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IGBT调研报告IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管，是目前发展最迅速的新型功率器件，具有非常好的开关特性和导通特性。IGBT产品集合了高频、高压、大电流三大技术优势，是电力电子设备中的核心部件，涉及几乎所有电压等级下的电气设备。IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)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,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大，驱动电路复杂；MOSFET是单极型电压驱动器件，驱动功率很小，开关速度快，驱动电路简单，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。下图(a)给出了一种由N沟道MOSFET与双极型晶体管组合构成的IGBT（为N沟道IGBT）的基本机构。P+注入区与N区形成了一个大面积的P+N结J1.这使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效图如(b)，可看出这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。图RN为晶体管基区内的调制电阻。因此，IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，他也是场控器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很低的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。下图是IGBT结构图、等效图：下图为IGBT模块的生产流程解析：IGBT开发之初主要应用在电机、变换器（逆变器）、变频器、UPS、EPS电源、风力发电设备等工业控制领域。在上述应用领域中IGBT凭借着电压控制、驱动简单，开关频率高、开关损耗小，可实现短路保护等优点在600V及以上中压应用领域中竞争力逐步显现，在UPS、开关电源、电车、交流电机控制中已逐步替代GTO、GTR。由于SCR和GTO具有极高的耐压能力和较大的通过电流，目前在高压大电流应用中SCR和GTO仍占有统治地位。下图是功率器件的应用情况：随着人们节能意识的逐步增强，变频空调、变频洗衣机等变频家电比例逐年扩大。为了简化电路设计提高IGBT使用的可靠性，变频家电中主要使用集驱动电路、保护电路功能于一身的IGBT智能模块，家电市场中主要三菱、仙童占据较大优势，仙童价格较便宜但稳定性相对稍差。IGBT在汽车中的应用主要集中在汽车点火器上，已成功地取代达林顿管成为汽车点火器的首选。飞兆、英飞凌、ST在该市场中有很强的竞争力。铁路的发展离不开大量电力机车和高速动车组，电力机车需要500个IGBT，动车组需要超过100个IGBT，一节地铁需要50~80个IGBT模块。粗略估计上述轨道交通市场对IGBT模块的需求将超过3百万个，可以想见轨道交通给IGBT市场所带来的空前机遇和发展空间。当低碳经济，节能减排成为经济工作的重点时，市场对节能概念接受能力较强。在节能减排的大环境下，IGBT一方面拥有新技术带来的广阔的市场空间，另一方面从技术发展路线来看又对以往的功率器件产品有一个逐步替代的作用。2009年我国IGBT市场为53亿元左右，目前我国IGBT市场占整个功率器件市场份额尚不足10％，我们预计未来几年IGBT市场随着节能减排的推进将得到快速发展，增速将达到20％-30％，远超整个功率器件市场。由于关键技术的缺失，中国功率器件市场绝大部分份额被国外厂商占领，在国家政策扶持下，目前中国IGBT行业中高端技术已有突破，部分厂商已具备量产能力。IGBT模块发展趋向是高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠、低成本为目标的，特别是发展高压变频器的应用，简化其主电路，减少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，简化调试工作等，都与IGBT有密切的内在联系。下表是国内IGBT在几个主要应用领域的规模及增长情况。应用领域2010（亿元）YOY(%)2011（亿元）YOY(%)2012（亿元）YOY(%)2013（亿元）YOY(%)家电变频家电17.4827.60%24.6340.89%31.0426.03%38.6424.48%电磁炉4.613.80%5.315.22%6.115.09%714.75%电机节电中低压变频器34.8115.70%41.1918.33%49.219.45%58.2718.43%高压变频器4.8230.00%6.3130.91%8.1429.00%10.4528.38%新能源光伏、风电4.777.30%7.865.96%12.357.69%19.659.35%汽车汽车点火2.713.00%311.11%3.310.00%3.712.12%目前我国IGBT芯片约99%左右的市场仍为国外企业所占据。以家用电器市场为例，IPM模块是变频空调的核心控制部件，它将IGBT、驱动电路以及保护电路封装在同一模块中，从而使变频空调拥有较低的功耗和较高的可靠性。根据奥维咨询数据显示，2014年中国家用空调终端零售量在4430万台，变频空调结构比重提升至58.1%，同比上升3.3%。每台变频空调中需要一只IPM，因此，2013年9月～2014年8月国内变频空调对IPM的用量达到2573.8万只，但使用的多为日系IGBT产品。据法国调查分析机构YoleDeveloppement2013年报告，2014年IGBT全球市场总值将达到43亿美元，比2013年的39亿美元增加4亿美元，2015年开始市场将保持稳定增长。另据美国市场研究公司IHSiSuppli分析，2009～2014年，中国IGBT销售额的复合年度增长率达17.8%，2014年中国IGBT市场销售额将上升到9.75亿美元左右。下图为中国市场IGBT总规模及增长率：图a国内市场IGBT规模及增长图bIGBT主要厂家的世界市场份额据富士电机公司资料显示，全球IGBT模块市场近70%的市场份额被三菱、东芝、富士等日系企业掌握，其中三菱市场占有率第一；德国半导体生产商英飞凌公司业内领军地位稳固，独立式IGBT功率晶体以24.7%的市场占有率位居第一，IGBT模块则以20.5%的市场占有率位居第二。目前IGBT主流厂家（国外）：为德国Infineon（英飞凌）、西门康，瑞士ABB，美国飞兆（Fairchild），日本三菱、FUJI、东芝等。欧美品牌的产品主要用在电力电子和通讯行业，而日本的品牌主要用于电磁炉、变频空调、冰箱、洗衣机等家电类居多。近几年英飞凌的IGBT单管也在家电类产品中占有一席之地，而三菱的IGBT模块在也开始大量应用于军工、电力电子等行业。其中西门康（Semikron）主要从事IGBT的后端封装工作，其芯片主要使用的是Infineon、ABB的产品。仙童（Fairchild）的IGBT产品虽然广泛应用在电磁炉产品中用量较大，但由于其售价较低，在一定程度上影响了其销售额。三菱和富士都有自己品牌的变频器，而InfineonEUPEC除了供应国内市场外，还是西门子变频器的主要供货商。Semikron除了供应中国国内市场外，还供应ABB，施耐德等低压变频器的IGBT模块。ABB产品在HVD上应用广泛。近年来，我国电力、消费电子、高速列车、新能源等领域对IGBT的需求高速增长，摆脱进口依赖，IGBT国内厂家也发展迅速。但目前国内厂家在在IGBT模块领域只有少量市场份额，其产品主要应用于工业焊机、切割机等的领域。目前主要的国内厂家分布及情况如下图所示：在下表中对各个厂家的业务类型及技术情况作了详细介绍：公司业务类型进度备注科达半导体设计研发出1200V75A/100A大功率IGBT芯片、400V专用IGBT芯片；已具备1200V/600V20A小规模量产生产条件。前道工序有自己复杂，后道工序由中芯国际、北京燕东和上海先进负责代工。华微电子芯片制造华微电子已实现IGBT的批量生产，成为国内第一家突破IGBT芯片制造的上市公司。中环股份芯片制造募集资金项目进行IGBT研发无锡凤凰半导体芯片制造量产产品线已经涵盖600V、1200V、1700V三种系列的多种型号。建设有国内首条NPT-IGBT芯片薄片生产线，可以测量IGBT全部静态及动态参数。公司拥有芯片生产线及与生产配套的可靠性实验室、器件测试实验室、失效分析实验室等比亚迪芯片制造顺利组装成IGBT模块，并成功在电动汽车台架上进行了测试；可供货1200V系列。主要用于自身业务，典型产品1200V/400A。上海贝岭芯片制造完成了1200V和600VIGBT的设计、试制和测试及评估工作。南车株洲时代芯片制造、模块2008年收购英国丹尼克斯半导体75%的股份，进入IGBT领域，应用于车辆牵引传动领域1200V/1700V/3300V/4500V/6500V，有年产6万模块的能力用于自身业务江阴长电先进封装有限公司IGBT单管封装长电科技子公司、中外合资性质。主要从事IGBT单管封装西安爱帕克模块IGBT半桥、高端开关和低端开关型模块：600V75~400A，1200V50~300A;IGBT单开关型模块：600V400~800A1200V200~400A;IGBTH桥模块：600V75~400A，1200V50~200AIR与西安电力电子技术研究所共同投资组建，IGBT芯片由IR提供。产品主要用于满足轻轨，风电等需求。威海星佳电子模块1200V50~300A模块产品已出口美国、澳大利亚、韩国、泰国、新加坡等国家。南京银茂微电子模块600V/1200V半桥、斩波、H桥、三相全桥、全桥+斩波、PIM、IPM、一单元模块嘉兴斯达半导体模块600V单开关模块、半桥模块、三相桥模块、PIM模块1200V单开关模块、半桥模块、全桥模块、三相桥模块、三组单项桥、PIM模块、斩波器模块1700V单开关模块、半桥模块、全桥模块、三相桥模块、三组单项桥、斩波器模块江苏宏微科技模块600V75~200A模块1200V50~300A模块