國產 IGBT 迎來新機遇----中無通訊 第102期

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                                本文刋載於 中無通訊 第102期 ( 2023年4月版 )，摘要轉載自「無綫電技術」第561期。

                      圖1 : IGBT 結構示意圖

      IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor ) 即絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT和MOSFET組成的複合功率半導體器件，既具備MOSFET的開關速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小的優點，又有BJT導通電壓低丶通態電流大、損耗小的優點，在高壓、大電流、高速等方面有突出的產品競爭力， 已成為電力電子領域開關器件的主流發展方向。

                                                                                                            

                圖2 :IGBT與MOSFET和BJT的對

      自20世紀80年代末開始工業化應用以來，IGBT 發展迅速，不僅在工業應用中取代了MOSFET和GTR, 甚至已擴展到SCR及GTO佔優勢的大功率應用領域，還在消費類電子應用中逐步取代了BJT、MOSFET 等功率器件的許多應用範圍。

                   圖3 : IGBT產品

       作為一種新型電力電子器件，IGBT是國際上公認的電力電子技術第三次革命具代表性的產品，是工業控制及自動化的核心元器件，能夠根據工業裝置中的信號指令來調節電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現精準調控的目的，廣泛應用於電機節能、軌道交通丶智能電網、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發電、新能源汽車等領域。隨著新能源汽車的發展以及變頻白色家電的普及，IG BT 的應用優勢逐步凸顯，它不僅在工業應用中提高了設備的自動化水平、控制精度等，也大幅提高了電能的應用效率，同時減小了產品體積和重量，節約了材料，未來的應用空間十分廣闊。

      IGBT既可控制信號的導通、也可控制信號的關斷，是典型的全控型功率半導體器件，目前，以IGBT為代表的全控型功率半導體器件在工作頻率、工作電壓和信號控制等方面的性能出眾，正逐步發展為中高端功率半導體器件的主流應用形態。

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                                                      圖4 : IGBT是典型的全控性功率半導

按照工作電壓的不同，IGBT在650V至6500V的電壓範圍內的各類場景廣泛應用，見（圖5）。

                                                圖5 : 不同電壓級別IGBT的應用場景

工業控制IGBT需求穩定，是國產化最快的領域

隨著工業控制及電源行業市場的逐步回暖，IGBT在此領域的市場規模有望逐步擴大。IGBT是變頻器、逆變焊機等傳統工業控制及電源行業的核心元器件，且已在此領域中得到廣泛應用。目前，變頻器在冶金、煤炭、石油化工等工業領域的應用規模將保持穩定增長，同時，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領域的需求也會繼續增長。此外，逆變式弧焊電源憑藉優異的電源特性在電焊機的應用市場規模逐步擴大。

圖6 : IGBT在工業控制及電源行業的應用

家電變頻化推升IGBT需求

     IGBT是白色家電實現變頻功能的核心元器件，其高頻開閉合功能能夠帶來以下優點: (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範圍內，(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）。以空調行業為例，根據產業在線的數據，2018年中國變頻空調銷量達 6434.10 萬台，同比增長 8.76%。

     同時，作為變頻白色家電的另外兩大市場，變頻冰箱和變頻洗衣機市場增速顯著。根據產業在線的數據，2018年，中國變頻冰箱銷量為1665.7萬台，同比增長31.10%，變頻洗衣機銷量為2163.3萬台，同比增長24.54%。隨著節能環保的大力推行，具有變頻功能的白色家電的市場前景將十分廣闊，從 而為IGBT的增長提供穩定的市場需求。

光伏與風力發電裝機穩定增長，IGBT 國產替代需求空間廣闊

新能源發電主要以光伏發電和風力發電為主，根據中國電力化工網的數據，2020年，全球光伏發電裝機容量將達736.62GW, 同比增長20.48%，中國光伏發電裝機容量纜續保持快速增長，2020年累計裝機有望達516GW , 同比增長50% ,裝機容量位居世界第一。

根據前瞻產業研究院的數據，2020 年，全球風電裝機容量有望達711GW, 同比增長 9.55%，中國風電裝機容量 2020 年將達 506.lGW,     同比增長 18.80% , 增速顯著高於全球平均水平 。由於新能源發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後輸入並網 。IGBT是光伏逆變器和風力發電逆變器的核心器件 ，新能源發電的迅速發展將成為IGBT產能持續增長的全新動力。

      光伏逆變器是光伏系統中將太陽能電池提供的直流電壓轉換成交流電壓，使之適應電網電厭水準並輸入電綱的設備，是太陽能電力系統的核心部件之一。IGBT 在逆變器中的作用是一個高速無觸點電子開關，利用 IGBT 的開關原理，通過控制電路給予適當的開通、關斷信號，IGBT 則根據控制信號將直流電變換成交流電，此外，IGBT 還可以通過控制信號的脈寬調節來控制電流的大小，也可以控制交流頻率，從而控制逆變器的輸出功率，是實現逆變器正常工作、微型化以及提升功率密度的核心電子器件。

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圖7：光伏逆變器中的IGBT。

電動汽車未來有望成為IGBT 最大的下游市場

      IGBT在新能源汽車領域中發揮著至關重要的作用，是電機控制器、車載空調、充電樁等設備的核心元器件。

隨著新能源汽車市場的快速發展和智能駕駛技術的應用，以IGBT為代表的功率半導體器件產品的需求量有望進一步提升。根據中商產業研究院的數據，傳統汽車中功率半導體的用量佔比約為21%，低於IC 產品的用量 (23%),但在純電動新能源汽車中，功率半導體的用量顯著增加，佔比約達 56%

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                        圖8:IGBT在新能源汽車中的應用

IGBT 技術演化路線：微型化與高功率成為趨勢

      自上世紀80年度IGBT 開啟工業化應用以來，經歷了豐富的技術演變，發展成六代不同的技術方案，主要由 英飛淩、三菱電機和富士電機，ABB…等海外廠商主導。在該等廠商的推動下，IGBT 的結構設計仍在不斷突破和創新，並湧現出了P-ring TS+Trench、超級結和 SiC IGBT 等全新技術，推動 IGBT 應用和市場的持續發展。

                                                                        圖 9：IGBT   的結構設計趨勢。

         同時，IGBT 的製造工藝也在不斷革新，產品的差異化和性能的提升有賴於摻雜、擴散和薄片加工等多種工藝的應用，相關工藝的技術壁壘較高，製造技術也成為實現 IGBT 自主創新的關鍵。

                        圖10：IGBT製造工藝。

龍頭廠商佔據了全球與中國市場主要份額

       目前，全球 IGBT 市場主要由英飛淩、三菱電機、富士電機、 安森美和 ABB 等海外廠商佔據，根據中國產業信息網的數據，全球前五大 IGBT 廠商的市場份額合計達74%，同時，從 400V 及以下的常規IGBT 市場到 4500V 以上的高端 IGBT 市場，海外廠商的市場優勢地位均十分明顯。

厚積薄發，本土 IGBT 廠商積極突圍

       現時 IGBT 國產化已成為國家關鍵半導體器件的發展重點之一，也被列為國家“02專項”的重點扶持項目，相關產業進入高速發展階段。而廣闊的 IGBT 市場中也湧現出一批包括中車時代電氣、比亞迪、斯達半導等在內的掌握核心技術的企業，在產業政策和市場需求的驅動下， IGBT 國產化進程加速啟動 。

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             圖12 ： 本土廠商在以 IGBT 為代表的功率半導體領域持續突破

       從 中國 IGBT 企業目前的競爭局面來看，製造 和封測模組環節競爭力較強，以上海先進半導體（積塔半導體）、華虹半導體、華潤微電子為主導的晶圓代工製造企業已經具備了 8-12 寸 IGBT 芯片生產的技術，並積極推進國產製造端的升級。但是在芯片設計端相對薄弱，只有中車時代電氣、比亞迪、斯達半導、士蘭微等少數幾家公司具備競爭力。

       從 中國產品替代的進程來看，中車時代電氣在高鐵IGBT 等重點領域具備了扎實的基礎，其他公司的產品主要是從工控、光伏和風電等領域先行替代，在新能源汽車等高端領域的替代進程相對較慢。

     

    圖13  ：中車時代電器IGTB產品。

      中車時代電氣的業務覆蓋大功率半導體器件的研發與製造，全面掌握了晶閘管、整流管、IGCT、IGBT、SiC 器件及功率組件等功率半導體產品技術，相關產品廣泛應用於高鐵、電網、電動汽車、風電等領域。

      在 IGBT 領域， 中車時代電氣已實現650V-6500V IGBT 電壓範圍覆蓋，並且自主設計、建造了全球首條8英寸高壓 IGBT 芯片專業生產線，攻克了關鍵技術和成套工藝，是國內唯一自主掌握高鐵動力 IGBT 芯片及模塊技術的企業，相關產品批量應用於軌道交通、輸配電、新能源汽車等多個高端裝備領域。

      比亞迪業務覆蓋集成電路及新型電子元器件的研發和銷售，主要產品包 括IGBT、SiC 晶體材料等，相關產品在新能源汽車等領域應用廣泛。

      該公司在 IGBT 領域積累深厚，實現了車規級 IGBT 的大規模量產，自主研發的 IGBT 4.0 技術的整體功耗較市場主流 IGBT 產品降低20% , 產品競爭力顯著，未來有望充分受益於新能源汽車市場的快速發展。

                     圖14: 比亞迪IGBT產品。

      內地從事IGBT 研發和制做的廠商還有斯達半導，士蘭微，台基股份，聞泰科技，揚傑科技，華微電子，振華科技⋯⋯等公司，分別主攻不同類型產品，假以時日，當可與外國老牌產品爭取應有的席位。

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可惜都是強電層級，商用軍用甚麽的，沒有小功率產品給老百姓練手。