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文 | 火石產業(yè)大腦
在碳中和背景下，近年新能源汽車進入發(fā)展快車道。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會最新統(tǒng)計顯示，2022年我國新能源汽車爆發(fā)式增長，產銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%，連續(xù)8年保持全球第一，2023年發(fā)展勢頭依然迅猛，2023年1-8月新能源汽車銷量合計537.4萬輛，同比增速39.2%。
來源：中國汽車工業(yè)協(xié)會
伴隨新能源汽車蓬勃發(fā)展，功率半導體中的主要產品車規(guī)級IGBT需求爆發(fā)式增長。得益于此，全球功率半導體龍頭企業(yè)英飛凌的汽車業(yè)務持續(xù)增強，2022年達63.98億歐元，連續(xù)兩年增速超30%，成為英飛凌支柱性業(yè)務。
來
源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理
來源：英飛凌財報
功率半導體器件（Power Electronic Device）是電子裝置電能轉換與電路控制的核心，可通過半導體的單向導電性實現(xiàn)電源開關和電力轉換的功能，其作用主要分為功率轉換、功率放大、功率開關、線路保護和整流等。
功率半導體主要功能示意，來源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理
按器件集成度，可以分為功率器件和功率IC兩大類。功率器件按器件結構可分為二極管、晶體管和晶閘管三大類，其中，晶體管是能夠提供電功率放大并具有三個或更多電極的一種半導體器件，根據(jù)主要工藝，可以把晶體管分為雙極晶體管和場效應晶體管，雙極晶體管屬于流控器件，響應速度快，驅動能力強，如：雙極性三極管（BJT）；場效應管屬于壓控器件，輸入阻抗高，功率消耗相對較低，包括結型場效應晶體管（JFET）、金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。
功率半導體產業(yè)結構示意圖，來源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理
IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，是由雙極性三極管(BJT)和絕緣柵型場效應管 (MOSFET)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，因此兼顧了兩者高輸入阻抗、驅動功率小與飽和壓降低的優(yōu)點，同時克服了兩者的缺點[1]。
BJT、MOSFET和IGBT的對比
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IGBT被喻為電力電子裝置的“CPU”，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷ㄟ^脈寬調制，可以把輸入的直流電壓變成所需要頻率的交流電，或者反過來，主要用于變頻逆變和其他逆變電路。在新能源汽車領域，它是新能源汽車電機控制器、車載空調、充電樁等設備的核心元器件，是電控系統(tǒng)中最核心的電子器件之一。
在新能源汽車爆發(fā)式增長的背后，我們看到功率半導體全球緊缺的情況一直存在，這其中尤以IGBT產品為重災區(qū)。據(jù)供應鏈最新消息顯示，目前IGBT缺貨基本在39周以上，供需缺口已經拉長到50%以上，市場部分料號供貨周期維持在52周，最長達54周。英飛凌最新的Q2交期維持在39-50周，另一家大廠安森美2022-2023年的產能全部售罄，Q2交期在47-52周，遠高于英飛凌[2]。
在供需偏緊的情況下，國產廠商紛紛進入車規(guī)級IGBT研發(fā)制造領域。但目前，由于車規(guī)級IGBT模塊驗證周期長、制作工藝需要的技術難度和可靠性要求高，全球范圍，車規(guī)級IGBT行業(yè)集中度較高，市場份額集中在英飛凌、安森美、意法半導體等海外廠商，CR3達33.8%。從國別來看，全球半導體功率器件及模塊前十企業(yè)，日本獨占5家，美國2家，瑞士1家，中國1家，雖德國也僅有1家進入前十，但其市場銷量全球第一，占2021年全球市場份額的19.7%，是第二名的安森美2倍多。
表：2021年全球半導體功率器件及模塊前十企業(yè)，來源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理
在供需緊缺，外加我國自主新能源汽車品牌崛起的大背景下，國內IGBT行業(yè)迎來國產替代浪潮，截至2022年Q1，我國新能源車IGBT模塊國產化率已近40%，斯達半導、比亞迪半導、時代電氣引領市場，分別占有國內市場份額的19%、17%、11%。2022年中國IGBT市場總規(guī)模達321.9億元，預計2025年市場總規(guī)模有望達468.1億元，復合增長率13.3%。未來我國車規(guī)級IGBT市場規(guī)模及國產替代將進一步深化[3]。
圖：2022年Q1中國新能源車功率模塊市場格局，來源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理
圖：中國IGBT行業(yè)市場規(guī)模以及CAGR (單位:億元），來源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理
IGBT的發(fā)展，自1988年至今，已歷經7次技術迭代。迭代方向主要集中在芯片面積和厚度逐年減小，功率損耗逐年降低，阻斷電壓等級逐年提升，向高穩(wěn)定性、高可靠性發(fā)展，大致可分為三個階段[4]：
第一階段是第一、第二代IGBT為代表的平面柵型IGBT，其中第一代由于工藝復雜且成本高，已基本被淘汰，第二代部分類型產品目前仍有銷售。
第二階段是以第三代、第四代IGBT為代表的溝槽柵型IGBT。該類型產品通過創(chuàng)新的溝槽設計，大大減小了IGBT的體積和使用功耗，因此被廣泛使用。第五代、第六代的IGBT，屬于對溝槽柵型的改進，結構并未有很大的變動。
第三階段是 2018 年以后，英飛凌研發(fā)出第七代微溝槽型 IGBT，該類型產品更大程度地減小了器件的體積和功耗，目前英飛凌已達量產水平。
表：全球IGBT七次技術迭代情況，來源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理
我國本土廠商進場較晚，缺乏豐富經驗的技術人才，疊加貿易摩擦，導致中國IGBT產品在技術端嚴重滯后于國際巨頭的產品，目前國內大部分供應商僅能實現(xiàn)在第四代、第五代進行量產。直到2021年，國內功率半導體龍頭企業(yè)斯達半導，基于第七代微溝槽Trench Field Stop技術的新一代車規(guī)級 650V/750V IGBT芯片研發(fā)成功，并通過客戶驗證，我國企業(yè)車規(guī)級IGBT才首次出現(xiàn)第七代產品。
表：以進入汽車供應鏈為目標的國內IGBT領先企業(yè)，來源：火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理
國產替代持續(xù)深化、勢不可擋。我國是全球最大的IGBT需求市場，本土IGBT產品性能已有部分達到國際領先水準，但我國IGBT在高技術、高附加值的大功率器件產品上的國產化程度依然較低，進口依賴程度大。無論是從供應鏈安全角度、還是隨大功率產品需求深入帶來的成本控制角度考慮，對于車企、電控廠商來說，功率器件自主可控都將是最優(yōu)選。車規(guī)級功率半導體現(xiàn)已成為車企重點布局和投資熱門領域之一。
新能源汽車高壓化，推動Sic加速發(fā)展，短期或將呈現(xiàn)SiC、IGBT并行發(fā)展態(tài)勢。出于解決純電動車充電效率、續(xù)航等問題，各大車企競相角逐800V高壓驅動平臺，但IGBT并不適用于800V平臺，更多是應用于750V及以下的電壓平臺。
SiC材料的出現(xiàn)，吸引了全球各大資本的目光，與IGBT相比，SiC功率器件在耐高壓、大電流、耐高溫、高頻、高功率和低損耗等方面表現(xiàn)更為優(yōu)異，可廣泛應用于電動汽車及充電樁、光伏、電網(wǎng)、軌道交通和儲能等領域。但受制于技術工藝的不成熟、成本的高昂（SiC MOSFET的價格是IGBT的2.5-3倍），短期內，SiC與IGBT將并行發(fā)展，直到SiC功率器件的成本下探、技術成熟，或將取代IGBT在各重疊領域的應用。截至2021年，國內碳化硅產線已經投入超20條，產業(yè)鏈上、下游都有相關企業(yè)參與。
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