓全系列 MOSFET產品的企業。同時，公司成功研發1200V和650VSiC肖特基二極管產品。此外，公司國內首條6英寸商用SiC?晶圓生產線正式量產。?
2020年MOSFET市場公司排名全球第八，中國大陸第一，市占率達到3.9%。?
2021年前三季度營收69.28億元，同比增長41.70%；實現歸母凈利潤16.84億元，同比增長145.20%?。

圖表21.?華潤微發展歷程

⑤新潔能：全面布局 MOS、IGBT?產品，設計龍頭技術高端?化優勢明顯?
新潔能成立于 2013?年，目前已成長為國內 8?英寸及 12?英寸芯片投片?數量最大的功率半導體公司之一，公司連續四年名列“中國半導體功率器?件十強企業”。?
目前公司已經掌握 MOSFET、IGBT?等多款產品的研發核心技術。是?國內最早同時擁有溝槽型功率 MOSFET、超結功率 MOSFET、屏蔽柵功率 MOSFET?及 IGBT?四?大?產?品?平?臺?的?本?土?企?業?之?一?。產?品?電?壓?覆?蓋 12V~1700V?的全系列產品，是國內 MOSFET、IGBT?等半導體功率器件市?場占有率排名領先的企業。此外，公司在 SiC/GaN?第三代半導體器件亦有?所布局。
2021?年前三季度公司營收 10.99?億元，同比增長 65%，歸母凈利潤 3.11?億元，同比增長 208%。

圖表22.?新潔能發展歷程

⑥揚杰科技：產品高端化布局開啟第二成長曲線?
揚州揚杰電子科技股份有限公司成立于 2006?年，于 2014?年 1?月 23?日?在深交所上市。公司是國內少數集半導體分立器件芯片設計制造、封裝測?試、終端銷售與服務等產業鏈垂直一體化（IDM）的杰出廠商。公司已連?續數年入圍"中國半導體功率器件十強企業"前三強。?
公司主營產品為包括分立器件芯片、整流器件、保護器件、小信號、MOSFET、IGBT?等。其中二極管、整流橋類產品在國內占據領先地位。產品廣泛應用于消費類電子、安防、工控、汽車電子、新能源、家電等領?域。
IGBT：8?英寸工藝的 1200V Trench FS IGBT?芯片及對應模塊開始風險?量產，IGBT?高頻系列模塊、IGBT?變頻器系列模塊等也取得批量訂單。MOSFET?：公司持續優化提高 Trench MOSFET?和 SGT MOS?系列產品性?能，擴充產品品類。
公司 2021?年前三季度公司營收 32.41?億元，同比增長 75.76%，歸母?凈利潤 5.65?億元，同比增長 115.17%。

圖表23.?揚杰科技發展歷程

⑦聞泰科技：以半導體為核心，安世引領國產功率半導體?
聞泰科技于 2006?年創立，2008?年主營業務轉型升級為 ODM，2016?年借殼中茵股份“曲線上市”。2018?年收購功率半導體 IDM?企業安世半?導體打通了產業鏈上下游從芯片設計、晶圓制造、半導體封裝測試全流?程，并擁有自建模具廠和完善的智能化生產線。?
安世半導體是全球領先的功率半導體制造商。據安世數據顯示，公司?全球整體市占率達到 8.4%，其中在小信號二極管和晶體管、ESD?保護器?件全球排名第一，PowerMOS?汽車領域、邏輯器件全球排名第二，小信號 MOSFET?排名第三。?
2021?年前三季度公司營業收入 386.5?億元，同比增長 0.8%。歸母凈利?潤 20.4?億元，同比下降 9.64%。

圖表24.?聞泰科技發展歷程

業務方面，公司主要業務為通信（ODM）、半導體、光學模組業務。其中公司在收購安世半導體后，經營整合的協同效應逐步顯現。未來，公?司將以半導體業務為核心，完成產能、產品中遠期布局，同時打造半導體?與產品集成業務創新互動的協同格局，業績實現放量增長。2020?年公司半導體業務實現營收 98.92?億元，同比增長 522%，營收占比提升至 19%。?
產能方面，公司在全球各地設有工廠，其中今年完成了對英國 NEWPORT?廠的收購，月產能增加3.2萬片8寸等效晶圓。同時，在上海臨港新建的12寸晶圓廠目前建設進展順利，預計明年三季度投片，年產能達40萬片12寸晶圓。
產品方面，公司目前超100V的MOSFET?料號數超過100種，IGBT?第一批料號目前也已進入流片階段。