本文内容基于***息资料、产业科普资料、官方网站信息,以及文中所涉及的上市公司2020年年报和2021年半年报。仅为基于客观数据和信息的行业研究学习性分享,不构成任何直接投资建议。
正文:
从目前的市场发展来看,IGBT是半导体产业链中的一个重点分支,在国际上被公认为是电力电子技术第三次**中*具代表性的产品之一。从智能制造的行业地位来看,IGBT是工业控制及自动化领域的核心元器件,又被称为“电子电力行业的CPU”。
IGBT电路原理图
IGBT结构组成示意图
什么是IGBT?
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),即绝缘栅双极型晶体管,是一种金属-氧化物-半导体场效应管,由BJT(双极结型晶体管,即三极管)和MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)两种结构复合组成的全控型电压驱动式功率半导体器件。同时具备MOSFET输入阻抗高、开关速度快、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小以及 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。
通过IGBT,装备设施能够根据对应装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控的目的。因此,IGBT被广泛应用于新能源、新能源汽车、电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子等领域。
功率半导体开关器件功率-频率分布及应用场景
IGBT适用于各类需要交流电和直流电转换及高低电压转换的应用场景。综合IGBT原理和作用,可将IGBT根据电压等级划分为低压、中压和高压IGBT:
IGBT模组或分立器件的核心是IGBT芯片。从1988年至今,IGBT从**代发展到了第七代。
**代为PT-IGBT,产品采用“辐照”手段,但由于体内晶体结构本身原因会造成“负温度系数”。**代采用“电场终止技术”,增加一个“缓冲层”,改进了PT-IGBT。第三代把沟道从表面变到垂直,因此又叫Trench-IGBT。第四代是NPT-IGBT,其不再采用外延技术,而是通过离子注入的技术来生成P+集电极(透明集电极技术)。第五代FS-IGBT,是第四代产品NPT-IGBT“透明集电区技术”与“电场终止技术”的组合。第六代FS-Trench-IGBT重新在第五代基础上改进了沟槽栅结构,是目前比较主流的产品。而第七代IGBT属于微沟槽电场场截止型,由三菱电机在2012年推出,具有明显降低的正向电压降以及优化的开关性能。
从未来发展来看,IGBT芯片的发展方向是取得一个功耗与功能的平衡,尽量在有限的功耗下,达到更多的功能;或在限定的功能需求下,尽量降低功耗。
我国是IGBT消费大国与生产大国。但是早期在技术方面明显以低端为主,在国家的一系列红利政策推动下,国产IGBT行业经历多轮技术升级和产品研发,已经开始在部分领域走向世界。
来源:HIS、Omdia、Fortune Business Insight、GGII、QYResearch、Yole等
其中,我国IGBT的主要突破口,或者说重大发展领域是新能源。我国的新能源领域IGBT技术和应用已经赶超日本和德国。不过在芯片设计制造、模块封装、封装测试等产业链核心技术上,与日本三菱电机和德国英飞凌仍有明显的差距。
全球功率半导体产业;来源:IHS Markit
株洲中车时代电气股份有限公司(以下简称“中车时代”)、比亚迪股份有限公司(以下简称“比亚迪”)、杭州士兰微电子股份有限公司(以下简称“士兰微”)、天津中环半导体股份有限公司(以下简称“中环股份”)等为代表的IGBT厂商,加快布局IGBT全产业链,形成了以IDM模式和代工厂商模式的IGBT完整产业链,推动了IGBT国产化进程的加快。
根据 IHS Markit数据,2018年全球功率半导体器件市场规模约为391亿美元,预计2021年市场规模将增长至441亿美元,年化增速4.1%。中国是全球*大的功率半导体消费国,在国家产业政策支持下国内市场机遇巨大,预计2021年中国功率半导体市场规模将达到 159 亿美元,年化增速达到4.8%,略高于全球增速。
排除2019至2020年的新冠疫情影响,IGBT市场规模一直处于增长趋势。根据Omdia等多方数据进行测算,2021年起整体需求或将迎来回升,在2021-2024年间,有望实现年化10%以上的复合增长。另据摩根士丹利(Morgan Stanley,“大摩”)预测,未来5年IGBT市场的主要增长动力来源于“变频家电”、“轨道交通”、“清洁能源”和“工业自动化”,5年市场能保持在一个整体11%的增速**。
1)家电变频渗透率提升。
在变频家电中,IGBT*大的市场需**变频空调和变频冰箱。根据英飞凌的数据,功率半导体作为家电变频的核心器件,在变频家电中的单机价值量为9.5欧元,相比普通家电中的0.7欧元提升了十倍以上。
2012-2020年中国变频家电销售情况;来源:Wind
我国变频家电渗透率持续提升;来源:产业在线
根据IHSMarkit预测,全球变频家电销量占比将从2017年的34%增长到2022年的65%。据产业在线数据,2020年我国家用空调产量达14,490.6万台,其中变频空调达8,336.3万台,渗透率达57.5%,至2021年上半年,该渗透率提升至66.1%。随着节能环保意识的不断增强,政策的不断推进,以及产品的升级迭代,未来的变频家电渗透率会持续提升。
2)城镇化率驱动高铁、轨交增长。
一辆动车的加速快慢、电耗高低、舒适度都取决于其 “牵引变流器”,而IGBT是轨交车辆牵引变流器及各种辅助变流器的核心器件。
高铁动力原理示意图
现代轨道交通装备的核心技术之一是交流传动技术,而在交流传动系统中,牵引变流器是关键器件,而电子电力器件中的IGBT则是牵引变流系统*核心的器件之一,是控制电能传输、转换的核心芯片,也是实现列车高速、重载的关键基础。动车组列车根据型号的不同,所需IGBT数量在80-150个之间。
动车组所需IGBT等级及数量;来源:中国铁道科学研究院
来源:国家铁路集团
2020-2025年在我国“新基建”建设涉及的七大产业领域中,城际高铁和轨道交通领域的总投资规模较大,累计带动投资超5.7万亿元。相关市场机构预测,在下游需求的拉动下,将保持5~8%的年均增长速度。
3)光伏及风电渗透率提升。
目前新能源发电以光伏和风力发电为主,二者的整流器和逆变器对IGBT有较大需求。
太阳能光伏发电的实质就是在太阳光的照射下,太阳能电池阵列(即PV组件方阵)将太阳能转换成电能,输出的直流电经由逆变器后转变成用户可以使用的交流电。逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键部件,因为它是将直流电转化为用户可以使用的交流电的必要过程,是太阳能和用户之间相联系的必经之路。
太阳能光伏发电原理
以往光伏发电系统是采用MOSFET构成的逆变器,然而随着电压的升高,MOSFET会因其通态电阻过大而导致增加开关损耗,IGBT因其通态电流大、耐压高、电压驱动等特点,在中、高压容量的系统中更具优势,在实际项目中IGBT已逐渐取代MOSFET作为光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件。
据国际能源机构IEA数据显示,2019年全球光伏新增装机115GW。据中国光伏行业协会预测,2021年全球新增光伏装机约150-170GW。
全球光伏IGBT市场规模预估,来源:IEA
IGBT模块在升压斩波和逆变电路中起高频开关作用,IGBT模块占逆变器价值量约为10%-15%,是逆变器的核心器件。目前集中式光伏逆变器成本在0.16-0.17元/W,组串式光伏逆变器成本在0.2元/W左右,总体光伏逆变器成本在0.2元/W左右。根据行业调研数据,IGBT模块占光伏逆变器总成本平均比例约为10%,即光伏IGBT模块价值量约为0.02元/W。
要在2050年达到净零碳排放量所需的风机增长速度;来源:GWEC
根据全球风能理事会(Global Wind Energy Council,GWEC)发布的《2021年全球风报告》显示,2020年全球风电装机量同比增长53%,总装机量高达93GW,其中陆上风机安装量为86.9GW,较2019年增加59%。GWEC预测,保持当前的全球主要经济体政策环境下,到2025年,全球将新增469GW装量,每年平均稳定增加94GW左右。相比于陆上风机0.3%的复合年化增长率,未来五年的海上风机年复合增长率将高达31.5%,即2020年当年海上总装量为6.1GW,而2025年当年海上总装量为70GW。至2025年年底,全球累计陆上和海上风电装机量将超过1TW