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IGBT广泛应用于工业、4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。采用IGBT进行功率变换,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,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术,因此被称为功率变流产品的“CPU”、“绿色经济之核”。

新能源汽车核心零部件之IGBT行业研究〡水木资本原创

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IGBT简介

IGBT广泛应用于工业、4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。采用IGBT进行功率变换,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,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术,因此被称为功率变流产品的“CPU”、“绿色经济之核”。在未来很长一段时间内,为适应全球降低CO2排放的战略需要,IGBT必将扮演更为重要的角色,是节能技术和低碳经济的重要支点。

汽车电动化是未来的发展方向,随着新能源汽车的崛起,汽车产业对车用半导体器件的需求日旺,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是新能源汽车动力系统核心中的核心。

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是功率半导体器件第三次技术革命的代表型产品,是业界公认的,发展最迅速的新型功率器件,具有驱动容易、控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等优点,是自动控制和功率变换的关键核心部件。

IGBT模块构架示意图

新能源汽车核心零部件之IGBT行业研究〡水木资本原创

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IGBT是新能源汽车中核心器件之一

IGBT作为高功率开关使用,在新能源汽车中发挥着重要作用,主要应用于以下三个子系统中,约占整车成本的10%。作为新一代大功率半导体器件的代表,它主要控制电流的开关和转换,以保证汽车在频繁加减速等复杂工况下的安全可靠运行,被誉为电动汽车的“芯片”;其一旦失效,将导致车辆立刻失去动力。

电动控制系统:大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机;

车载空调控制系统:小功率直流/交流(DC/AC)逆变,使用电流较小的IGBT和FRD。

电控系统原理图

新能源汽车核心零部件之IGBT行业研究〡水木资本原创

汽车IGBT模块

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IGBT模块主要运用于充电桩的逆变器中,即将直流电逆变为指定频率的交流电,要是让IGBT把外接的交流电转换为可充电的直流电。IGBT也是汽车充电桩的核心部件,约占充电桩成本的15%。

根据规划,未来中国要建480万个分散式充电桩、1.2万座集中式充换电站,对IGBT有强劲的拉动。

IGBT需求大增,电动汽车及充电桩是主要驱动力。

全球IGBT市场规模预计到2020年市场规模达65亿美元,年复合成长为9%。

据Yole Developpement预测,电动汽车/混合动力(EV/HEV)汽车将成为IGBT的增长的主要驱动力。

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中国是全球最大需求市场,但核心技术几乎被国外垄断

中国是世界最大的功率半导体市场,占世界市场的50%以上,但中高端MOSFET及IGBT做为功率半导体主流器件,基本被国外厂商垄断。欧美和日本企业凭借着产品质量好、技术领先,在IGBT市场中占据绝对优势地位,也是中国IGBT市场的主要供应商。

国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、ABB、三菱、西门康、日立、富士、TOSHIBA、IXYS和APT公司等,其IGBT技术成熟,已实现了大规模商品化生产,IGBT产品电压规格涵盖600V-6500V,电流规格涵盖2A-3600A,形成了完善的IGBT产品系列。其中,西门康、仙童(Fairchild)等企业在1700V及以下电压等级的消费级IGBT领域处于优势地位;ABB、英飞凌、三菱电机在1700V-6500V电压等级的工业级IGBT领域占绝对优势,3300V以上电压等级的高压IGBT技术更是被英飞凌、ABB、三菱三家公司所垄断,它们代表着国际IGBT技术最高水平。

目前我国市场需求的IGBT新型电子电力器件90%主要依赖进口,国内市场主要被欧美、日本企业垄断,SEMIKRON、EUPEC、三菱、Sanken、飞兆、富士、IR、东芝、IXYS、ST是国内IGBT市场销售额排名前10位的企业。高铁、智能电网、新能源与高压变频器领域所用IGBT均在6500v以上规格产品,技术壁垒较强。

在全球市场,IGBT模块市场近70%的市场份额被前十大厂商掌握,且均为外资企业,主要为日本和欧美厂商,包括英飞凌、三菱、Fuji、ABB、IR等;德国半导体生产商英飞凌公司业内领军地位稳固,独立式IGBT功率具体以24.7%的市场占有率位居第一,IGBT模块则以20.5%的市场占有率位居第二。

国内IGBT行业竞争格局

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EV/HEV汽车用IGBT等大功率的电力电子器件不仅对性能指标要求高,目前电流已达600安培左右,同时对可靠性的要求更为严苛,例如汽车应用的期望寿命需要二三十年,需上万次甚至百万次的功率循环要求,而且需要在不同的环境和气候下工作,人命关天,容不得半点差错。这为新型IGBT提出了巨大的挑战。

近年来,在国家宏观政策的引导和组织下,国内企业通过各种途径在IGBT芯片、模块等领域已经取得很多积极的进展。在新能源汽车领域,中车时代电气、比亚迪、上海先进、华微电子都取得了积极进展。

中车时代电气IGBT从高铁延伸至新能源汽车

2008年,株洲中车时代电气股份有限公司走出国门,成功收购英国丹尼克斯半导体公司75%的股权。紧接着在英国成立海外研发中心,成为我国第一家全面掌握IGBT芯片技术研发、模块封装测试和系统应用的企业。

2014年6月,我国首条8英寸IGBT专业芯片生产线在株洲投产,打破了国外对高端IGBT技术的垄断。

整体上来讲,国内IGBT的发展仍然任重而道远,肯钻研、有核心技术及韧性的创业企业仍然存在很大机会。

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