功率半导体 IGBT：高壁垒和高景气的黄金赛道
功率半导体的作用是在转换和控制电力时提高能量转化效率（理想转化率 100%）。
根据 IHS，2019 年全球功率半导体市场 400 亿美金，19-25 年复合增速 4.5%；中国是全球最大的功率半导体消费国，2018 年市场需求规模达到 138 亿美元，增速为 9.5%，占全球需求比例达 35.3%。功率半导体是电力电子装置的必备，周期性相对较弱，行业整体增长稳健，功率龙头英飞凌营是全球代表企业。
▲图1 全球功率半导体市场规模 来源：IHS Market
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???皇冠明珠：IGBT 是新一代功率半导体的典型应用
功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。功率半导体细分为功率器件（分立器件的一支）和功率 IC（集成电路的一支）。功率半导体的产品和技术创新，其目标都是为了提高能量转化效率。下图紫色所示部分均为功率半导体。
▲图2 功率半导体产品范围示意图 来源：华润微招股说明书
功率半导体产品梯次多，IGBT 是新一代功率半导体中最典型、增速最快的赛道。功率分立器件的演进路径基本为二极管→晶闸管→MOSFET→IGBT，其中IGBT 是功率半导体新一代中的典型产品。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT（双极型三极管）和 MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的全控-电压驱动的功率半导体， IGBT 既有 MOSFET 的开关速度快、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点，又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点，在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的，因而是电力电子领域较为理想的开关器件，也被誉为“电力电子器件里的 CPU”。
▲图3 功率半导体的产品演进路线 来源：itt bank
根据 WSTS 等相关统计，目前全球功率半导体中约 50%是功率 IC，其余的一半是 功率分立器件；在功率分立器件销售 2017 年占比中，MOSFET 占比最高，约占 31%， 其次是二极管/整流桥占比约 29%，晶闸管和 BJT 等占分立器件约 21%，IGBT 占比 19%，但是其复合增速是所有产品中最快的。
▲图4 全球功率分立器件细分产品销售占比 来源：WSTS
IGBT 产品更新慢，价格稳定。从 20 世纪 80 年代至今， IGBT 芯片经历了 6 代升级，如下图。
▲图5 IGBT 芯片历史上的 6 代产品升级
来源：斯达半导体招股说明书
目前，英飞凌定义的 IGBT4代是市场主流，已应用了十年以上。2018年底，英飞凌推出 IGBT7，较 4 代面积减少 25%，成本、功耗均有大幅降低，但距离规模化应用仍需要 2-3 年。IGBT 更新换代慢的原因在于用户对于稳定性的要求，而产品的稳定性验证周期较长，一般需要 5~10 年来验证可靠性和应用端的问题。
IGBT 技术和壁垒极高，产品重经验，品牌重积累。高端功率器件如 IGBT 看重工程师经验，数字电路的设计核心在于逻辑设计，可通过 EDA 等软件，而功率半导体和模拟 IC 类似， 需要根据实际产品参数进行不断调整和权衡性能和成本，因此，对工程师的经验要求也更高，优秀的设计师需要 10 年甚至更长时间的经验。
具体来说，IGBT 技术和壁垒极高，主要体现在以下几个方面：
- IGBT 芯片是 IGBT 模块的核心 其设计工艺极为复杂，不仅要保持模块在大电 流、高电压、高频率的环境下稳定工作，还需保持开闭和损耗、抗短路能力和导通压降维持平衡。企业只有具备深厚的技术底蕴和强大的创新能力，积累丰富的经验和知识储备，才能在行业中立足。
- 模块设计及制造工艺 IGBT 模块对产品的可靠性和质量稳定性要求较高，生产工艺复杂。IGBT 模块作为工业产品的核心器件，需要适应不同应用领域中各种恶劣的工作环境，因此对产品质量的要求较高。
IGBT 在工业控制及自动化、新能源汽车、电机节能、太阳能发电、风能发电等诸多领域都有广泛的应用；用于在各种电路中提高功率转换、传送和控制的效率，其中在新能源车中的驱动系统是最典型的应用。
▲图6 IGBT 和 MOSFET 主要的应用领域
来源：华安证券研究所
全球的 IGBT 应用来看，工控占比 37%，为最大的应用领域，电动汽车 28%， 新能源发电 9%，消费领域 8%；而在国内，由于我国高铁发达，下游应用领域工业控制 29%，轨道交通 28%，新能源汽车 12%，新能源发电 8%，不过随着我国新 能源领域的不断发展，新能车和光伏、风电这两块需求占比未来将持续上升。
▲图7 IGBT 下游应用领域布局
来源：Yole Development
IGBT 市场竞争格局较为集中，欧美日基本垄断，国产份额极低。全球前五大 IGBT 厂商（英飞凌、三菱、富士电机、安森美、瑞士 ABB）的份额超过 70%；国内企业目前的市场份额普遍偏小，IGBT 多以 IGBT 模块形式出现，目前国内 IGBT 模块进入全球前 10 的只有斯达半导，但也仅仅是占全球 IGBT 模块市场份额 2.2%。
由于 IGBT 的下游应用新能源车、光伏、风电 等这些新兴领域，我国在全球话语权高于过去的传统燃油车和工控领域，因此在 IGBT 的增量空间中有一半以上需求都来自中国，未来几年我国的 IGBT 市场需求占比将从 2019 年不 35%提升到 2025 年的 50%或以上，为我国的 IGBT 厂商提升份额和竞争力创造了良好的条件，国产 IGBT 厂商市场份额和业务量的提升潜力非常大。
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确定高增：未来五年 IGBT 高景气驱动因素
IGBT 占新能源车成本近 8%，且是纯增量产品
IGBT 在电动车领域主要应用分三类：
1）电控系统：IGBT 模块将直流变交流后驱动汽车电机（电控模块）；
2）车载空调控制系统：小功率直流/交流逆变，这个模块工作电压不高，单价相 对也低一些；
3）充电桩中 IGBT 模块被用作开关使用：充电桩中 IGBT 模块的成本占比接近 20%；
▲图8 IGBT 在新能源车中的应用
来源：比亚迪
根据 Digitimes数据，目前新能车的成本结构中：
1）电池成本占比最大，一般来说可以占到约电动车总成本 40%以上；
2）成本占比第二大的是电机驱动系统,可以达到电动车总成本的 15%~20%,而 IGBT 则占到电机驱动系统成本 40%-50%，也就是说，IGBT 占新能源车总成本接近 8% 的比例。
新能源汽车对 IGBT 需求是纯增量，因为传统燃油车功率半导体器件电压低，只需要 Si 基的 MOSFET，而新能源汽车在 600V 以上 MOSFET 无法达到要求，必须要换成 IGBT；因此 IGBT 是仅次于电池以外第二大受益的零部件。
根据 Yole Development 的测算，每辆新能源车预计需要平均约 450 美元的 IGBT，2025 年预测新能源车销量 504 万辆（根据国家新能源汽车产业发展规划——2025 年电动乘用车渗透率约 25% 推算得出），可以简单测算出中国 2025 年车载 IGBT 市场规模达 22 亿美金；届时全球新能源车数量预计为国内的 3 倍（即海外销量为国内的 2 倍）， 全球车载 IGBT 市场规模达 66 亿美金，相当于再造一个 IGBT 市场（2019 年全球总的 IGBT 在 60 亿美金量级）。
IGBT 持续受益于光伏和风电在能源结构中占比提升。风电和光伏中的整流器和逆变器都需要用到 IGBT 模块。根据能源局数据，2019 年国内光伏装机 30.11GW，全球光伏装机 115GW。
▲图9 全球光伏新增装机
来源：中国光伏行业协会 CPIA
据 BloombergNEF 预测， 2025 年全球光伏新增装机接近 300GW，风电预计有 2.5 倍左右的增长，则测算风电和光伏 2025 年对应 IGBT 的全球需求量级在 12-15 亿美金。
白色家电的变频驱动 IGBT 持续成长。IGBT 是“变频器”的核心部件之一，变频白色家电的推广可以为 IGBT 的 IPM 带来稳定的市场。目前白色家电的变频渗透率还有提升空间：根据产业在线网，近年来国内白电变频渗透率在持续提升。Yole 预计 2022 年白色家电变频驱动 IGBT 市场规模达 9.9 亿美金，较 17 年增长 22%。
工控领域是 IGBT 应用的基本盘。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，且已在此领域中得到广泛应用。
在变频器领域，IGBT 模块在变频器中不仅起到传统的三极管的作用，亦包含了整流部分的作用。根据前瞻产业研究院数据，我国变频器市场规模总体呈上升态势，预计到 2023 年，高压变频器的市场将达到 175 亿元左右。
在逆变焊机领域，逆变式弧焊电源（又称弧焊逆变器）这种新型的焊接电源，为电焊机市场带来持续升温需求。
全球工控 IGBT 下游市场较为分散，市场需求较为稳定，可将工控应用视为 IGBT 行业的基本盘，需求稳定且波动相对较小。
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市场高关注：如何看待第三代半导体材料对 IGBT 的挑战
全球多家功率半导体巨头均有布局下一代基于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的 功率半导体，对传统硅基功率半导体件带来了挑战。SiC 和 GaN 是第三代半导体材料，与第一二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。
电堂往期精选文章对宽禁带半导体技术的功率半导体的应用领域、发展前景、全球及本土产业格局做了详尽分析：?请戳：宽禁带半导体：颠覆者还是搅局者？
受制于成本问题，未来 3-5 年 IGBT 仍是最重要的应用，基于第三代半导体技术的碳化硅（SiC）的成本太高、产品参数不稳定。而阻碍 SiC 成本下降的主要原因是基材缺陷。成本下降和产品稳定需要时间验证，根据英飞凌 2020 年功率半导体应用大会上专家披露，目前 SiC MOSFET 真正落地的时间还非常短，在车载领域才刚开始商用， 一些诸如短路耐受时间等技术指标没有提供足够多的验证，一个高端功率半导体从客户认证到产品试应用再到产品批量应用要比较长的时间，因此，未来 3-5 年 IGBT 还 是主流的高端功率半导体产品，SiC 会在部分高端新能源车领域有一些逐步缓慢的渗透。
第三代半导体材料 SiC 等作为功率半导体技术演进的方向之一，国内 IGBT厂商在依赖本土下游需求+国产替代浪潮下，也应有对 SiC 进行前瞻布局。国内IGBT龙头企业斯达半导的光伏的 SiC 器件模块已量产，车用 SiC 模块已经完成样品认证；中车时代电气已有5 款 SiC 肖特基（SIC SBD 产品）。
目前来看，SiC 产业链被国外高度垄断，未来 2-3 年当 SiC 成本由目前是 Si 基 4-5 倍下降至 2 倍。随着SiC 技术和国内 SiC 上下游产业链趋于成熟，会有更多SiC IGBT 相关产品问世，国内市场渗透率会逐步提升。但未来 3-5 年 Si IGBT 还是应用主流，本土厂商应在工控、家电、新能源领域通过国产替代提升份额。
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小结
功率半导体市场空间大、产品认证时间长、产品迭代慢且注重工程师经验和供应商口碑积累，是半导体行业的优质赛道，同时功率半导体领域技术和产品在不断创新发展，最新一代典型产品 IGBT 受益于行业产品升级 （应用场景和占比提升）+汽车电动化、清洁能源占比提升等带来的超高景气度，以及可预期的国产替代提升份额，预计未来 5 年国内 IGBT 行业会有非常好的成长性。