功率半導(dǎo)體的作用是在轉(zhuǎn)換和控制電力時提高能量轉(zhuǎn)化效率（理想轉(zhuǎn)化率 100%）。

根據(jù) IHS，2019 年全球功率半導(dǎo)體市場 400 億美金，19-25 年復(fù)合增速 4.5%；中國是全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國，2018 年市場需求規(guī)模達(dá)到 138 億美元，增速為 9.5%，占全球需求比例達(dá) 35.3%。功率半導(dǎo)體是電力電子裝置的必備，周期性相對較弱，行業(yè)整體增長穩(wěn)健，功率龍頭英飛凌營是全球代表企業(yè)。

???皇冠明珠：IGBT 是新一代功率半導(dǎo)體的典型應(yīng)用

功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉(zhuǎn)換等。功率半導(dǎo)體細(xì)分為功率器件（分立器件的一支）和功率 IC（集成電路的一支）。功率半導(dǎo)體的產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新，其目標(biāo)都是為了提高能量轉(zhuǎn)化效率。下圖紫色所示部分均為功率半導(dǎo)體。

功率半導(dǎo)體產(chǎn)品梯次多，IGBT 是新一代功率半導(dǎo)體中最典型、增速最快的賽道。功率分立器件的演進(jìn)路徑基本為二極管→晶閘管→MOSFET→IGBT，其中IGBT 是功率半導(dǎo)體新一代中的典型產(chǎn)品。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT（雙極型三極管）和 MOSFET（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的全控-電壓驅(qū)動的功率半導(dǎo)體， IGBT 既有 MOSFET 的開關(guān)速度快、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，又有 BJT 導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點(diǎn)，在高壓、大電流、高速等方面是其他功率器件不能比擬的，因而是電力電子領(lǐng)域較為理想的開關(guān)器件，也被譽(yù)為“電力電子器件里的 CPU”。

根據(jù) WSTS 等相關(guān)統(tǒng)計，目前全球功率半導(dǎo)體中約 50%是功率 IC，其余的一半是 功率分立器件；在功率分立器件銷售 2017 年占比中，MOSFET 占比最高，約占 31%， 其次是二極管/整流橋占比約 29%，晶閘管和 BJT 等占分立器件約 21%，IGBT 占比 19%，但是其復(fù)合增速是所有產(chǎn)品中最快的。

IGBT 產(chǎn)品更新慢，價格穩(wěn)定。從 20 世紀(jì) 80 年代至今， IGBT 芯片經(jīng)歷了 6 代升級，如下圖。

目前，英飛凌定義的 IGBT4代是市場主流，已應(yīng)用了十年以上。2018年底，英飛凌推出 IGBT7，較 4 代面積減少 25%，成本、功耗均有大幅降低，但距離規(guī)?；瘧?yīng)用仍需要 2-3 年。IGBT 更新?lián)Q代慢的原因在于用戶對于穩(wěn)定性的要求，而產(chǎn)品的穩(wěn)定性驗證周期較長，一般需要 5~10 年來驗證可靠性和應(yīng)用端的問題。

IGBT 技術(shù)和壁壘極高，產(chǎn)品重經(jīng)驗，品牌重積累。高端功率器件如 IGBT 看重工程師經(jīng)驗，數(shù)字電路的設(shè)計核心在于邏輯設(shè)計，可通過 EDA 等軟件，而功率半導(dǎo)體和模擬 IC 類似， 需要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整和權(quán)衡性能和成本，因此，對工程師的經(jīng)驗要求也更高，優(yōu)秀的設(shè)計師需要 10 年甚至更長時間的經(jīng)驗。

具體來說，IGBT 技術(shù)和壁壘極高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

• IGBT 芯片是 IGBT 模塊的核心

  其設(shè)計工藝極為復(fù)雜，不僅要保持模塊在大電 流、高電壓、高頻率的環(huán)境下穩(wěn)定工作，還需保持開閉和損耗、抗短路能力和導(dǎo)通壓降維持平衡。企業(yè)只有具備深厚的技術(shù)底蘊(yùn)和強(qiáng)大的創(chuàng)新能力，積累豐富的經(jīng)驗和知識儲備，才能在行業(yè)中立足。

• 模塊設(shè)計及制造工藝

  IGBT 模塊對產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性要求較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。IGBT 模塊作為工業(yè)產(chǎn)品的核心器件，需要適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域中各種惡劣的工作環(huán)境，因此對產(chǎn)品質(zhì)量的要求較高。

IGBT 在工業(yè)控制及自動化、新能源汽車、電機(jī)節(jié)能、太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用；用于在各種電路中提高功率轉(zhuǎn)換、傳送和控制的效率，其中在新能源車中的驅(qū)動系統(tǒng)是最典型的應(yīng)用。

全球的 IGBT 應(yīng)用來看，工控占比 37%，為最大的應(yīng)用領(lǐng)域，電動汽車 28%， 新能源發(fā)電 9%，消費(fèi)領(lǐng)域 8%；而在國內(nèi)，由于我國高鐵發(fā)達(dá)，下游應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)控制 29%，軌道交通 28%，新能源汽車 12%，新能源發(fā)電 8%，不過隨著我國新 能源領(lǐng)域的不斷發(fā)展，新能車和光伏、風(fēng)電這兩塊需求占比未來將持續(xù)上升。

IGBT 市場競爭格局較為集中，歐美日基本壟斷，國產(chǎn)份額極低。全球前五大 IGBT 廠商（英飛凌、三菱、富士電機(jī)、安森美、瑞士 ABB）的份額超過 70%；國內(nèi)企業(yè)目前的市場份額普遍偏小，IGBT 多以 IGBT 模塊形式出現(xiàn)，目前國內(nèi) IGBT 模塊進(jìn)入全球前 10 的只有斯達(dá)半導(dǎo)，但也僅僅是占全球 IGBT 模塊市場份額 2.2%。

由于 IGBT 的下游應(yīng)用新能源車、光伏、風(fēng)電 等這些新興領(lǐng)域，我國在全球話語權(quán)高于過去的傳統(tǒng)燃油車和工控領(lǐng)域，因此在 IGBT 的增量空間中有一半以上需求都來自中國，未來幾年我國的 IGBT 市場需求占比將從 2019 年不 35%提升到 2025 年的 50%或以上，為我國的 IGBT 廠商提升份額和競爭力創(chuàng)造了良好的條件，國產(chǎn) IGBT 廠商市場份額和業(yè)務(wù)量的提升潛力非常大。

確定高增：未來五年 IGBT 高景氣驅(qū)動因素

IGBT 占新能源車成本近 8%，且是純增量產(chǎn)品

IGBT 在電動車領(lǐng)域主要應(yīng)用分三類：

1）電控系統(tǒng)：IGBT 模塊將直流變交流后驅(qū)動汽車電機(jī)（電控模塊）；

2）車載空調(diào)控制系統(tǒng)：小功率直流/交流逆變，這個模塊工作電壓不高，單價相 對也低一些；

3）充電樁中 IGBT 模塊被用作開關(guān)使用：充電樁中 IGBT 模塊的成本占比接近 20%；

根據(jù) Digitimes數(shù)據(jù)，目前新能車的成本結(jié)構(gòu)中：

1）電池成本占比最大，一般來說可以占到約電動車總成本 40%以上；

2）成本占比第二大的是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),可以達(dá)到電動車總成本的 15%~20%,而 IGBT 則占到電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)成本 40%-50%，也就是說，IGBT 占新能源車總成本接近 8% 的比例。

新能源汽車對 IGBT 需求是純增量，因為傳統(tǒng)燃油車功率半導(dǎo)體器件電壓低，只需要 Si 基的 MOSFET，而新能源汽車在 600V 以上 MOSFET 無法達(dá)到要求，必須要換成 IGBT；因此?IGBT 是僅次于電池以外第二大受益的零部件。

根據(jù) Yole Development 的測算，每輛新能源車預(yù)計需要平均約 450 美元的 IGBT，2025 年預(yù)測新能源車銷量 504 萬輛（根據(jù)國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃——2025 年電動乘用車滲透率約 25% 推算得出），可以簡單測算出中國 2025 年車載 IGBT 市場規(guī)模達(dá) 22 億美金；屆時全球新能源車數(shù)量預(yù)計為國內(nèi)的 3 倍（即海外銷量為國內(nèi)的 2 倍）， 全球車載 IGBT 市場規(guī)模達(dá) 66 億美金，相當(dāng)于再造一個 IGBT 市場（2019 年全球總的 IGBT 在 60 億美金量級）。

IGBT 持續(xù)受益于光伏和風(fēng)電在能源結(jié)構(gòu)中占比提升。風(fēng)電和光伏中的整流器和逆變器都需要用到 IGBT 模塊。根據(jù)能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2019 年國內(nèi)光伏裝機(jī) 30.11GW，全球光伏裝機(jī) 115GW。

據(jù) BloombergNEF 預(yù)測， 2025 年全球光伏新增裝機(jī)接近 300GW，風(fēng)電預(yù)計有 2.5 倍左右的增長，則測算風(fēng)電和光伏 2025 年對應(yīng) IGBT 的全球需求量級在 12-15 億美金。

白色家電的變頻驅(qū)動 IGBT 持續(xù)成長。IGBT 是“變頻器”的核心部件之一，變頻白色家電的推廣可以為 IGBT 的 IPM 帶來穩(wěn)定的市場。目前白色家電的變頻滲透率還有提升空間：根據(jù)產(chǎn)業(yè)在線網(wǎng)，近年來國內(nèi)白電變頻滲透率在持續(xù)提升。Yole 預(yù)計 2022 年白色家電變頻驅(qū)動 IGBT 市場規(guī)模達(dá) 9.9 億美金，較 17 年增長 22%。

工控領(lǐng)域是 IGBT 應(yīng)用的基本盤。IGBT 模塊是變頻器、逆變焊機(jī)等傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)的核心元器件，且已在此領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

在變頻器領(lǐng)域，IGBT 模塊在變頻器中不僅起到傳統(tǒng)的三極管的作用，亦包含了整流部分的作用。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，我國變頻器市場規(guī)?？傮w呈上升態(tài)勢，預(yù)計到 2023 年，高壓變頻器的市場將達(dá)到 175 億元左右。

在逆變焊機(jī)領(lǐng)域，逆變式弧焊電源（又稱弧焊逆變器）這種新型的焊接電源，為電焊機(jī)市場帶來持續(xù)升溫需求。

全球工控 IGBT 下游市場較為分散，市場需求較為穩(wěn)定，可將工控應(yīng)用視為 IGBT 行業(yè)的基本盤，需求穩(wěn)定且波動相對較小。

市場高關(guān)注：如何看待第三代半導(dǎo)體材料對 IGBT 的挑戰(zhàn)

全球多家功率半導(dǎo)體巨頭均有布局下一代基于氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的 功率半導(dǎo)體，對傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體件帶來了挑戰(zhàn)。SiC 和 GaN 是第三代半導(dǎo)體材料，與第一二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

電堂往期精選文章對寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的功率半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展前景、全球及本土產(chǎn)業(yè)格局做了詳盡分析：?請戳：寬禁帶半導(dǎo)體：顛覆者還是攪局者？

受制于成本問題，未來 3-5 年 IGBT 仍是最重要的應(yīng)用，基于第三代半導(dǎo)體技術(shù)的碳化硅（SiC）的成本太高、產(chǎn)品參數(shù)不穩(wěn)定。而阻礙 SiC 成本下降的主要原因是基材缺陷。成本下降和產(chǎn)品穩(wěn)定需要時間驗證，根據(jù)英飛凌 2020 年功率半導(dǎo)體應(yīng)用大會上專家披露，目前 SiC MOSFET 真正落地的時間還非常短，在車載領(lǐng)域才剛開始商用， 一些諸如短路耐受時間等技術(shù)指標(biāo)沒有提供足夠多的驗證，一個高端功率半導(dǎo)體從客戶認(rèn)證到產(chǎn)品試應(yīng)用再到產(chǎn)品批量應(yīng)用要比較長的時間，因此，未來 3-5 年 IGBT 還 是主流的高端功率半導(dǎo)體產(chǎn)品，SiC 會在部分高端新能源車領(lǐng)域有一些逐步緩慢的滲透。

第三代半導(dǎo)體材料 SiC 等作為功率半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的方向之一，國內(nèi) IGBT廠商在依賴本土下游需求+國產(chǎn)替代浪潮下，也應(yīng)有對 SiC 進(jìn)行前瞻布局。國內(nèi)IGBT龍頭企業(yè)斯達(dá)半導(dǎo)的光伏的 SiC 器件模塊已量產(chǎn)，車用 SiC 模塊已經(jīng)完成樣品認(rèn)證；中車時代電氣已有5 款 SiC 肖特基（SIC SBD 產(chǎn)品）。

目前來看，SiC 產(chǎn)業(yè)鏈被國外高度壟斷，未來 2-3 年當(dāng) SiC 成本由目前是 Si 基 4-5 倍下降至 2 倍。隨著SiC 技術(shù)和國內(nèi) SiC 上下游產(chǎn)業(yè)鏈趨于成熟，會有更多SiC IGBT 相關(guān)產(chǎn)品問世，國內(nèi)市場滲透率會逐步提升。但未來 3-5 年 Si IGBT 還是應(yīng)用主流，本土廠商應(yīng)在工控、家電、新能源領(lǐng)域通過國產(chǎn)替代提升份額。

小結(jié)

功率半導(dǎo)體市場空間大、產(chǎn)品認(rèn)證時間長、產(chǎn)品迭代慢且注重工程師經(jīng)驗和供應(yīng)商口碑積累，是半導(dǎo)體行業(yè)的優(yōu)質(zhì)賽道，同時功率半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)品在不斷創(chuàng)新發(fā)展，最新一代典型產(chǎn)品 IGBT 受益于行業(yè)產(chǎn)品升級 （應(yīng)用場景和占比提升）+汽車電動化、清潔能源占比提升等帶來的超高景氣度，以及可預(yù)期的國產(chǎn)替代提升份額，預(yù)計未來 5 年國內(nèi) IGBT 行業(yè)會有非常好的成長性。