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文 | 火石產(chǎn)業(yè)大腦
在碳中和背景下，近年新能源汽車進(jìn)入發(fā)展快車道。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)最新統(tǒng)計(jì)顯示，2022年我國(guó)新能源汽車爆發(fā)式增長(zhǎng)，產(chǎn)銷分別完成705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)96.9%和93.4%，連續(xù)8年保持全球第一，2023年發(fā)展勢(shì)頭依然迅猛，2023年1-8月新能源汽車銷量合計(jì)537.4萬(wàn)輛，同比增速39.2%。
來(lái)源：中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)
伴隨新能源汽車蓬勃發(fā)展，功率半導(dǎo)體中的主要產(chǎn)品車規(guī)級(jí)IGBT需求爆發(fā)式增長(zhǎng)。得益于此，全球功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)英飛凌的汽車業(yè)務(wù)持續(xù)增強(qiáng)，2022年達(dá)63.98億歐元，連續(xù)兩年增速超30%，成為英飛凌支柱性業(yè)務(wù)。
來(lái)
源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開(kāi)資料整理
來(lái)源：英飛凌財(cái)報(bào)
功率半導(dǎo)體器件（Power Electronic Device）是電子裝置電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，可通過(guò)半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)和電力轉(zhuǎn)換的功能，其作用主要分為功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開(kāi)關(guān)、線路保護(hù)和整流等。
功率半導(dǎo)體主要功能示意，來(lái)源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開(kāi)資料整理
按器件集成度，可以分為功率器件和功率IC兩大類。功率器件按器件結(jié)構(gòu)可分為二極管、晶體管和晶閘管三大類，其中，晶體管是能夠提供電功率放大并具有三個(gè)或更多電極的一種半導(dǎo)體器件，根據(jù)主要工藝，可以把晶體管分為雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管，雙極晶體管屬于流控器件，響應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，如：雙極性三極管（BJT）；場(chǎng)效應(yīng)管屬于壓控器件，輸入阻抗高，功率消耗相對(duì)較低，包括結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。
功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)示意圖，來(lái)源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開(kāi)資料整理
IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，是由雙極性三極管(BJT)和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，因此兼顧了兩者高輸入阻抗、驅(qū)動(dòng)功率小與飽和壓降低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了兩者的缺點(diǎn)[1]。
BJT、MOSFET和IGBT的對(duì)比
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IGBT被喻為電力電子裝置的“CPU”，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，通過(guò)脈寬調(diào)制，可以把輸入的直流電壓變成所需要頻率的交流電，或者反過(guò)來(lái)，主要用于變頻逆變和其他逆變電路。在新能源汽車領(lǐng)域，它是新能源汽車電機(jī)控制器、車載空調(diào)、充電樁等設(shè)備的核心元器件，是電控系統(tǒng)中最核心的電子器件之一。
在新能源汽車爆發(fā)式增長(zhǎng)的背后，我們看到功率半導(dǎo)體全球緊缺的情況一直存在，這其中尤以IGBT產(chǎn)品為重災(zāi)區(qū)。據(jù)供應(yīng)鏈最新消息顯示，目前IGBT缺貨基本在39周以上，供需缺口已經(jīng)拉長(zhǎng)到50%以上，市場(chǎng)部分料號(hào)供貨周期維持在52周，最長(zhǎng)達(dá)54周。英飛凌最新的Q2交期維持在39-50周，另一家大廠安森美2022-2023年的產(chǎn)能全部售罄，Q2交期在47-52周，遠(yuǎn)高于英飛凌[2]。
在供需偏緊的情況下，國(guó)產(chǎn)廠商紛紛進(jìn)入車規(guī)級(jí)IGBT研發(fā)制造領(lǐng)域。但目前，由于車規(guī)級(jí)IGBT模塊驗(yàn)證周期長(zhǎng)、制作工藝需要的技術(shù)難度和可靠性要求高，全球范圍，車規(guī)級(jí)IGBT行業(yè)集中度較高，市場(chǎng)份額集中在英飛凌、安森美、意法半導(dǎo)體等海外廠商，CR3達(dá)33.8%。從國(guó)別來(lái)看，全球半導(dǎo)體功率器件及模塊前十企業(yè)，日本獨(dú)占5家，美國(guó)2家，瑞士1家，中國(guó)1家，雖德國(guó)也僅有1家進(jìn)入前十，但其市場(chǎng)銷量全球第一，占2021年全球市場(chǎng)份額的19.7%，是第二名的安森美2倍多。
表：2021年全球半導(dǎo)體功率器件及模塊前十企業(yè)，來(lái)源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開(kāi)資料整理
在供需緊缺，外加我國(guó)自主新能源汽車品牌崛起的大背景下，國(guó)內(nèi)IGBT行業(yè)迎來(lái)國(guó)產(chǎn)替代浪潮，截至2022年Q1，我國(guó)新能源車IGBT模塊國(guó)產(chǎn)化率已近40%，斯達(dá)半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)、時(shí)代電氣引領(lǐng)市場(chǎng)，分別占有國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額的19%、17%、11%。2022年中國(guó)IGBT市場(chǎng)總規(guī)模達(dá)321.9億元，預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)總規(guī)模有望達(dá)468.1億元，復(fù)合增長(zhǎng)率13.3%。未來(lái)我國(guó)車規(guī)級(jí)IGBT市場(chǎng)規(guī)模及國(guó)產(chǎn)替代將進(jìn)一步深化[3]。
圖：2022年Q1中國(guó)新能源車功率模塊市場(chǎng)格局，來(lái)源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開(kāi)資料整理
圖：中國(guó)IGBT行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模以及CAGR (單位:億元），來(lái)源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開(kāi)資料整理
IGBT的發(fā)展，自1988年至今，已歷經(jīng)7次技術(shù)迭代。迭代方向主要集中在芯片面積和厚度逐年減小，功率損耗逐年降低，阻斷電壓等級(jí)逐年提升，向高穩(wěn)定性、高可靠性發(fā)展，大致可分為三個(gè)階段[4]：
第一階段是第一、第二代IGBT為代表的平面柵型IGBT，其中第一代由于工藝復(fù)雜且成本高，已基本被淘汰，第二代部分類型產(chǎn)品目前仍有銷售。
第二階段是以第三代、第四代IGBT為代表的溝槽柵型IGBT。該類型產(chǎn)品通過(guò)創(chuàng)新的溝槽設(shè)計(jì)，大大減小了IGBT的體積和使用功耗，因此被廣泛使用。第五代、第六代的IGBT，屬于對(duì)溝槽柵型的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)并未有很大的變動(dòng)。
第三階段是 2018 年以后，英飛凌研發(fā)出第七代微溝槽型 IGBT，該類型產(chǎn)品更大程度地減小了器件的體積和功耗，目前英飛凌已達(dá)量產(chǎn)水平。
表：全球IGBT七次技術(shù)迭代情況，來(lái)源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開(kāi)資料整理
我國(guó)本土廠商進(jìn)場(chǎng)較晚，缺乏豐富經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人才，疊加貿(mào)易摩擦，導(dǎo)致中國(guó)IGBT產(chǎn)品在技術(shù)端嚴(yán)重滯后于國(guó)際巨頭的產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)大部分供應(yīng)商僅能實(shí)現(xiàn)在第四代、第五代進(jìn)行量產(chǎn)。直到2021年，國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)斯達(dá)半導(dǎo)，基于第七代微溝槽Trench Field Stop技術(shù)的新一代車規(guī)級(jí) 650V/750V IGBT芯片研發(fā)成功，并通過(guò)客戶驗(yàn)證，我國(guó)企業(yè)車規(guī)級(jí)IGBT才首次出現(xiàn)第七代產(chǎn)品。
表：以進(jìn)入汽車供應(yīng)鏈為目標(biāo)的國(guó)內(nèi)IGBT領(lǐng)先企業(yè)，來(lái)源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開(kāi)資料整理
國(guó)產(chǎn)替代持續(xù)深化、勢(shì)不可擋。我國(guó)是全球最大的IGBT需求市場(chǎng)，本土IGBT產(chǎn)品性能已有部分達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)，但我國(guó)IGBT在高技術(shù)、高附加值的大功率器件產(chǎn)品上的國(guó)產(chǎn)化程度依然較低，進(jìn)口依賴程度大。無(wú)論是從供應(yīng)鏈安全角度、還是隨大功率產(chǎn)品需求深入帶來(lái)的成本控制角度考慮，對(duì)于車企、電控廠商來(lái)說(shuō)，功率器件自主可控都將是最優(yōu)選。車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體現(xiàn)已成為車企重點(diǎn)布局和投資熱門領(lǐng)域之一。
新能源汽車高壓化，推動(dòng)Sic加速發(fā)展，短期或?qū)⒊尸F(xiàn)SiC、IGBT并行發(fā)展態(tài)勢(shì)。出于解決純電動(dòng)車充電效率、續(xù)航等問(wèn)題，各大車企競(jìng)相角逐800V高壓驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，但I(xiàn)GBT并不適用于800V平臺(tái)，更多是應(yīng)用于750V及以下的電壓平臺(tái)。
SiC材料的出現(xiàn)，吸引了全球各大資本的目光，與IGBT相比，SiC功率器件在耐高壓、大電流、耐高溫、高頻、高功率和低損耗等方面表現(xiàn)更為優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車及充電樁、光伏、電網(wǎng)、軌道交通和儲(chǔ)能等領(lǐng)域。但受制于技術(shù)工藝的不成熟、成本的高昂（SiC MOSFET的價(jià)格是IGBT的2.5-3倍），短期內(nèi)，SiC與IGBT將并行發(fā)展，直到SiC功率器件的成本下探、技術(shù)成熟，或?qū)⑷〈鶬GBT在各重疊領(lǐng)域的應(yīng)用。截至2021年，國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)線已經(jīng)投入超20條，產(chǎn)業(yè)鏈上、下游都有相關(guān)企業(yè)參與。
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