2020年中国IGBT行业市场需求及IGBT芯片技术未来发展趋势分析[图]

    一、下游多领域驱动IGBT行业快速成长

    1、工业控制为IGBT最大市场领域，需求稳定增长

    工业控制为IGBT最大市场需求领域，需求稳定增长。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。

    变频器行业

    变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。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，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

    IGBT模块在变频器中不仅起到传统的三极管的作用，同时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。

    近年来，国内变频器行业的市场规模总体呈上升态势。2016年国内变频器行业的市场规模为416.77亿元，平均4年复合增长率为8.74%。2017年国内变频器市场规模约453.2亿元。近年来，变频器市场中国内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，到2023年，高压变频器的市场将达到175亿元左右。

中国变频器市场规模

数据来源：公开资料整理

    逆变焊机行业

    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。近年来，国内电焊机数量保持稳定增长趋势。2018年国内电焊机产量为853.3万台，同比2017年增加了58.46万台。电焊机市场的持续升温亦将保证IGBT需求量逐步增大。

中国电焊机数量

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    2、新能源汽车行业是驱动IGBT发展的重要领域

    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：IGBT模块在新能源汽车领域中发挥着至关重要的作用，是新能源汽车电机控制器、车载空调、充电桩等设备的核心元器件。其中电机控制器+锂电池+汽车电机=新能源汽车动力系统，电机控制器相当于传统汽车的发动机，而其中的IGBT模块相当于是汽车动力系统的“CPU”。

新能源汽车应用场景

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    随着新能源汽车从48V/MHEV（轻混合电动车）逐渐向PHEV/FHEV（混合电动车）再向BEV（纯电动车）发展，单台汽车中功率半导体含量大幅提升，48V/MHEV和PHEV/FHEV车型，2018年的单台汽车的功率半导体含量相对于传统汽车分别增加了75美金和300美金，而BEV纯电动车中功率半导体的含量为455美金。由于IGBT是新能源电动汽车的核心元器件之一，单台电动汽车的功率半导体含量的大幅提升，必将带来单台电动汽车IGBT价值量的提升。

不同电动等级汽车功率半导含量

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    从新能源电动汽车成本来看，占比较大的零部件是电池、电机、电控系统、电驱动零部件等，分别大概占到40%、15%、12%、8%。IGBT模块作为电控系统的核心零部件，大概占到电控系统成本的30-40%左右，粗略估计IGBT模块占到整车成本的4-5%左右。

电动车整车成本结构

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    近年来全球新能源汽车销量快速增长，全球新能源乘用车的销量将由2019年的221万辆增长到2025年的1200万辆，年均复合增长率将达到32.6%，而中国作为全球最大的新能源汽车市场，占比将维持在40-50%份额。

全球新能源乘用车销量统计

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    2016年全球电动车销量大概200万辆，共消耗了大概9亿美金的IGBT，平均每辆车450美金。预计随着全球电动车的销量提升，IGBT在电动车领域的市场将在2022年达到20亿美金。

电动车将带动IGBT市场的快速增长

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    此外，随着新能源汽车的不断普及，对于充电桩的需求日益增加，也会拉动IGBT的需求。由于中国新能源汽车市场最大，每年新增的充电桩数量也是全球最多。从2010年的1000桩左右的建设规模到2018年的30万桩左右的建设规模，2019年上半年又新增22.5万桩。直流充电桩中，IGBT是最核心的部分，占总成本达到30%。我们认为，随着充电桩的新增规模不断提升，也会进一步拉动IGBT的需求。

中国充电桩每年新增规模（桩）

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    3、变频白色家电渗透率提升，拉动IGBT需求

    随着节能环保的大力推行，具有变频功能的白色家电将具有广阔的市场前景。具有变频功能的白色家电最核心的部件之一是其内部的“变频器”，而IGBT模块作为变频器的核心元器件，其高频开闭合功能能够带来以下优点：1、较小的导通损耗和开关损耗；2、出色的EMI性能，可通过改变驱动电阻的大小满足EMI需求的同时保持开关损耗在合理范围内；3、强大的抗短路能力；4、较小的电压尖峰（对家电起到保护作用）。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IGBT市场。变频白色家电的推广不仅仅能够促进IGBT模块市场的持续扩张，更能够给IGBT模块提供稳定的市场需求。近年来国内白色家电变频系列销量占比逐渐提升。空调系列：2012年到2018年，国内变频空调销量从3016万台提升到6434万台，渗透率从28.94%提升到42.70%，仍有较大的提升空间；冰箱系列：2012年到2018年，国内变频冰箱销量从363万台提升到1665万台，渗透率从4.80%提升到22.15%，仍有很大提升空间；洗衣机系列：2012年到2018年，国内变频洗衣机销量从577万台提升到2163万台，渗透率从10.36%提升到32.97%，同样有很大提升空间。

中国变频空调销量及渗透率情况

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中国变频冰箱销量及渗透率情况

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中国变频洗衣机销量及渗透率情况

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    我们认为随着国内白色家电变频系列产品的渗透率的逐渐提升，将会不断地拉动IGBT的需求。

    4、新能源发电逐渐成熟，驱动IGBT持续成长

    新能源发电主要以光伏发电和风力发电为代表。由于新能源发电输出的电能不符合电网要求，需通过光伏逆变器或风力发电逆变器将其整流成直流电，再逆变成符合电网要求的交流电后输入并网。IGBT模块是光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件，新能源发电行业的迅速发展将成为IGBT模块行业持续增长的又一动力。近年来国内新能源发电设备容量保持快速增长趋势。从2016年到2019年，国内新能源发电设备容量一直保持快速增长，并网风电发电设备容量从14864万千瓦增加到21005万千瓦，并网太阳能发电设备容量从7742万千瓦增加到20468万千瓦，新能源发电设备容量（风电和太阳能发电）占全口径发电设备容量比重从13.74%增加到20.63%。

全口径发电设备容量

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    二、IGBT芯片技术的发展趋势

    IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor的缩写，即绝缘栅双极型晶体管。它是由BJT和MOSFET组成的复合功率半导体器件，既有MOSFET的开关速度高、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。正是由于具有上述优点，IGBT自20世纪80年代末开始工业化应用以来发展迅速，不仅在工业应用中取代了MOSFET和GTR，甚至已扩展到SCR及GTO占优势的大功率应用领域，还在消费类电子应用中取代了BJT、MOSFET等功率器件的许多应用领域。

IGBT由BJT和MOSFET组成

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IGBT兼顾高功率、高频优势

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IGBT应用于高功率领域

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Transistor/IGBT/MOSFET参数对比

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    IGBT技术的发展目标是：大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化和高可靠性。传动领域（如电力牵引机车）和智能电网领域都需要大功率IGBT的应用，英飞凌、东芝、三菱、西门子等公司高压IGBT器件已可做到6500V，ARPA．E（先进能源研究计划署）更是推出了SiCIGBT模块，电压能达到15kV。IGBT芯片发展趋势是：薄片工艺，主要是减少热阻，减小衬底电阻从而减小通态损耗;管芯，主要是提高器件电流密度，十余年来管芯面积减少了2／3；大硅片，硅片由5英寸变为12英寸，面积增加了5.76倍，折算后每颗芯粒的成本可大为降低；新材料方面主要以SiC和GaN宽禁带半导体材料为代表。

IGBT芯片技术的发展

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