功率器件行業分析1.

IGBT器件被譽為電力電子行業里的“CPU”，是現代電力電子產業的核心器件1.1.

IGBT基本情況電力電子技術是以電子（弱電）為手段去控制電力（強電）的技術，使電網的工頻電能最終

轉換成不同性質、不同用途的電能，以適應不同用電裝臵的不同需求。電力電子技術以電子

學、電力學和控制論相互交叉結合為基礎，研究電能的變換和利用，廣泛應用于高壓直流輸

電、電力機車牽引、交直流轉換、電加熱、電解等各種領域中。電力電子器件是電力電子技術的核心。電力電子器件即功率半導體器件，也稱為功率電子器

件，是進行功率處理的半導體器件。典型的功率處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大、

功率管理等，是電力電子裝臵的心臟。雖然功率器件在整臺電力電子裝臵中的價值通常不會

超過總價值的

20%-30%，但對整機的總價值、尺寸、總量、動態性能、過載能力、耐用性

和可靠性起著十分重要的作用。IGBT是現代電力電子器件中的主導型器件，被譽為電力電子行業里的“CPU”。IGBT是

InsulatedGateBipolarTransistor的縮寫，即絕緣柵雙極型晶體管，是國際上公認的電力電

子技術第三次革命最具代表性的產品。IGBT作為工業控制及自動化領域的核心元器件，能

夠根據信號指令來調節電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現精準調控的目的，被稱

為現代電力電子行業里的“CPU”，廣泛應用于電機節能、軌道交通、智能電網、航空航天、

家用電器、汽車電子、新能源發電、新能源汽車等眾多領域。IGBT既有

MOSFET的開關速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小

的優點，又有

BJT導通電壓低、通態電流大、損耗小的優點，是電力電子領域較為理想的

開關器件。IGBT可以看做由

BJT（雙極型晶體管）和

MOSFET（金屬氧化物半導體場效應

管）組成的復合功率半導體器件。BJT即三極管，是電流驅動器件，基本結構是兩個背靠背

的

PN結，基極和發射極之間的

PN結稱為發射結，基極和集電極之間的

PN結稱為集電結，

通過控制輸入電壓和基極電流可以使三極管出現電流放大或開關效應。MOSFET是電壓型驅

動器件，以常用的

N溝道

MOS管為例，通過在

P型半導體上方加入金屬板和絕緣板，即柵

極，在使用中保持源級和漏級電壓不變，柵極加正電壓，MOS管呈導通狀態，降低柵極電

壓，MOS管呈關閉狀態。由于柵極所帶來的電容效應，使得

MOS管只需要很小的驅動功率即可實現高速的開關作用。BJT通態壓降小、載流能力大，但驅動電流小，MOSFET驅動

功率小、快關速度快，但導通壓降大、載流密度小。IGBT可以等效為

MOS管和

BJT管的

復合器件，在保留

MOS管優點的同時增加了載流能力和抗壓能力，自

20

世紀

80

年代末開

始工業化應用以來發展迅速，成為電力電子領域中最重要的功率開關器件之一，在

6500V以

下的大功率高頻領域逐漸取代了晶閘管和功率

MOSFET器件。1.2.

IGBT的分類IGBT在應用層面通常根據電壓等級劃分：低壓

IGBT：指電壓等級在

1000V以內的

IGBT器件，例如常見的

650V應用于新能源汽

車、家電、工業變頻等領域。中壓

IGBT：指電壓等級在

1000-1700V區間的

IGBT器件，例如

1200V應用于光伏、

電磁爐、家電、電焊機、工業變頻器和新能源汽車領域，1700V應用于光伏和風電領域。高壓

IGBT：指電壓等級

3300V及以上的

IGBT器件，比如

3300V和

6500V應用于高鐵、

動車、智能電網，以及工業電機等領域。在產品層面通常根據封裝方式分類：IGBT單管：封裝規模較小，一般指封裝單顆

IGBT芯片，電流通常在

50A以下，適用于

消費、工業家電領域。IGBT模塊：是

IGBT最常見的形式，將多個

IGBT芯片集成封裝在一起，功率更大、散

熱能力更強，適用于高壓大功率平臺，如新能源車、主流光伏、高鐵等。功率集成（IPM）：指把

IGBT模塊加上散熱器、電容等外圍組件，組成一個功能較為完

整和復雜的智能功率模塊。1.3.

IGBT技術發展歷程及趨勢IGBT技術的整體發展趨勢是大電流、高電壓、低損耗、高頻率、功能集成化、高可靠性。

從

20

世紀

80

年代至今，IGBT芯片經歷了

7

代升級，從平面穿通型（PT）到溝槽型電場—

截止型（FS-Trench），芯片面積、工藝線寬、通態飽和壓降、關斷時間、功率損耗等各項指

標經歷了不斷的優化，斷態電壓也從

600V提高到

6500V以上。第一代：PT-IGBT，使用重摻雜的

P+襯底作為起始層，在此之上依次生長

N+

buffer，N-

base外延，最后在外延層表面形成原胞結構，由于體內晶體結構本身原因造成“負溫度系數”，各

IGBT原胞通態壓降不一致，不利于并聯運行，第一代

IGBT電流只有

25A，且容量小速度

低，目前已基本退出市場。第二代：改進版

PT-IGBT，采用精細平面柵結構，增加一個“緩沖層”，在相同的擊穿電壓下

實現了更薄的晶片厚度，從而降低了

IGBT導通電阻，降低了

IGBT工作過程中的損耗，提

高了

IGBT的耐壓程度。第三代：Trench-IGBT，采用

Trench結構，通過挖槽工藝去掉柵極下面的

JFET區，把溝道

從表面變到垂直面，基區的

PIN效應增強，柵極附近載流子濃度增大，提高了電導調制效應

減小了導通電阻，有效降低導通壓降及導通損耗。第四代：NPT-IGBT，使用低摻雜的

N-襯底作為起始層，先在

N-漂移區的正面做成

MOS結

構，然后從背面減薄到

IGBT電壓規格需要的厚度，再從背面用離子注入工藝形成

P+集電

極，在截止時電場沒有貫穿

N-漂移區，因此稱為

NPT“非穿通”型

IGBT。可以精準的控制

結深而控制發射效率，盡可能地增快載流子抽取速度來降低關斷損耗，保持基區原有的載流

子壽命而不會影響穩態功耗，同時具有正溫度系數特點。第五代：FS-IGBT，采用先進的薄片技術并且在薄片上形成電場終止層，大大的減小了芯片

的總厚度，使得導通壓降和動態損耗都有大幅的下降，從而進一步降低

IGBT工作中過程中

的損耗。第六代：FS-Trench-IGBT，是在第五代基礎上改進溝槽柵結構，進一步增加芯片的電流導通

能力，優化芯片內的載流子濃度和分布，減小了芯片的綜合損耗。第七代：微溝槽柵-場截止型

IGBT，溝槽密度更高，原胞間距也經過精心設計，并且優化了

寄生電容參數，從而實現

5kv/us下的最佳開關性能。總體而言，不同代際升級趨勢為升高耐壓成都，降低開關損耗，在結構上大體表現在以下兩

方面：柵極結構方面：早期

IGBT是平面柵結構，隨著

Trench（干法刻槽）工藝的成熟，將平面型

柵極結構變成垂直于芯片表面的溝槽型結構，IGBT的本質是通過控制柵極與發射級之間的

電壓大小，從而實現對

IGBT導通和截止狀態的控制。當柵極-發射級電壓≤0

時，IGBT呈

關斷狀態，當集電極-發射級電壓≥0

且柵極-發射級電壓＞閾值電壓，IGBT呈導通狀態。溝

槽型結構單元面積小、電流密度大、通態損耗降低約

30%，擊穿電壓更高。縱向結構方面：早期是穿通型（PT）和非穿通型（NPT）結構。PTIGBT是最早商業化生產

的

IGBT，隨著使用應用中電壓等級越來越高，對

NPT結構的基區寬帶要求越來越寬，又有

了在高壓領域向穿通結構的回歸。2.

國內空間廣闊，海外巨頭占據壟斷地位2.1.

國內

IGBT模塊百億級市場空間，占全球

40%以上根據英飛凌年報，2019

年英飛凌模塊產品全球市占率

35.6%，斯達半導

2.5%，英飛凌

IGBT器件產品市占率

32.5%，士蘭微

2.2%。2019

年斯達半導

IGBT模塊營業收入

7.6

億元，士

蘭微

IGBT器件營業收入約

1

億元，由此可推算

2019

年全球

IGBT模塊市場規模約

300

億

元，IGBT器件市場規模約

45

億元。根據

ASMC研究顯示，全球

IGBT市場規模預計在

2022

年達到

60

億美元，全球

IGBT市場

規模在未來幾年時間仍將繼續保持穩定增長的勢頭。根據中國產業信息網和頭豹研究院數據

整理，2014

年，中國

IGBT行業市場規模為

79.8

億元，預測到

2020

年，中國

IGBT行業將

實現

197.7

億元的收入，年復合增長率達

16.32%。預計到

2023

年中國

IGBT行業整體市場

規模有望達到

290.8

億元，市場前景廣闊。根據

Yole預測，2024

年中國行業

IGBT產量預

期達到

0.78

億只，需求量達到

1.96

億只，仍存在巨大供需缺口。IGBT市場長期被英飛凌、富士電機等海外公司壟斷，英飛凌占據絕對領先的地位。2019

年

英飛凌模塊產品全球市占率

35.6%，器件產品全球市占率

32.5%，IGBT模塊領域國內斯達

半導是唯一進入前十的企業，市占率

2.5%，IGBT器件領域國內士蘭微是唯一進入前十的企

業，市占率

2.2%。國內產品供需不平衡，“國產替代”將是未來

IGBT行業發展的主要方向。2.2.

工控領域及電源行業支撐

IGBT穩定發展IGBT模塊是變頻器、逆變焊機、UPS電源等傳統工業控制及電源行業的核心元器件，根據

集邦咨詢數據，2019

年全球工控市場

IGBT市場規模約為

140

億元，中國工控市場

IGBT市

場規模約為

30

億元。由于工控市場下游需求分散，工控

IGBT市場需求較為穩定，假設未

來每年保持

3%的規模增速，預計到

2025

年全球工控

IGBT市場規模將達到

167

億元。變頻器行業：據前瞻產業研究院測算，中國變頻器行業的市場規模整體呈上升態勢，從

2012

年至

2019

年，中國變頻器行業規模除

2015

年有小幅度下降以外，其余年份均處于穩步增

長狀態。2019

年中國變頻器行業的市場規模達到

495

億元，相比

2018

年增長

4.7%。在一

系列節能環保政策的指引下，預計未來

5

年內，變頻器將在電力、冶金、煤炭、石油化工等

領域將保持穩定增長，在市政、軌道交通、電梯等領域需求進一步增加，從而促進市場規模

擴大，未來幾年整體增幅將保持在

10%左右，到

2025

年，變頻器市場規模將達到

883

億。

變頻器靠內部

IGBT的開關來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所

需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，變頻器產業的快速發展勢必導致

IGBT需求

提升。逆變式弧焊電源，又稱弧焊逆變器，是一種新型的焊接電源。這種電源一般是將三相工頻（50

赫茲）交流網路電壓，先經輸入整流器整流和濾波，變成直流，再通過

IGBT模塊的交替開

關作用，逆變成幾千赫茲至幾萬赫茲的中頻交流電壓，同時經變壓器降至適合于焊接的幾十

伏電壓，后再次整流并經電抗濾波輸出相當平穩的直流焊接電流。根據國家統計局數據，2020

年中國電焊機產量為

1108.93

萬臺，同比

2019

年增加了

158.87

萬臺。UPS電源系統，IGBT被廣泛應用于不間斷電源系統(UPS)的設計中，數據顯示，1200V/100AIGBT的導通電阻為同規格耐壓功率

MOSFET的

1/10，開關時間為同規格

GTR的

1/10。據

QYR電子研究中心統計，

2018

年全球不間斷電源（UPS）市場價值為

105.37

億美元，預

計到

2025

年底將達到

139.66

億美元。2.3.

家電行業是

IGBT器件的穩定市場變頻空調、冰箱、洗衣機的核心控制部件是變頻控制器，它承擔了電機驅動、PFC功率校正

以及相關執行器件的變頻控制功能。而變頻控制器很重要的一環就是

IPM模塊，IPM將功率

器件芯片（IGBT+FRD或高壓

MOSFET）、控制

IC和無源元件等這些元器件高密度貼裝封

裝在一起，通過

IPM，MCU就能直接高效地控制驅動電機，配合白家電實現低能耗、小尺

寸、輕重量及高可靠性的要求。中國作為全球最大的家電市場和生產基地，IPM的應用潛力十分強勁。以空調行業為例，根

據產業在線的數據，2020

年中國變頻空調銷量達

7485

萬臺，同比增長

10.02%，并且未來

變頻空調有望在空調市場進一步滲透，面向變頻空調應用的

IGBT的市場空間將十分廣闊。

同時，作為變頻白色家電的另外兩大市場，變頻冰箱和變頻洗衣機市場增速顯著。2020

年，

中國變頻冰箱銷量為

2507

萬臺，同比增長

26.38%，中國變頻洗衣機銷量為

2627

萬臺，同

比增長

0.91%。從

IPM需求量看，空調對

IPM需求量最高，2018

年達

1.3

億塊，冰箱達

2000

多萬塊，洗

衣機為

1600

多萬塊。分不同家電來看，變頻冰箱會使用

5-10A的

IPM，單個價值量在

1

美

金左右；變頻洗衣機會使用

10A左右的

IPM，單個價值量在

2-3

美金；變頻空調會使用

15-30A的

IPM，平均價值量約為

4-5

美金，由此可測算出

2018

年家電

IPM市場空間為

5

億美金左

右市場規模，隨著變頻家電滲透率的逐漸提升，市場空間會進一步擴大。2.4.

新能源發電為

IGBT帶來持續發展動力目前新能源發電以光伏和風力發電為主，以光伏發電為例，在太陽光照射下太陽能電池陣列

產生電能輸出直流電，但輸出的電能不符合電網要求，需通過逆變器將其整流，再逆變成符

合電網要求的交流電后輸入并網。以往光伏發電系統是采用

MOSFET構成的逆變器，然而

隨著電壓的升高，MOSFET會因其通態電阻過大而導致增加開關損耗，IGBT因其通態電流

大、耐壓高、電壓驅動等特點，在中、高壓容量的系統中更具優勢，在實際項目中

IGBT已

逐漸取代

MOSFET作為光伏逆變器和風力發電逆變器的核心器件，新能源發電行業的迅速

發展將成為

IGBT行業持續增長的全新動力。根據國際能源機構

IEA數據顯示，2019

年全球光伏新增裝機

115GW，目前集中式光伏逆變

器成本在

0.16-0.17

元/W，組串式光伏逆變器成本在

0.2

元/W左右，總體光伏逆變器成本在

0.2

元/W左右。根據行業調研數據，IGBT模塊占光伏逆變器總成本比例約為

10%，即光伏

IGBT模塊價值量約為

0.02

元/W。由此可測算出，2019

年全球光伏

IGBT價值量為

23

億元，據歐洲光伏產業協會預測,全球光伏裝機量未來

5

年將保持

15%以上的復合增速，假設光伏

逆變器出貨量每年保持

15%增長，預計到

2025

年全球光伏

IGBT市場規模將達到

53

億元。國內逆變器廠商在全球光伏市場上持續突破，據

Solaredge數據，2018

年華為在全球逆變

器市場的份額達

22%。據陽光電源

2020

年報披露，公司

2015

年起出貨量首次超越連續多

年排名全球發貨量第一的歐洲公司，銷售收入

7.51

億元，全球市占率

27%，已批量銷往德

國、意大利、澳大利亞、美國、日本、印度等

150

多個國家和地區，國內光伏逆變器廠商的

快速發展也為國產

IGBT替代帶來更多產品應用的機會。3.

新能源車的快速發展給

IGBT帶來巨幅增量3.1.

IGBT是新能源車動力系統核心中的核心新能源車的制動原理是利用電磁效應驅動電機轉動，IGBT優異的開關特性可以實現交直流

轉換、電壓轉換和頻率轉換幾個核心功能，電動車充電時，通過

IGBT將外部電源轉變成直

流電，并把外部

220V電壓轉換成適當的電壓給電池組充電。電動車制動時，通過

IGBT把

直流電轉變成交流電機使用的交流電，同時精確調整電壓和頻率，驅動電動車運動。一臺車的加速能力、最高時速、能源效率主要看車規級功率器件的性能，硅基

IGBT作為主

導型功率器件，在新能源車中應用于電動控制系統、車載空調系統、充電樁逆變器三個子系

統中，約占整車成本的

7%-10%，是除電池以外成本第二高的元件，也是決定整車能源效率

的關鍵器件。新能車市場銷量：根據中汽協發布的數據統計，2019

年新能源車新產銷分別完成

124.2

萬

輛和

120.6

萬輛，其中絕大部分為純電動汽車，產銷為

102

萬輛和

97.2

萬輛，插電式混合

動力汽車產銷為

22.0

萬輛和

23.2

萬輛，2020

年國內新能源車銷量為

136.7

萬輛。2021

年

5

月，新能源汽車產銷環比略增，同比繼續保持高速增長，產銷均為

21.7

萬輛，環比增長

0.5%和

5.4%，同比增長

1.5

倍和

1.6

倍。單臺新能源車用量：電動汽車單車

IGBT的價格在

A00

級車的主控

IGBT模塊價值量

800-1000

元，A級車

1500

左右，混動車在

2000

元左右，再綜合空調、充電等部分，平均

電動汽車單車

IGBT價值量為

1000-4000

不等。根據

Yole的統計，2016

年全球電動車

IGBT管用量約為

9

億美元，單車的

IGBT管用量約為

450

美元。新能源車

IGBT市場空間推算：據

IDC預計，受政策推動等因素的影響，中國新能源汽車市

場將在未來

5

年迎來強勁增長，2020

年至

2025

年的年均復合增長率（CAGR）將達到

36.1%，

假設單臺車

IGBT用量

3000

元左右來預估，至

2025

年，國內新能源車

IGBT模塊市場規模

為

191

億左右。3.2.

車規級

IGBT性能要求更加嚴苛對于新能源車用

IGBT而言，一方面由于道路復雜性，車輛行駛中會受到較大的震動和沖擊，

對

IGBT強度要求較高，另一方面由于汽車頻繁啟停會引起

IGBT結溫上升，對散熱提出了

更高的要求。針對車規級

IGBT模塊的特殊要求，IGBT技術正朝著小型化、低功耗、耐高溫、高安全和智

能化的方向發展，以富士電機新能源車用

IGBT產品為例，重點考慮以下幾方面的設計：小型化：由于需要在汽車有限的空間內安裝高