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IGBT行業(yè)深度報告：借新能源大發(fā)展的東風(fēng)，迎接IGBT的增長春天

時間：2023-02-10 來源：瀏覽：

IGBT行業(yè)深度報告：借新能源大發(fā)展的東風(fēng)，迎接IGBT的增長春天

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1.IGBT：電力電子裝置的“CPU”

1.1. IGBT 是什么？

IGBT，中文全名為絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管（BJT）和絕緣柵型場效應(yīng) 管（MOS）組成的功率半導(dǎo)體器件，為第三代功率半導(dǎo)體技術(shù)革命的代表性產(chǎn)品，具有高頻、高電壓、大電流，易于開關(guān)等優(yōu)良性能，被業(yè)界譽為電力電子裝置的“CPU”，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、軌道交通、白色家電、新能源發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域。

依產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式不同，IGBT 有單管、IGBT 模塊和智能功率模塊 IPM 三種類型。IGBT 單管主要應(yīng)用于小功率家用電器、分布式光伏逆變器及小功率變頻器等領(lǐng)域；IGBT 模塊主要應(yīng)用于大功率工業(yè)變頻器、電焊機、新能源汽車（電機控制器、車載空調(diào)、充電樁）等領(lǐng) 域（當(dāng)前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品）；智能功率模塊 IPM 主要在變頻空調(diào)、變頻洗衣機等白色家電領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

根據(jù)應(yīng)用場景的電壓不同，IGBT 有超低壓、低壓、中壓和高壓等類型，其中新能源汽車、工業(yè)控制、家用電器等使用的 IGBT 以中壓為主，而軌道交通、新能源發(fā)電和智能電網(wǎng) 等對電壓要求較高，主要使用高壓 IGBT。

IGBT 多以模塊形式出現(xiàn)，IHS 數(shù)據(jù)顯示模塊和單管的比例為 3:1。模塊是由 IGBT 芯片與 FWD（續(xù)流二極管芯片）通過定制化的電路橋接，并通過塑料框架、襯底及基板等封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品?；A(chǔ)工作原理在于，以最小能量損耗實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換，是一種具有隔離柵極結(jié)構(gòu)的雙極晶體管；柵極自身就是 MOSFET，因此結(jié)合了雙極晶體管的高載流能力和高阻斷電壓的優(yōu)點。

1.2. IGBT 的發(fā)展史

自 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展至今，IGBT 芯片經(jīng)歷了 7 代技術(shù)及工藝的升級，從平面穿通型（PT）到微溝槽場截止型，IGBT 從芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時間、功率損耗等各項指標(biāo)都進行了不斷的優(yōu)化，斷態(tài)電壓從 600V 提高到 7000V，關(guān)斷時間從 0.5 微秒降低至 0.12 微秒，工藝線寬由 5um 降低至 0.3um。此外，由于 IGBT 產(chǎn)品對可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性要求較高，下游客戶認證周期較長，所以產(chǎn)品的生命周期較一般集成電路產(chǎn)品較長，對不同代際的 IGBT 產(chǎn)品，由于性能和需求差異導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域略有不同，目前市場上應(yīng)用最廣泛的仍是 IGBT 第 4 代工藝產(chǎn)品。

從 IGBT 模塊芯片的內(nèi)部縱向結(jié)構(gòu)來看，IGBT 可分為穿通型（PT，punch through)，非穿通型（NPT，non-punch through)。PT(punch through)結(jié)構(gòu)是最“古老”的 IGBT 技術(shù)，在 1980~1990 年間占據(jù)主導(dǎo)地位，英飛凌第一代 IGBT 就是采用的 PT 技術(shù)。NPT(nonpunch through)結(jié)構(gòu)是德國西門子公司 1987 年推出，為上世紀(jì) 90 年代的主流產(chǎn)品。FS （field stop）：2000 年，西門子公司研制出新的 IGBT 結(jié)構(gòu)，fieldstop-IGBT(FS-IGBT)，它同時具有 PT-IGBT 和 NPT-IGBT 的優(yōu)點，至今一直居于主導(dǎo)地位。英飛凌第三代及以后的 IGBT，均采用了 FS 技術(shù)。

1.3.IGBT 的技術(shù)發(fā)展趨勢

自從二十世紀(jì)八十年代中期研發(fā)出第一只 IGBT 器件以來，IGBT 技術(shù)經(jīng)歷了幾個不同發(fā)展階段，這些技術(shù)都是用來平衡 IGBT 自身的各種特性的，這些特性如下所示：1）降低導(dǎo)通損耗；2）降低開通和關(guān)斷時的開關(guān)損耗（開關(guān)速度快）；3）器件開關(guān)的軟特性；4）提高電流密度；5）提升電壓等級；6）減少半導(dǎo)體材料（降低成本）；7 ）提高最高工作結(jié)溫；8）擴展 SOA（安全工作區(qū)）。

隨著 IGBT 的技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)場截止型結(jié)構(gòu)已接近其理論極限。超結(jié)及半超結(jié)器件憑借耐高溫、低損耗和高抗短路能力在 IGBT 領(lǐng)域備受關(guān)注，是 IGBT 未來技術(shù)發(fā)展主要探索方向。

2.IGBT 應(yīng)用市場規(guī)模和空間

2.1.全球 IGBT 應(yīng)用市場規(guī)模

近十年來，全球 IGBT 市場規(guī)模保持連續(xù)增長，從 2012 年的 32 億美元增長至 2021 年的 70.9 億美元，CAGR 增長 6.6%，其中工控和新能源汽車是 IGBT 需求占比最大的兩個下游領(lǐng)域，分別占比為 37%和 28%，其次是新能源發(fā)電和家電變頻市場，需求占比分別為 9% 和 8%。2020 年以來，新能源汽車需求明顯提速，2021 年較 2020 年需求占比提升 19%，是 IGBT 主要的增量需求來源。

2.2.中國 IGBT 應(yīng)用市場規(guī)模

目前，我國是全球最大的 IGBT 需求市場，需求量約占全球四成，且需求占比有望持續(xù) 提升。根據(jù) WSTS（世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織）的數(shù)據(jù)，中國 IGBT 市場銷售規(guī)模從 2016 年的 88 億元（人民幣）增長至 2021 年的 238.8 億元，CAGR 超 20%，遠超全球平均水平，預(yù)計至 2025 年仍將維持高速增長，市場規(guī)模將有望超 486 億元。

從中國市場的供需情況來看，自 2015 年以來，IGBT 的國產(chǎn)量從 498 萬只到 2021 年 2580 萬只，CAGR 約 39%，期間，國內(nèi)需求量從 2015 年的 4918 萬只到 2021 年 13200 萬只，CAGR 在 15%-28%之間，盡管本土產(chǎn)量增速高于需求增速，但供需缺口絕對量仍有較大空間，仍以進口為主。其中原因主要系我國功率器件整體的技術(shù)水平相對較低，產(chǎn)能主要集中于中低端產(chǎn)品范圍，在 IGBT 等新型功率器件這一類高技術(shù)、高附加值的中高檔產(chǎn)品領(lǐng) 域中，國外企業(yè)擁有絕對的競爭優(yōu)勢，我國需大量進口來滿足國內(nèi)市場需求。

從下游 IGBT 需求結(jié)構(gòu)來看，我國 IGBT 需求結(jié)構(gòu)與全球市場不同，新能源汽車、消費電子（統(tǒng)計口徑包括家電）和工控是 IGBT 需求占比最大的三個下游領(lǐng)域，分別占比 31%、27%和 20%。我國 IGBT 在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用占比遠超全球平均水平，主要受益于國家“雙碳”戰(zhàn)略，新能源領(lǐng)域需求旺盛，導(dǎo)致 IGBT 用量大幅增加，是我國 IGBT 需求增長的主要驅(qū)動力。

國內(nèi)新能源需求爆發(fā)，IGBT 成長空間巨大。在國內(nèi) IGBT 市場規(guī)模快速增長，新能源需求爆發(fā)貢獻主要增量的背景下，本土 IGBT 企業(yè)依托國內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)擴容，以其自身產(chǎn)品競爭力、供應(yīng)鏈的優(yōu)勢和巨大的市場提升空間，加速提升 IGBT 國產(chǎn)替代份額，我們保守預(yù) 計，2025 年中國 IGBT 市場規(guī)模將有望超 450 億元，CAGR 約 20%，成長空間巨大。

2.2.1.新能源汽車

眾所周知，在電動化驅(qū)動下，電池、電驅(qū)和電控是電動新能源車的三大重要部件。而 IGBT 則是電控系統(tǒng)中的核心元器件，它決定了新能源汽車的行駛性能。

根據(jù)英飛凌 2021 年財報顯示，在國際上 IGBT 的單車價值為 330 美元，約占新能源汽車整車總成本的 5%以上，是電控系統(tǒng)里面成本占比最大的元器件。針對我國電動新能源汽車，經(jīng)過我們測算，單車價值約為 273 美元，隨著我國電動新能源汽車的蓬勃發(fā)展，以及大功率對 IGBT 的要求越來越高，將間接提高 IGBT 在整車的成本比重，不斷拓寬 IGBT 成長空間。

另外，我們預(yù)計 2022 年我國新能源汽車銷量將突破 600 萬輛，對應(yīng)的 IGBT 市場規(guī)模為 16.38 億美元，保守假設(shè) 2025 年中國汽車銷量為 3000 萬輛，新能源滲透率為 45%，銷量約為 1350 萬輛，按單車價值 281 美元來算，中國車規(guī)級 IGBT 市場規(guī)模將達到 38 億美元，對應(yīng)人民幣市場約 260 億，市場空間廣闊。

2.2.2.新能源發(fā)電

IGBT 被廣泛應(yīng)用于光伏逆變器和風(fēng)電變流器，主要是將光伏組件和風(fēng)機發(fā)出的電壓和一定頻率的電能，經(jīng)過交直轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電壓和頻率的電能饋入電網(wǎng)或接入家庭用戶。而 IGBT 等功率器件是新能源發(fā)電逆變器實現(xiàn)逆變功能的核心，主要應(yīng)用在 DC/DC 升壓、DC/AC 逆變電路中，在中能源發(fā)電市場加速轉(zhuǎn)型的背景下，光伏風(fēng)電發(fā)展大有可為，是 IGBT 市場強勁的驅(qū)動力，增速將持續(xù)遠超全球平均水平。

光伏方面：IGBT 是光伏逆變器核心零部件，充分受益于光伏發(fā)電蓬勃發(fā)展。我們保守預(yù)計，到 2025 年光伏發(fā)電 IGBT 市場規(guī)模將達到 22.1 億元，CAGR 約為 13.35%，增速高于全球平均水平。（1）我們根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會測算，預(yù)計 2025 年全球和中國光伏新增裝機量分別為 300GW 和 100GW；（2）至 2025 年，光伏逆變器裝機成本約為 0.17 元/W，自 2021 年光伏逆變器成本每年下降 3%左右；（3）根據(jù)固德威招股說明書預(yù)測，預(yù)計 IGBT 占逆變器的成本占比維持在 13%，至 2025 年，每 GW 光伏裝機量成本中 IGBT 約為 2200 萬。

風(fēng)電方面：保守預(yù)計，到 2025 年風(fēng)電發(fā)電 IGBT 市場規(guī)模將達到 11.28 億元，CAGR 約為 12.88%，穩(wěn)步增長，并且增速高于全球平均水平。（1）我們根據(jù) GWEC 測算，預(yù)計 2025 年全球和中國風(fēng)電新增裝機量分別為 119.4GW 和 50.15GW；（2）至 2025 年，風(fēng)電變流器機成本約為 1.5 億元/GW(按 2022 前三季度年我國平均陸上風(fēng)電電機組價格含塔筒的中標(biāo)價格的 6%測算)，并維持不變；（3）我們將 IGBT 占風(fēng)機變流器的成本占比維持在 15%，至 2025 年，平均每 GW 風(fēng)電裝機量中 IGBT 的成本約為 2250 萬。

2.2.3.工業(yè)控制

工控產(chǎn)品市場主要以變頻器以及伺服系統(tǒng)為主，伺服系統(tǒng)中，大、中、小型伺服系統(tǒng)占比分別為 45%，37%以及 18%。而變頻器、大、中、小型伺服系統(tǒng)的 IGBT 價值量占比假設(shè) 分別為 8%，3%，10%以及 8%。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，預(yù)計中國變頻器市場規(guī)模從 2020 年到 2025 年預(yù)計將增長至 883 億元；中國伺服系統(tǒng)市場規(guī)模將從 2020 年的 149 億元增長至 2025 年的 214 億元。綜上，保守預(yù)計 2025 年中國 IGBT 市場規(guī)模為 84.53 億元， 2021 年至 2025 年 CARG 維持在 9.81%左右。

2.2.4.軌道交通

IGBT 是軌交牽引系統(tǒng)的核心零部件，產(chǎn)品主要以高壓 IGBT 為主。軌交 IGBT 終端需求量與中國鐵路投資額密切相關(guān)，高增速階段分別對應(yīng)了 2008 年的高鐵大規(guī)模建設(shè)以及 2013 年的“四縱四橫”高鐵網(wǎng)建設(shè)。隨著鐵路固定投資趨穩(wěn)，鐵路計劃調(diào)整變動不大，整體對 IGBT 需求量相對穩(wěn)定。

2.2.5.白色家電

隨著節(jié)能減排相關(guān)政策推行及消費升級下，我國變頻家電滲透率將不斷提高，IPM 是變頻家電的關(guān)鍵器件，充分受益。我們保守預(yù)計 2021 年至 2025 年 CARG 維持在 8%左右， IPM 需求穩(wěn)步增長。

2.3.中國 IGBT 市場需求總量

2021 年我國 IGBT 市場規(guī)模達 224 億，是全球最大的 IGBT 需求市場，需求量約占全球四成，且需求占比有望持續(xù)提升。根據(jù)我們測算，預(yù)計 2025 年中國 IGBT 市場規(guī)模將達到 486 億，CAGR 超 19%，整體維持較快增長，遠超全球平均水平。其中，新能源領(lǐng)域需求增速最為顯著，是我國 IGBT 市場空間發(fā)展的主要方向。

3.行業(yè)發(fā)展環(huán)境及政策

自 2018 年以來，美國對我國的科技企業(yè)和產(chǎn)業(yè)制裁不斷升級，從一開始的征收電子器件高額關(guān)稅到今年的《出口管制條例》，美國對中國輸出的尖端技術(shù)封鎖層層加碼，中美脫鉤風(fēng)險與日俱增，通過國產(chǎn)替代實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控已上升到國家戰(zhàn)略。近年來，國家陸續(xù)出臺一系列政府補貼和激勵政策等措施，大力促進半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展，為行業(yè) “自主、安全、可控”的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展提供了充分的燃料。

4.IGBT 市場競爭格局

從全球市場競爭格局來看，歐美日廠商資金實力雄厚、技術(shù)水平領(lǐng)先、產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗豐富，憑借先發(fā)優(yōu)勢搶占了全球功率半導(dǎo)體絕大多數(shù)的市場份額，并且一直保持較大的領(lǐng)先優(yōu)勢。國內(nèi)廠商在全球競爭中不具備優(yōu)勢，所占市場份額較低。在國內(nèi)市場競爭格局中，國際大廠仍占據(jù)絕大部分市場份額，國產(chǎn)化率低于 20%。得益于 IGBT 產(chǎn)品更新迭代緩慢，給予本土 IGBT 企業(yè)技術(shù)追趕時間，部分企業(yè)已實現(xiàn) 技術(shù)突破，并快速搶占市場。根據(jù) 2021 年英飛凌財報顯示，本土企業(yè)士蘭微在全球 IGBT 單管及 IPM 市占率達到 3.5%、2.2%，均位列全球第八；斯達半導(dǎo)在全球 IGBT 模塊市占率達 3.0%，位列全球第六。

4.1.IGBT 的壁壘

IGBT 行業(yè)有三大壁壘，分別是技術(shù)壁壘、品牌和市場壁壘、資金壁壘，核心體現(xiàn)就是芯片和模塊的設(shè)計能力，產(chǎn)品的認證周期以及擴產(chǎn)能力。我們主要關(guān)注芯片和模塊的設(shè)計能力以及產(chǎn)品的認證周期。

4.1.1.IGBT 的技術(shù)壁壘

IGBT 的技術(shù)環(huán)節(jié)主要包含了 IGBT 芯片以及模組的設(shè)計、制造和封裝。在設(shè)計環(huán)節(jié)，由于 IGBT 芯片需要工作在大電流、高電壓和高頻率等的環(huán)境下，還要保證芯片的開通關(guān)斷、抗短路能力和導(dǎo)通壓降的均衡，對芯片的可靠性有著很高的要求，設(shè)計和參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化十分特殊復(fù)雜，因此 IGBT 芯片自主研發(fā)的門檻要求非常高，設(shè)計人員需要有非常多的行業(yè) know how 的積累。在制造環(huán)節(jié)，由于芯片模塊的集成度高，芯片本身的背面工藝難度高， Fabless 模式下需要與代工廠實現(xiàn)技術(shù)和工藝的深度磨合等因素要求，其制造環(huán)節(jié)同樣有著較高的難度。

4.1.2.IGBT 的市場壁壘

IGBT 是下游應(yīng)用產(chǎn)品的核心器件，IGBT 的產(chǎn)品性能、可靠性以及穩(wěn)定性對下游產(chǎn)品的性能表現(xiàn)有著直接的影響。因此，客戶在選擇 IGBT 時往往會經(jīng)過產(chǎn)品單體測試、整機測試、多次小批量試用等多個環(huán)節(jié)之后，才會做出大批量采購決策、采購決策周期較長，這也就導(dǎo) 致客戶在選擇供應(yīng)商時通常偏于保守，且有明顯的跟隨性，即下游客戶往往跟隨自己所在行業(yè)的行業(yè)龍頭去選擇 IGBT 供應(yīng)商。一旦 IGBT 供應(yīng)商獲得了客戶的認可，則雙方將進行長時間的合作，在不發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量問題以及供應(yīng)鏈保障問題的情況下，由于替換成本高、風(fēng)險大等因素，客戶一般沒有進行更改和替換的動力。

4.1.3.IGBT 的資金壁壘

IGBT 同樣屬于資金密集型行業(yè)，研發(fā)投入大，各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)測試設(shè)備投入大，產(chǎn)能擴張是半導(dǎo)體重資產(chǎn)行業(yè)重要的決策之。一方面，需考慮擴建周期長短，是否能夠順應(yīng)當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所處周期階段，確保產(chǎn)能釋放時能夠被充分消化；另一方面，IGBT 對技術(shù)穩(wěn)定性及安全性要求較高，認證周期較長，前期需持續(xù)大量的研發(fā)投入，沉沒成本較高，對行業(yè)玩家有著較強的資金要求。

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