IGBT行业专题报告.docx
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1、IGBT行业专题报告:国产龙头突围,进口替代进行时1. IGBT器件被誉为电力电子行业里的“ CPU是现代 电力电子产业的核心器件IGBT基本情况电力电子技术是以电子(弱电)为手段去控制电力(强电) 的技术,使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的 电能,以适应不同用电装至各的不同需求。电力电子技术以电子 学、电力学和控制论相互交叉结合为基础,研究电能的变换和利 用,广泛应用于高压直流输电、电力机车牵引、交直流转换、电 加热、电解等各种领域中。电力电子器件是电力电子技术的核心。电力电子器件即功率 半导体器件,也称为功率电子器 件,是进行功率处理的半导体 器件。典型的功率处理功能包括变频、
2、变压、变流、功率放大、 功率管理等,是电力电子装至各的心脏。虽然功率器件在整台电力 电子装至各中的价值通常不会 超过总价值的20%-30%,但对整 机的总价值、尺寸、总量、动态性能、过载能力、耐用性 和可 靠性起着十分重要的作用。图1;功率半导体器件分类IGBT是现代电力电子器件中的主导型器件,被誉为电力电 子行业里的 “CPU”。IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写,即绝缘栅双极型晶体管,是国际上公认的 电力电子技术第三次革命最具代表性的产品。IGBT作为工业 控制及自动化领域的核心元器件,能够根据信号指令来调节电路 中的电压、电流、频率、相
3、位等,以实现精准调控的目的,被称 为现代电力电子行业里的“CPU”,广泛应用于电机节能、轨道 交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发 电、新能源汽车等众多领域。IGBT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,是电力电子领域较为理想的开 关器件IGBT可以看做由BJT(双极型晶体管)和MOSFET (金属氧化物半导体场效应 管)组成的复合功率半导体器件。 BJT即三极管,是电流驱动器件,基本结构是两个背靠背的PN 结,基极和发射极之间的PN结称为发射结,基极和集电极之 间的PN结称为
4、集电结,通过控制输入电压和基极电流可以使 三极管出现电流放大或开关效应。MOSFET是电压型驱 动器 件,以常用的N沟道MOS管为例,通过在P型半导体上方 加入金属板和绝缘板,即栅极,在使用中保持源级和漏级电压 不变,栅极加正电压,MOS管呈导通状态,降低栅极电 压, MOS管呈关闭状态。由于栅极所带来的电容效应,使得MOS 管只需要很小的驱动功率即可实现高速的开关作用。BJT通态压 降小、载流能力大,但驱动电流小,MOSFET驱动功率小、快 关速度快,但导通压降大、载流密度小。IGBT可以等效为MOS 管和BJT管的复合器件,在保留MOS管优点的同时增加了 载流能力和抗压能力,自20世纪80
5、年代末开始工业化应用 以来发展迅速,成为电力电子领域中最重要的功率开关器件之 一,在6500V以下的大功率高频领域逐渐取代了晶闸管和功 率MOSFET器件。1.2. IGBT的分类IGBT在应用层面通常根据电压等级划 分:低压IGBT:指电压等级在1000V以内的IGBT器件,例 如常见的650V应用于新能源汽车、家电、工业变频等领域。中压IGBT :指电压等级在1000-1700V区间的IGBT器 件,例如1200V应用于光伏、电磁炉、家电、电焊机、工业 变频器和新能源汽车领域,1700V应用于光伏和风电领域。高压IGBT:指电压等级3300V及以上的IGBT器件,比 如3300V和6500
6、V应用于高铁、动车、智能电网,以及工 业电机等领域。S 2: IGBT应用场景眼3: g&r模块简困在产品层面通常根据封装方式分类:IGBT单管:封装规模较小,一般指封装单颗IGBT芯片, 电流通常在50A以下,适用于消费、工业家电领域。IGBT模块:是IGBT最常见的形式,将多个IGBT芯片 集成封装在一起,功率更大、散 热能力更强,适用于高压大功 率平台,如新能源车、主流光伏、高铁等。功率集成(IPM):指把IGBT模块加上散热器、电容等外 围组件,组成一个功能较为完整和复杂的智能功率模块。1.3. IGBT技术发展历程及趋势IGBT技术的整体发展趋势是大电流、高电压、低损耗、高 频率、功
7、能集成化、高可靠性。从20世纪80年代至今,IGBT 芯片经历了 7代升级,从平面穿通型(PT)到沟槽型电场一截 止型(FS-Trench),芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关 断时间、功率损耗等各项指 标经历了不断的优化,断态电压也 从600V提高到6500V以上。第一代:PT-IGBT,使用重掺杂的P+衬底作为起始层, 在此之上依次生长N+ buffer,N- base夕卜延,最后在外延层 表面形成原胞结构,由于体内晶体结构本身原因造成负温度系 数,各IGBT原胞通态压降不一致,不利于并联运行,第一 代IGBT电流只有25A,且容量小速度 低,目前已基本退出市 场。第二代:改进版PT-I
8、GBT,采用精细平面栅结构,增加一 个缓冲层,在相同的击穿电压下 实现了更薄的晶片厚度, 从而降低了 IGBT导通电阻,降低了 IGBT工作过程中的损耗, 提高了 IGBT的耐压程度。第三代:Trench-IGBT,采用 Trench结构,通过挖槽工 艺去掉栅极下面的JFET区,把沟道从表面变到垂直面,基区 的PIN效应增强,栅极附近载流子浓度增大,提高了电导调制 效应 减小了导通电阻,有效降低导通压降及导通损耗。第四代:NPT-IGBT,使用低掺杂的N-衬底作为起始层, 先在N-漂移区的正面做成MOS结构,然后从背面减薄到 IGBT电压规格需要的厚度,再从背面用离子注入工艺形成P+ 集电极,
9、在截止时电场没有贯穿N-漂移区,因此称为NPT啡 穿通型IGBT。可以精准的控制结深而控制发射效率,尽可 能地增快载流子抽取速度来降低关断损耗,保持基区原有的载流 子寿命而不会影响稳态功耗,同时具有正温度系数特点。第五代:FS-IGBT,采用先进的薄片技术并且在薄片上形成 电场终止层,大大的减小了芯片 的总厚度,使得导通压降和动 态损耗都有大幅的下降,从而进一步降低IGBT工作中过程中 的损耗。第六代:FS-Trench-IGBT,是在第五代基础上改进沟槽栅 结构,进一步增加芯片的电流导通能力,优化芯片内的载流子浓度和分布,减小了芯片的综合损耗。第七代:微沟槽栅-场截止型IGBT,沟槽密度更高
10、,原胞 间距也经过精心设计,并且优化了 寄生电容参数,从而实现 5kv/us下的最佳开关性能。我2:不同代际IGBT产晶特盅芯面起(和时植)工工心通击炮和压隆陶是断叶问 (*#(栖*伎)站思电压 g平函透型(FT)100530.5100600改进的平面字迎型(PT)5652 80 3746&0溶槽型(Trench)403202&5112Q0非穿逋型(NPT)3111.5025393300电场截止型(FSJ270.51.50.1933450湾槽型电鲁拱止至(FS-Trench)240.510.15296500总体而言,不同代际升级趋势为升高耐压成都,降低开关损 耗,在结构上大体表现在以下两方面:
11、栅极结构方面:早期IGBT是平面栅结构,随着Trench (干法刻槽)工艺的成熟,将平面型 栅极结构变成垂直于芯片 表面的沟槽型结构,IGBT的本质是通过控制栅极与发射级之间 的电压大小,从而实现对IGBT导通和截止状态的控制。当栅 极-发射级电压0时,IGBT呈关断状态,当集电极-发射级电 压20且栅极-发射级电压阈值电压,IGBT呈导通状态。沟槽 型结构单元面积小、电流密度大、通态损耗降低约30%,击穿 电压更高。纵向结构方面:早期是穿通型(PT )和非穿通型(NPT) 结构。PT IGBT是最早商业化生产的IGBT,随着使用应用中 电压等级越来越高,对NPT结构的基区宽带要求越来越宽,又
12、 有了在高压领域向穿通结构的回归。2. 国内空间广阔,海外巨头占据垄断地位2.1. 国内IGBT模块百亿级市场空间,占全球40%以上 根据英飞凌年报,2019年英飞凌模块产品全球市占率35.6%, 斯达半导2.5%,英飞凌IGBT器件产品市占率32.5%,士兰 微2.2%。2019年斯达半导IGBT模块营业收入7.6亿元, 士兰微IGBT器件营业收入约1亿元,由此可推算2019年 全球IGBT模块市场规模约300亿元,IGBT器件市场规模 约45亿元。根据ASMC研究显示,全球IGBT市场规模预 计在2022年达到60亿美元,全球IGBT市场 规模在未来 几年时间仍将继续保持稳定增长的势头。根
13、据中国产业信息网和 头豹研究院数据整理,2014年,我国IGBT行业市场规模为 79.8亿元,预测到2020年,我国IGBT行业将实现197.7 亿元的收入,年复合增长率达16.32%。预计到2023年中国 IGBT行业整体市场规模有望达到290.8亿元,市场前景广 阔。根据Yole预测,2024年我国行业IGBT产量预期达到 0.78亿只,需求量达到1.96亿只,仍存在巨大供需缺口。IGBT市场长期被英飞凌、富士电机等海外公司垄断,英飞 凌占据绝对领先的地位。2019年英飞凌模块产品全球市占率 35.6%,器件产品全球市占率32.5%,IGBT模块领域国内斯达 半导是唯一进入前十的企业,市占
14、率2.5%,IGBT器件领域国 内士兰微是唯一进入前十的企 业,市占率2.2%。国内产品供 需不平衡,国产替代将是未来IGBT行业发展的主要方向。2.2. 工控领域及电源行业支撑IGBT稳定发展IGBT模块是变频器、逆变焊机、UPS电源等传统工业控 制及电源行业的核心元器件,根据 集邦咨询数据,2019年全 球工控市场IGBT市场规模约为140亿元,中国工控市场 IGBT市场规模约为30亿元。由于工控市场下游需求分散, 工控IGBT市场需求较为稳定,假设未来每年保持3%的规模 增速,预计到2025年全球工控IGBT市场规模将达到167 亿元。变频器行业:据前瞻产业研究院测算,我国变频器行业的市
15、 场规模整体呈上升态势,从2012年至2019年,中国变频器 行业规模除2015年有小幅度下降以外,其余年份均处于稳步 增 长状态。2019年我国变频器行业的市场规模达到495亿 元,相比2018年增长4.7%。在一系列节能环保政策的指引 下,预计未来5年内,变频器将在电力、冶金、煤炭、石油化 工等领域将保持稳定增长,在市政、轨道交通、电梯等领域需 求进一步增加,从而促进市场规模扩大,未来几年整体增幅将 保持在10%左右,到2025年,变频器市场规模将达到883 亿。变频器靠内部IGBT的开关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
16、,变频器产业的快速发展势必导致IGBT需 求提升。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IGBT模块的交替开 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。根据国家统计局数据,2020年 我国电焊机产量为1108.93万台,同比2019年增加了 158.87 万台。UPS电源系统,IGBT被广泛应用于不间断电源系统(UPS) 的设计中,数据显示,1200V/100A IGBT的导通电阻为同
17、规格 耐压功率 MOSFET的1/10,开关时间为同规格 GTR的 1/10。据QYR电子研究中心统计,2018年全球不间断电源 (UPS)市场价值为105.37亿美元,预 计到2025年底将达 到139.66亿美元。2.3.家电行业是IGBT器件的稳定市场变频空调、冰箱、洗衣机的核心控制部件是变频控制器,它 承担了电棚区动、PFC功率校正以及相关执行器件的变频控制 功能。而变频控制器很重要的一环就是IPM模块,IPM将功 率 器件芯片(IGBT+FRD或高压MOSFET)、控制IC和无 源元件等这些元器件高密度贴装封装在一起,通过IPM,MCU 就能直接高效地控制驱动电机,配合白家电实现低能
18、耗、小尺 寸、轻重量及高可靠性的要求。中国作为全球最大的家电市场和生产基地,IPM的应用潜 力十分强劲。以空调行业为例,根据产业在线的数据,2020年 我国变频空调销量达7485万台,同比增长10.02%,并且未 来变频空调有望在空调市场进一步渗透,面向变频空调应用的 IGBT的市场空间将十分广阔。同时,作为变频白色家电的另外 两大市场,变频冰箱和变频洗衣机市场增速显著。2020年,中 国变频冰箱销量为2507万台,同比增长26.38%,中国变频 洗衣机销量为2627万台,同比增长0.91%。从IPM需求量看,空调对IPM需求量最高,2018年达 1.3亿块,冰箱达2000多万块,洗衣机为16
19、00多万块。分 不同家电来看,变频冰箱会使用5-10A的IPM,单个价值量 在1美 金左右;变频洗衣机会使用10A左右的IPM,单个 价值量在2-3美金;变频空调会使用15-30A的IPM,平均 价值量约为4-5美金,由此可测算出2018年家电IPM市场 空间为5亿美金左右市场规模,随着变频家电渗透率的逐渐提 升,市场空间会进一步扩大。2.4.新能源发电为IGBT带来持续发展动力目前新能源发电以光伏和风力发电为主,以光伏发电为例, 在太阳光照射下太阳能电池阵列 产生电能输出直流电,但输出 的电能不符合电网要求,需通过逆变器将其整流,再逆变成符合 电网要求的交流电后输入并网。以往光伏发电系统是采
20、用 MOSFET构成的逆变器,然而 随着电压的升高,MOSFET会 因其通态电阻过大而导致增加开关损耗,IGBT因其通态电流 大、耐压高、电压驱动等特点,在中、高压容量的系统中更具优 势,在实际项目中IGBT已逐渐取代MOSFET作为光伏逆变 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行业持续增长的全新动力。根据国际能源机构IEA数据显示,2019年全球光伏新增 装机115GW,目前集中式光伏逆变 器成本在0.16-0.17元 /W,组串式光伏逆变器成本在0.2元/W左右,总体光伏逆变 器成本在0.2元/W左右。根据行业调研数据,IGBT模块占光伏逆变器总成本比例约
21、为10%,即光伏IGBT模块价值量约为259年全球光佻逆.更嚣市场格局22%15%0.02 元/W。由此可测算出,2019年全球光伏IGBT价值量为阳光也源华为 SMApower eleutruniABB上能电气-周德成 sd or edgeinteteam特壹电工共他23亿元,据欧洲光伏产业协会预测,全球光伏装机量未来5年 将保持15%以上的复合增速,假设光伏逆变器出货量每年保持 15%增长,预计到2025年全球光伏IGBT市场规模将达到 53亿元。国内逆变器厂商在全球光伏市场上持续突破,据 Solaredge数据,2018年华为在全球逆变 器市场的份额达 22%。据阳光电源2020年报披露
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