近日,工信部在政协十三届全国委员会第二次会议第2282号(公交邮电类256号)提案的答复函中提到,将推动我国工业半导体材料、芯片、器件及IGBT模组产业发展。IGBT是BJT和MOSFET组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其自关断的特征在诸多领域具备不可替代的作用,本文主要介绍国内外IGBT现状。

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IGBT组成和产业链

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是由 BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点,广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、牵引系统等领域。

IGBT是能源变换与传输的核心器件,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。IGBT产业链包括设计、制造、模组等(见图1)。

IGBT19102901.JPG图1:IGBT产业链(资料来源:公开资料,金智创新行业研究中心)

设计制造衔接难,IDM成为主流

芯片的制造工艺复杂,成本较高,而且设计领域与制造领域各自均有极高的壁垒,最终成就了苹果、华为、高通等设计巨头,台积电、格罗方德、中芯国际等制造巨头。与芯片不同的是,IGBT基本没有设计或者制造的巨头,反而一家企业发展到一定的规模之后基本转型IDM模式,例如中科君芯。

IDM模式有两个优点:其一、IGBT是模拟器件,Know How非常重要,上下游的配合度直接影响产品质量;其二,IDM企业有内部资源整合优势,这将缩短从设计到制造的时间,提高利润率,这是主流厂商采用IDM模式的原因。

全球IGBT市场增长,中国市场增速更快

IGBT作为功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品,具有高频率、高电压、大电流,易于开关等优良性能,被业界誉为功率变流装置的CPU,广泛应用于轨道交通、航空航天、船舶驱动、智能电网、新能源、交流变频、风力发电、电机传动、汽车等强电控制等产业领域。

随着轨道交通为代表的新兴产业市场崛起,全球IGBT市场逐年上升,2010年全球规模30.36亿美元,该数字2018年为58.26亿,复合增长率9.8%,中国市场规模同期增速为18.2%(见图2)。

IGBT19102902.JPG图2:全球/中国IGBT市场规模(资料来源:公开资料,金智创新行业研究中心)

中国市场规模增长较快,其中轨道交通和电动汽车增长最为明显。轨道交通方面,中国城市轨道交通运营里程从2013年的2408公里增长到2018年6035公里,轨道交通规模的扩张为其上游IGBT的发展带来极大需求。

此外,电动汽车的发展是驱动中国IGBT市场发展的另一个重要原因,2011年中国电动汽车销量仅8千辆,2018年销量达125.6万辆,增速可观(见图3)。

IGBT19102903.JPG图3:中国电动汽车(包括混合动力)销量图(资料来源:公开资料,金智创新行业研究中心)

全球市场集中度高,国内产量不足

全球IGBT行业市场集中度高,当中2017年英飞凌(Infineon)占全球市场份额的27.1%;三菱(Mitsubishi)市场占有率为16.4%;日本富士电机(Fuji Electric)市场占有率为10.7%,2017年全球前五大生产商占据市场总量的67.5%(见图4)。

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图4:2017年全球IGBT市占比(资料来源:2018英飞凌年报,金智创新行业研究中心)

从电压上分类,英飞凌占据了600-1700V范围中IGBT的头把交椅,而恩智浦则是占据了低压 IGBT 的市场第一,2500V以上的高压则主要由三菱提供,中国中车受益于高铁对大功率IGBT的需求在4500V以上的产品上市场份额位列全球第五。整体来讲,中国IGBT产业非常薄弱。

国内IGBT设计领域已有一定基础,但与国际水平仍有很大差距,目前国内IGBT设计厂商体量偏小,主要有中科君芯、嘉兴斯达、吉林华微斯帕克、台基股份、南京银茂、宁波达新、上海浦峦等。

国内IGBT设计技术的主要来源有两条途径:其一,来源于外企人员的回流,如斯达、南京银茂、普峦半导体等;其二,来源于国外合作,如比亚迪、吉林华微等。

目前看我国国产IGBT在逐步增长,但是仍存在很大的需求缺口,2018年国产IGBT1115万只,需求量达到7898万只(见图5)。

IGBT19102907.JPG图5:我国IGBT产量和需求量(资料来源:公开资料,金智创新行业研究中心)

造成这种现象的主要原因是国内IDM企业与国际巨头差距较大,目前我国IGBT优秀企业不多,南车时代、比亚迪等均主要为自己的高铁和新能源汽车做配套,华微电子属于国内在消费类IGBT市场的龙头企业,此前主要产品是第四代产品,和国际龙头差距较大。

结语

IGBT是能源变换与传输的核心器件,其不具备放大的作用,而是在导通与阻断切换,是名副其实的高级开关。IGBT与芯片行业有别,设计与制造的衔接的重要性决定了主流企业基本是IDM形式。

从2010年起,全球IGBT市场逐步增长,中国市场受下游需求刺激增速更快。但整体上主要的份额被外资厂商占据,全球市场集中度高,国内产量不足。

责编:Amy Guan

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