IGBT行业分析

IGBT：功率半导体皇冠，进口替代正当时2016年8月14日中国中投证券有限责任公司研究总部参与人：耿琛(S0960115100022)证券研究报告/行业研究张雷(S0960116060029)张磊(S0960116030023)电子首席分析师：孙远峰(S0960516020001)中投证券电子团队，行业趋势热点前瞻解析系列之六21•IGBT是什么？2•IGBT各世代有何技术差异？3•IGBT有哪些重要应用领域？4•IGBT行业国内外差距有多大？5•受益标的有哪些？主要内容中投电子孙远峰团队3IGBT简介IGBT(绝缘栅双极型晶体管），是由BJT(双极结型晶体三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。简单讲，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点，如驱动功率小和饱和压降低等。电力半导体器件分类是否可控不可控型不能用控制信号控制其通断如普通功率二极管VD；半控型可控制导通，不能控制关断如普通晶闸管SCR；全控型可控制其导通和关断，如GTR,MOSFET,IGBT；驱动方式电流驱动通过电流信号控制导通或关断，如三极管BJT；电压驱动通过电压信号控制导通或关断，如MOSFET，IGBT；资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部三种器件性能比较中投电子孙远峰团队特性BJTMOSFETIGBT驱动方式电流电压电压驱动电路复杂简单简单输入阻抗低高高驱动功率高低低开关速度慢快居中工作频率低高居中饱和压降低高低IGBT模块4IGBT模块是由IGBT与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。中投电子孙远峰团队资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部常见IGBT模块产品风电高铁家用电器电动汽车类别IGBT单管IGBT模块PIM模块IPM模块结构封装模块较小，电流通常在100A以下多IGBT芯片并联集成封装在一起集成三相全波整流、二极管桥接电路、制动电路的模块即智能功率模块，集成栅极驱动电路+各保护电路的IGBT模块特点IGBT单管是体验IGBT制造商水平的核心技术外部电路简单，工作更可靠,更适合高压和大电流连接需要外接驱动电路在IGBT器件基础上增加外围电路（过流/短路/欠压/过热保护等），防止过高的温升或者高压冲击损害IGBT，比IGBT模块更加智能IGBT不同产品类型对比资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部IGBT模块结构简图IGBT常见应用5IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU”。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。工业领域家用电器领域轨道交通领域新能源领域医学领域军工航天领域如变频器、逆变焊机如变频空调、洗衣机、冰箱如动车、地铁、轻轨如新能源汽车、风力发电如医疗设备稳压电源如飞机、舰艇中投电子孙远峰团队资料来源：网络整理、中国中投证券研究总部6IGBT基本工作原理IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其外部有三个电极，分别为G-栅极，C-集电极，E-发射极。IGBT结构简图（左）与等效电路图（右）中投电子孙远峰团队资料来源：百度文库、中国中投证券研究总部IGBT基本工作原理7在IGBT使用过程中，可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小，从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。·当IGBT栅-射极加上加0或负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT呈关断状态。·当集-射极电压UCE＜0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。·当集-射极电压UCE＞0时，分两种情况：①若栅-射极电压UGE＜Uth，沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。②若栅-射极电压UGE＞Uth，栅极沟道形成，IGBT呈导通状态（正常工作）。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使IGBT通态压降降低。IGBT四种工作状态IGBT可靠性因素栅-射极电压UGE集-射极电压UCE集-射极电流ICEIGBT结温·若UGE过低，则IGBT不能正常工作；·若UGE、UCE、ICE、结温过高，则会造成IGBT永久性损坏；中投电子孙远峰团队资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部8薄膜电容在IGBT相关电路中的应用薄膜电容常用在新能源（风力发电/光伏发电）及新能源汽车IGBT相关电路中参数电解电容薄膜电容电极材料铝箔金属化薄膜电容成本低高静态损耗较大极小高温对寿命影响影响极大几乎无影响使用寿命6000h以下10Wh过电压击穿后须更换自愈无须更换薄膜电容在新能源汽车主电机驱动系统中的应用图薄膜电容与电解电容性能对比中投电子孙远峰团队资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部常见薄膜电容及其结构简图薄膜电容在风力发电变流器中的应用图资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部C1：DC-Link电容C2：IGBT吸收电容C3:滤波电容类别DC-Link电容吸收电容滤波电容位置并联在整流电路输入端与IGBT并联作为保护电容并联在整流电源电路输出端作用为后级逆变系统的功率器件开通瞬间提供有效值和幅值很高的脉动电流用来缓冲IBGT开关时产生的高脉冲电压和电流滤除IGBT逆变器产生的高频纹波91•IGBT是什么？2•IGBT各世代有何技术差异？3•IGBT有哪些重要应用领域？4•IGBT行业国内外差距有多大？5•受益标的有哪些？主要内容中投电子孙远峰团队10IGBT芯片技术演进1950-60年代双极型器件SCR,GTR,GTO1970年代单极型器件VD-MOSFET1980年代初,试图把MOS与BJT技术集成起来的研究，导致了IGBT的发明。1985年前后美国GE成功试制工业样品（可惜后来放弃）。自此以后，IGBT主要经历了6代技术及工艺改进。通态电阻很小；电流控制，控制电路复杂且功耗大；通态电阻很大；电压控制，控制电路简单且功耗小；发明背景需要一种新功率器件能同时满足：·驱动电路简单,以降低成本与开关功耗；·通态压降较低，以减小器件自身的功耗；发明动力代别技术特点芯片面积饱和压降TR/μs功率损耗出现时间第1代平面穿透型（P.PT）10030.51001988第2代改进的平面穿透型（P.PT）562.80.3741990第3代沟槽型（trench）4020.25511992第4代透明集电区非穿透型（NPT）311.50.25391997第5代电场截止型（FS）271.30.19332001第6代沟槽型电场截止型（FS-Trench）2410.15292003各代IGBT主要参数对比中投电子孙远峰团队资料来源：SITRI产业研究、中国中投证券研究总部11IGBT芯片技术演进代别第2代PT型第4代NPT型第5代FS型第6代Trench-FS型新技术载流子寿命控制技术TC（透明集电区技术）TC+FS（电场中止技术）TC+FS+Trench（沟槽栅）作用位置近表层集电区耐压层近表层位置图示IGBT新技术作用位置及发展趋势中投电子孙远峰团队资料来源：百度文库、中国中投证券研究总部从结构上讲，IGBT主要有三个发展方向：IGBT纵向结构非透明集电区NPT型带缓冲层的PT型透明集电区NPT型FS电场截止型IGBT栅极结构平面栅结构Trench沟槽型结构硅片加工工艺外延生长技术区熔硅单晶IGBT技术发展线发展趋势：①降低损耗②降低生产成本总功耗＝通态损耗(与饱和电压VCEsat有关)+开关损耗(EoffEon)同一代技术中通态损耗与开关损耗两者相互矛盾,互为消长。12IGBT芯片技术演进代别第2代PT型第4代NPT型第5代FS型第6代Trench-FS型技术效果相比GTR和MOSFET实现了低通态压降同时低开关损耗减小开关损耗利于高频工作降低成本即减小开关损耗也减小通态损耗减小通态损耗利于大电流结构特点外延晶片不用寿命控制技术；不用外延片；NPT工艺+FSNPT工艺+FS+Trench性能特点通态压降不均；不适于并联使用；功耗有待降低；制造成本低；Eoff比PT型小；VCE(sat)比PT型大；坚固不易损坏；N-耐压层比NPT型更薄；VCE(sat)低于NPT型；Eoff比PT和NPT型都低；VCE（sat)正温度系数；VCE(sat)比FS型低；VCE(sat)和Eoff低于NPT型；结构简图IGBT芯片各代特点及结构简图中投电子孙远峰团队资料来源：百度文库、中国中投证券研究总部13IGBT模块封装技术焊接式IGBT模块结构简图多芯片并联加装衬板加装基板加装外壳、密封固化焊接式IGBT模块封装过程中投电子孙远峰团队资料来源：中国南车、中国中投证券研究总部14IGBT模块封装技术IGBT模块按封装工艺来看主要可分为焊接式与压接式两类。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主，中低压IGBT模块则出现了很多新技术，如烧结取代焊接，压力接触取代引线键合的压接式封装工艺。焊接式压接式随着IGBT芯片技术的不断发展，芯片的最高工作结温与功率密度不断提高，IGBT模块技术也要与之相适应。未来IGBT模块技术将围绕芯片背面焊接固定与正面电极互连两方面改进。模块技术发展趋势：·无焊接、无引线键合及无衬板/基板封装技术；·内部集成温度传感器、电流传感器及驱动电路等功能元件，不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。中投电子孙远峰团队资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部151•IGBT是什么？2•IGBT各世代有何技术差异？3•IGBT有哪些重要应用领域？4•IGBT行业国内外差距有多大？5•受益标的有哪些？主要内容中投电子孙远峰团队资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部16IGBT应用领域作为新型功率半导体器件的主流器件，IGBT已广泛应用于工业、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。按电压分布的IGBT应用领域电流电压中投电子孙远峰团队资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部1200V以上的高规格IGBT产品应用在电力设备、汽车电子、高铁及动车中600V以下的IGBT产品主要应用在消费电子领域17IGBT模块应用领域——新能源汽车IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用，是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%，占充电桩成本约20%。IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面：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充电桩智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用IGBT中投电子孙远峰团队资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部HEV电气系统图InfineonIGBT在电动汽车逆变器应用图资料来源：Infineon英飞凌、中国中投证券研究总部18IGBT模块应用领域——新能源汽车中投电子孙远峰团队资料来源：公开资料整理、中国中投证券研究总部混合动力（HEV）/纯电动（EV）汽车可用的半导体产品19IGBT模块应用领域——新能源汽车英飞凌全电压范围应用的新能源汽车功率器件起停中混纯电动微混全混插电式混合动力起停空挡滑行电动助力空挡滑行电动助力纯电力驱动纯电力驱动MOSFET30~60VMOSFET60~100VIGBT400VIGBT650VIGBT（850V，1200V）功率半导体器件驱动功率电压中投电子孙远峰团队资料来源：Infineon英飞凌、中国中投证券研究总部20IGBT模块应用领域——智能电网新型可再生能源的接入和管理需要大量半导体器件来实现控制：·逆变器MCU/DSP·IGBT/MOSFET等功率器件·太阳能光伏成长空间