联研国芯  IGBT驱动器 柔直输电

1. 行业概览

  1.1 什么是功率半导体?

  功率器件是电子装置电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电压和频率。主要用途包括变频、 整流、变压、功率放大、功率控制等，同时具有节能功效。功率半导体器件广泛应用于移动通讯、 消费电子、新能源交通、轨道交通、工业控制、发电与配电等电力、电子领域，涵盖低、中、高 各个功率层级。

  1.2 什么是IGBT?

  IGBT属于双极型、硅基功率半导体，具 有耐高压特性。融合了BJT（Bipolar junction transistor，双极型三极管）和 MOSFET 的性能优势 ， 结构为 MOSFET+一个BJT，兼具BJT大电流增 益和MOS压控易于驱动的优势，自落地 以来在工业领域逐步替代MOSFET和 BJT，目前广泛应用于650-6500V的中高 压领域，属于功率器件领域最具发展前 景的赛道。

  1.3 70%的IGBT具体应用形式为模块

  IGBT最常见的应用形式是模块。大电流和大电压环境多使用IGBT模块，IHS数据显示模块和 单管比例为3:1。而IPM是特殊的IGBT模块，主要应用于中小功率变频系统。IGBT模块主要有五种结构。以2 in 1模块为例，模块中封装了两组芯片，根据电流或功率要求 不同每组可并联多颗IGBT芯片（ IGBT芯片与FRD一一对应）

  IGBT模块的优势：与单管相比，IGBT模块：1）集成度更高，更节约体积，2）多IGBT芯片 并联，电流规格更大，3）减少外部电路连接的复杂性，4）散热性更好，可靠性提升

  2. 技术路径

  2.1 产业环节拆分

  IGBT产业大致可分为芯片设计、晶圆制造、模块封装、下游应用四个环节，其中设计环节技术突 破难度略高于其他功率器件，制造环节资本开支相对大同时更看重工艺开发，封装环节对产品可靠 性要求高，应用环节客户验证周期长，综合看IGBT属于壁垒较高的细分赛道。

  2.2 芯片设计：已迭代7代，核心是高功率密度和高稳定性

  由于IGBT 芯片工作在大电流、高电压的环境下，对可靠性要求较高，同时芯片设计需保证开通 关断、抗短路能力和导通压降（控制热量）三者处于均衡状态，芯片设计与参数调整优化十分特 殊和复杂，因而对于新进入者而言研发门槛较高（看重研发团队的设计经验）GBT应用端迭代节奏慢于研发端，目前市场主流水平相当于英飞凌第4代。由于IGBT属于电 力电子领域的核心元器件，客户在导入新一代IGBT产品时同样需经过较长的的验证周期，且 并非所有应用场景都追求极致性能，因此每一代IGBT芯片都拥有较长的生命周期。

  2.3 晶圆制造：背板减薄、激光退火、离子注入是难点

  IGBT制造的三大难点：背板减薄、激光退火、离子 注入。IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS区别不大， 但背面工艺要求严苛（为了实现大功率化）。具体 来说，背面工艺是在基于已完成正面Device和金属 Al层的基础上，将硅片通过机械减薄或特殊减薄工 艺（如Taiko、Temporary Bonding 技术）进行减薄 处理，然后对减薄硅片进行背面离子注入，如N型掺 杂P离子、P型掺杂B离子，在此过程中还引入了激 光退火技术来精确控制硅片面的能量密度。

  特定耐压指标的IGBT器件，芯片厚度需要减薄到 100-200μm，对于要求较高的器件，甚至需要减薄 到60~80μm。当硅片厚度减到100-200μm的量级， 后续的加工处理非常困难，硅片极易破碎和翘曲。从8寸到12寸有两个关键门槛：减薄要求从120um转成80um，翘曲更严重，国内 能解决 ， 背面高能离子注入（氢离子注入），设备单价高

  2.4 模块封装：散热和可靠性是关键

  GBT模块重视散热及可靠性，封装环节附加值高。IGBT模块在实际应用中高度重视散热性能及 产品可靠性，对模块封装提出了更高要求。此外，不同下游应用对封装技术要求存在差异，其中 车规级由于工作温度高同时还需考虑强振动条件，其封装要求高于工业级和消费级。

  3. 市场空间

  3.1 电动车—电控—IGBT模块—IGBT晶圆的价值量分布

  1个8寸晶圆可以产出259颗相应规格芯片，对应10个80KW的车规模块（PS：包含了 FRD芯片）结论：一颗8寸晶圆可以满足10辆A00级车的电控需求（80KW以下），5辆160KW的 A级车的电控需求

  3.2 下游之光伏风电：IGBT需求增速约15~20 %

  光伏：光伏逆变器中IGBT单位成本约0.02元/W。我们测算2019/20年全球光伏行业IGBT需求约 23/27亿元，我们预计2025年将伴随光伏装机增长至70亿元（国内占比约60%，对应42亿元），5 年CAGR超过20%。

  风电：预计“十四五”期间国内风电年均装机超50GW，年复合增速10%-15%。以1.5MW双馈型 风机为例，其中变流器中IGBT用量约21个（1700V/2400A）；目前风电变流器中IGBT单位成本约 为0.025元/W。根据我们测算，2020年国内风电行业IGBT需求约9亿元，预计2025年增长至17.5 亿元，5年CAGR接近15%。（报告来源：未来智库）

  光伏+风电整体需求增速约15~20%；若考虑储能需求，实际增速更高。

  3.3 下游之工业控制：行业增速10~15%

  IGBT模块是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件,下游增速约10~15%细分市场包括变频器、工业电源、电焊机 、伺服器等。工控领域IGBT需求相对分散，国内市场空间约70~80亿元，预计未来维持10~15%增速。

  3.4 下游之变频家电：行业增速约15~20%

  2020年初国家推出新能效标准加速家电的变频化，行业增速约20%。以空调为例，国内2022年 完全淘汰定频空调，定速空调和变频3级能效产品以下均不符合新国标，将淘汰目前在售的90% 以上的定速空调型号和50%的变频空调型号。IHS预计全球2017~22年变频家电出货量CAGR达 到19%。变频家电多使用IPM，全球空间有望达百亿级别。IPM（智能功率模块）是一种特殊的IGBT模块， 集成了驱动、保护电路等。空调使用2颗IPM（内外机），其他家电使用1颗IPM，单颗ASP在 10~30元。基于IHS预测的变频家电出货量测算，2017年到2022年全球家电用IPM总需求将由49 亿元增长至117亿元。

  3.5 下游之电网轨交：国内需求接近20亿，市场相对封闭

  电网：近年落地的柔性直流（张北±500kV柔性直流工程）或直流混合项目（乌东德工程），开 始较大批量的采购高压IGBT产品，单条线路平均用量约5000~6000万元。预计“十四五”期间， 柔性直流项目有望逐渐稳定落地并扩大商用规模。

  轨交：轨道交通市场对于IGBT的需求可根据应用场景，大致分为铁路市场与地铁市场。具体IGBT 单位用量，主要根据车型设计使用的电压等级及变流器数量决定，电力机车平均用量在60~90个 左右，电压等级在2400V~6500V之间；动车组平均用量为80~150个，电压等级在3300V~6500V之间； 地铁受型号影响，平均用量在30~80个不等，电压等级在1700V~3300V之间。以2018年中国轨道交 通招标采购量为例，经测算预计全年轨交IGBT采购需求约为15亿元。

  4. SiC的影响几何

  4.1 应用场景：导电型SiC主要应用于中高压功率器件

  目前 SiC 功率器件主要定位于功率在 1kw-500kw 之间、工作频率在 10KHz-100MHz之间的场景，特 别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用。

  4.2 行业痛点：价格远高于Si基器件，目前仍处于 普及初期

  尽管1990s SiC衬底就已经实现产业化，但可靠性和高成本限制了行业普及。SiC功率器件成本远高于Si基功率器件，成本降低驱动逐步渗透：SiC 二极管：应用相对容易，和 Si 基产品价格差在3~5倍。在比特币的蚂蚁挖矿机的电源中有批 量的商业应用，在高效能的(数据中心)电源、 PV、充电桩中已有不少应用。SiC MOSFET ：应用相对较难，和 Si基产品价格差在~5倍，在 PV 逆变器、充电桩、电动汽车 充电与驱动、电力电子变压器等逐步开始应用。

  4.3 空间：18年SiC器件需求约4亿$，10年35倍扩张

  根据IHS Markit数据，2018年SiC功率器件市场规模约3.9亿美元。预计到2027年将超过100亿美 元，对应9年CAGR为43%。驱动力包括：需求端：1）特斯拉引领下，新能源汽车逐步开始使用SiC MOS，拉动庞大需求（预计是最大也是最重要的市场），2）电力设备等领域的带动 。供给端：1）产品技术升级，SiC衬底尺寸从4寸转向6寸，再向8寸升级；2）产能扩张后产生规 模效应。

  4.4 电动车：SiC优点在于可降低综合成本

  直接成本增加：在逆变器中用SiC MOS替换IGBT，会增加约1~200美金的器件成本。其他成本降低：1）SiC 可使控制器效率提升 2%~8，进而降低电池成本。根据CASA，电动车每百 公里电耗减少1kWh，电池成本节约1500元（反之，同样的电池成本续航能力更强）。 2）由于高 频特性，配套的变压器、电感等磁性元件成本降低（电感成本与频率成反比）。3）逆变器体积减 小，降低其他材料成本。4）低功耗、高工作结温降低散热要求。电池容量更大的高端车型或电动大巴车，更容易率先引入SiC MOSFET

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