功率半导体专题报告:功率半导体高地,IGBT国产

功率半导体专题报告:功率半导体高地,IGBT国产

时间:2020-02-12 14:02 作者:admin 点击:
阅读模式

如需报告请登录【未来智库】

1、 IGBT 市场持续增长,国产替代空间广阔

1.1. 受益于工控、家电及新能源应用推动,IGBT 市场持续增长

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即绝缘栅双极型晶体管,是由 BJT 和 MOSFET 组成的复合功率半导体器件,既具备 MOSFET 的开关速度高、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、高速等方面有突出的产品竞争力,已成为电力电子领 域开关器件的主流发展方向。

自 20 世纪 80 年代末开始工业化应用以来,IGBT 发展迅速,不仅在工业应用中取 代了 MOSFET 和 GTR,甚至已扩展到 SCR 及 GTO 占优势的大功率应用领域,还在消 费类电子应用中逐步取代了 BJT、MOSFET 等功率器件的许多应用领域。

作为一种新型电力电子器件,IGBT 是国际上公认的电力电子技术第三次革命具代 表性的产品,是工业控制及自动化领域的核心元器件,能够根据工业装置中的信号指令 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,广泛应用于电 机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、 新能源发电、新能 源汽车等领域。随着新能源汽车的发展以及变频白色家电的普及,IGBT 的应用优势逐 步凸显,它不仅在工业应用中提高了设备的自动化水平、控制精度等,也大幅提高了电能的应用效率,同时减小了产品体积和重量,节约了材料,未来的应用空间十分广阔。

IGBT 既可控制信号的导通、也可控制信号的关断,是典型的全控型功率半导体器 件,目前,以 IGBT 为代表的全控型功率半导体器件在工作频率、工作电压和信号控制 性等方面的性能出众,正逐步发展为中高端功率半导体器件的主流应用形态。

按照工作电压的不同,IGBT 在 650V 至 6500V 的电压范围内的各类应用场景广泛 应用。其中,工业 IGBT 应用一般为 650V、1200V 和 6500V 级别、新能源汽车和家电 IGBT 应用一般为 650V 和 1200V 级别,新能源发电 IGBT 应用一般为 1200V 和 1700V级别。

目前,全球市场上,工控、新能源和家电市场是 IGBT 的主要应用领域,根据 Yole 的数据,2017 年,工控领域 IGBT 的市场规模为 17.32 亿美元,占比为 37%;新能源汽 车领域 IGBT 的市场规模为 13.10 亿美元,占比为 28%;新能源发电领域 IGBT 市场规 模为 4.21 亿美元,占比 9%;家电领域 IGBT 的市场规模为 3.74 亿美元,占比为 8%。 而在国内市场,根据中国产业信息网的数据,2018 年,新能源汽车领域 IGBT 的市场规 模为 50.19 亿元,占比为 31%;家电领域 IGBT 的市场规模为 43.71 亿元,占比为 27%; 工控领域 IGBT 的市场规模为 32.38 亿元,占比为 20%;新能源发电领域 IGBT 的市场 规模为 17.81 亿元,占比 11%。

受益于工业控制及电源行业市场的逐步回暖,以及下游的变频家电、新能源汽车、 新能源发电等领域的迅速发展,IGBT 市场有望持续增长 。根据博思数据研究中心的统 计,2020 年全球 IGBT 市场规模将达 57.67 亿美元,同比增长 6.40%,并且未来市场规 模有望保持稳定增长。根据中国产业信息网的数据, 2018 年中国 IGBT 市场规模为 161.9亿元,同比增长 22.19%,增速显著高于全球平均水平。

1.2. 工业控制 IGBT 需求稳定,是国产化最快的领域

随着工业控制及电源行业市场的逐步回暖,IGBT 在此领域的市场规模有望逐步扩 大。 IGBT 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。我国变频器行业的市场规模总体呈上升态势,目前,变频器在冶金、煤炭、石油化工等工业领域的应用规模将保持稳定增长,同时,在城市化率提升的背景下,变频器在市政、轨道交通等公共事业领域的需求也会继续增长。此外,逆变式弧焊电源凭借优异的电源特性在电焊机市场持续渗透,推动逆变式弧焊电源的应用市场规模 逐步扩大。随着变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的发展,IGBT 的市场规 模有望持续增长。

受益于在冶金、煤炭、石油化工、电力等工业领域和市政、轨道交通等公共事业领 域的广泛应用,工控变频器市场持续增长。根据睿工业的数据,2018 年国内变频器市场 规模达 203 亿元。其中,汇川技术等本土企业在变频器市场持续突破,产品品类不断丰 富,市场应用不断拓展,推动了市场份额的持续提升。根据中自网数据,2016 年汇川技 术在低压变频器市场的市占率为 6%,位居市场第三位,2018 年,汇川技术在低压变频 器市场的市占率增长至 14%,跃居市场第二位,市场地位突出。

1.3. 家电变频化推升 IGBT 需求

IGBT 是白色家电实现变频功能的核心元器件,其高频开闭合功能能够带来以下优 点:(1)较小的导通损耗和开关损耗;(2)出色的 EMI 性能,可通过改变驱动电阻的 大小满足 EMI 需求的同时保持开关损耗在合理范围内;(3)强大的抗短路能力;(4) 较小的电压尖峰(对家电起到保护作用)。中国作为全球最大的家电市场和生产基地, IGBT 的应用潜力十分强劲。以空调行业为例,根据产业在线的数据,2018 年我国变频 空调销量达 6434.10 万台,同比增长 8.76%,并且未来变频空调有望在空调市场进一步 渗透,面向变频空调应用的 IGBT 的市场空间将十分广阔。

同时,作为变频白色家电的另外两大市场,变频冰箱和变频洗衣机市场增速显著。 根据产业在线的数据,2018 年,中国变频冰箱销量为 1665.7 万台,同比增长 31.10%, 中国变频洗衣机销量为 2163.3 万台,同比增长 24.54%。 随着节能环保的大力推行,具 有变频功能的白色家电的市场前景将十分广阔,从而为 IGBT 市场的增长提供稳定的市场需求。

中国本土厂商在全球家电市场的优势地位逐步显现,以冰箱和洗衣机市场为例,在 冰箱市场,根据欧睿国际的数据,2017 年,海尔以 17.3%的市场份额第十次位列全球第 一位,美的以 3.7%的份额位居全球第五位。在洗衣机市场,根据欧睿国际的数据,2018 年,海尔位居全球洗衣机市场市占率首位,市场份额为 22.1%,美的的市场份额为 13.4%, 位列全球第三位。中国本土厂商在全球家电市场占据了突出的市场份额,随着家电变频 化趋势的深入,有望与本土 IGBT 厂商形成良好协同,为 IGBT 的国产替代带来重要机 遇。

1.4. 光伏与风力发电装机稳定增长,IGBT 国产替代需求空间广阔

新能源发电主要以光伏发电和风力发电为主,根据中国电力化工网的数据,2020 年,全球光伏发电装机容量将达 736.62GW,同比增长 20.48%,我国光伏发电装机容量 继续保持快速增长,2020 年累计装机有望达 516GW,同比增长 50%,装机容量位居世界第一。

根据前瞻产业研究院的数据,2020 年,全球风电装机容量有望达 711GW,同比增 长 9.55%,中国风电装机容量 2020 年将达 506.1GW,同比增长 18.80%,增速显著高于 全球平均水平。由于新能源发电输出的电能不符合电网要求,需通过光伏逆变器或风力 发电逆变器将其整流成直流电,再逆变成符合电网要求的交流电后输入并网。 IGBT 是 光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件,新能源发电行业的迅速发展将成为 IGBT 行业持续增长的全新动力。

光伏逆变器是光伏系统中将太阳能电池提供的直流电压转换成交流电压,使之适应 电网电压水平并输入电网的设备,是太阳能电力系统的核心部件之一。IGBT 在逆变器 中的作用是一个高速无触点电子开关,利用 IGBT 的开关原理,通过控制电路给予适当 的开通、关断信号,IGBT 则根据控制信号将直流电变换成交流电,此外,IGBT 还可以 通过控制信号的脉宽调节来控制电流的大小,也可以控制交流频率,从而控制逆变器的输出功率,是实现逆变器正常工作、逆变器微型化以及提升逆变器功率密度的核心电子器件。

目前,以华为、阳光电源为主的本土厂商在光伏逆变器市场持续突破,根据 Solaredge 的数据,2018 年,华为在全球逆变器市场的份额达 22%,市占率位列全球第一,阳光 电源的市场份额为 15%,市占率位居全球第二位。特别是在三相组串型逆变器市场, 2017 年华为的市占率已达 56%,市场优势地位突出,本土光伏逆变器厂商的快速发展和突出 的市场地位也为国产 IGBT 替代带来了显著的区位优势和协同效应。

1.5. 电动汽车未来有望成为 IGBT 最大的下游市场

IGBT 在新能源汽车领域中发挥着至关重要的作用,是新能源汽车电机控制器、车 载空调、充电桩等设备的核心元器件。

随着新能源汽车市场的快速发展和智能驾驶技术的应用,新能源汽车中以 IGBT 为 代表的功率半导体器件产品的需求量有望进一步提升。根据中商产业研究院的数据,传 统汽车中功率半导体在汽车半导体中的用量占比约为 21%,低于 IC 产品的用量(23%), 但在纯电动新能源汽车中,功率半导体的用量显著增加,在汽车半导体中的用量占比约 达 56%。

同时,新能源汽车中的功率半导体价值量提升十分显著,根据英飞凌的数据,新能 源中汽车功率半导体器件的价值量约为传统燃油车的 5 倍以上。其中,IGBT 约占新能 源汽车电控系统成本的 37%,是电控系统中最核心的电子器件之一,因此,未来新能源 汽车市场的快速增长,有望带动以 IGBT 为代表的功率半导体器件的价值量显著提升, 从而有力推动 IGBT 市场的发展。

新能源汽车市场规模保持快速增长趋势,根据中商产业研究院的数据,2020 年,全 球新能源汽车产量将达 424.5 万辆,同比增长 42.69%。根据前瞻产业研究院的数据, 2020 年,中国新能源汽车产量有望达 279.5 万辆,同比增长 47.49%,增速高于全球水平,并 且未来新能源汽车的市场规模有望继续扩张。 新能源汽车市场规模的增长,有望持续带 动 IGBT 市场的需求提升。

新能源汽车应用在全球 IGBT 市场的占比不断提升,根据 Yole 的数据,预计全球 IGBT 市场规模将在 2022 年超过 50 亿美元。其中电动车(EV/HEV)动力系统的电气化, 将成为助推全球 IGBT 市场增长的主要力量。2016 年全球电动车(EV/HEV)IGBT 市 场规模约 9 亿美元,而到 2022 年,该领域市场规模有望达到 20 亿美元,将占据 IGBT 总体市场的 40%。

2. 替代空间广阔,IGBT 国产化加速推进

2.1. IGBT 技术演化路线:微型化与高功率成为趋势

自上世纪 80 年度 IGBT 开启工业化应用以来,IGBT 技术经历了丰富的技术演变, 涌现出六代不同的 IGBT 技术方案,但这些方案主要由英飞凌、三菱电机和富士电机等 海外厂商主导。

在英飞凌、富士电机、ABB 等厂商的推动下,IGBT 的结构设计仍在不断突破和创 新,并涌现出了 P-ring TS+Trench、超级结和 SiC IGBT 等全新技术,推动 IGBT 应用和 市场的持续发展。

同时,IGBT 的制造工艺也在持续革新,IGBT 产品的差异化和性能的提升有赖于掺 杂、扩散和薄片加工等多种工艺的应用,相关工艺的技术壁垒较高,制造技术也成为实 现 IGBT 自主创新的关键。

2.2. 全球龙头厂商占据全球与中国市场主要份额