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IGBT半导体功率器件将迎来新一轮发展机遇[图]

2019年04月28日 14:07:41字号:T|T

    功率半导体器件是实现电能转换的核心器件。主要用途包括逆变、变频等。受惠于5G及电动车需求的显著增长。

    IGBT是新能源汽车电机控制系统?#32479;?#30005;桩的核心器件。IGBT约占新能源汽车电力驱动系统及车载充电系统成本的40%,折合到整车?#26174;?#21344;总成本的7~10%,它的性能决定了整车的能源利用率。IGBT多应用于高压领域,MOSFET主要应用在高频领域。

    功率半导体器件是实现电能转换的核心器件。主要用途包括逆变、变频等。功率半导体可以根据载流子类型分为双极型功率半导体和单极型功率半导体。双极型功率半导体包括功率二极管、双极结?#36884;?#20307;管(BJT)、电力晶体管(GTR)、晶闸管、绝缘栅双极?#36884;?#20307;管(IGBT)等。单极型功率半导体包括功率MOSFET、肖特基势垒功率二极管等。它们的工作电压和工作频率也有所不同。功率半导体器件广泛应用于消费电子、新能源交通、轨道交通、发电与配电等电力电子领域。

2017年全球功率器件市场结构按产品划分

数据来源:公开资料整理

    预计在2022年全球功率半导体市场规模将达426亿美元。在2015年全球功率半导体市场中,英飞凌以12%的市场?#21152;?#29575;排名第一。?#35775;?#26085;厂商凭借其技术和品牌优势,占据了全球功率半导体器件市场的70%。

    中国开展功率半导体的研究工作比较晚,且受到资金、技术及人才的限制,功率半导体产业整体呈现出数量偏少、企业规模偏小、技术水平偏?#22270;?#20135;业布局分散的特点。原始创新问题成为阻碍国内功率半导体产业发展的重要因素。国际功率半导体厂商尚未形成专利和标准的垄断。相比国外厂商,国内厂商在服务客户需求和降?#32479;?#26412;等方面具有竞争优势。功率半导体的国产代替?#21344;?#21313;分广阔。

2016-2022年全球功率半导体市场规模及预测

数据来源:公开资料整理

全球功率半导体市场竞争格局

数据来源:公开资料整理

    新能源汽车是指采用非常规车用燃料作为动力来源的汽车,如纯电动车、插电?#20132;?#21512;动力汽车。预计在2020年中国新能源汽车销量将达200万辆,同比增长53.8%。新能源汽车新增大量功率半导体器件的应用。2020年全球汽车功率半导体市场规模将达70亿美元。特斯拉modelS车型使用的三相异步电机驱动,其中每一相的驱动控制都需要使用28颗IGBT芯片,三相共需要使用84颗IGBT芯片。

2012-2020年新能源汽车销量及增速预测

数据来源:公开资料整理

2016-2020年全球汽车半导体市场规模及预测

数据来源:公开资料整理

    IGBT,绝缘栅双极?#36884;?#20307;管,是由BJT和MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率,?#24515;?#21464;和变频的作用。

    在结构方面,IGBT比MOSFET多一层P+区,通过P层空穴的注入能够降低器件的导通电阻。随着电压的增大,MOSFET的导通电阻也变大,因而其传导损耗比较大,尤其是在高压应用场合中。相较而言,IGBT的导通电阻较小。

    全球IGBT市场主要竞争者包括德国英飞凌、日本三菱、富士电机、美国安森美、瑞士ABB等,前五大企业的市场份额超过70%。预计在2022年全球IGBT市场规模将达60亿美元,增量?#21344;?#24040;大。国外厂商已研发出完善的IGBT产品系?#23567;?#20854;中,仙童等企业在消费级IGBT领域处于优?#39057;?#20301;。ABB、英飞凌和三菱电机在1700V以上的工?#23548;禝GBT领域占据优势。在3300V以上电压等级的领域,英飞凌、ABB和三菱电机三家公司居垄断地位,代表着国际IGBT技术的最高水平。

2017年全球IGBT市场份额

数据来源:公开资料整理

2016-2022年全球IGBT市场规模及预测

数据来源:公开资料整理

    中国功率半导体市场占世界功率半导体市场份额的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT器件中,90%依赖于进口。

    按电压分布来看,消费电子领域运用的IGBT产品主要在600V以下,如数码相机闪光?#39057;取?200V以上的IGBT多用于电力设备、汽车电子、高铁及动车中。动车组常用的IGBT模块为3300V和6500V。智能电网使用的IGBT通常为3300V。

    1、新能源汽车

    电力驱动系统将电能转换为机械能,驱动电动汽车行驶,是控制电动汽车最关键的部分。IGBT在电力驱动系统中属于逆变器模块,将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。IGBT约占新能源汽车电机驱动系统及车载充电系统成本的40%,折合到整车?#26174;?#21344;总成本的7~10%,其性能直接决定了整车的能源利用率。汽车半导体行业的?#29616;?#21608;期长,标准非常严苛。一方面,汽车的大众消费属性使得它对IGBT的寿命要求比较高。另一方面,汽车面临着更为复杂的工况,需要频繁启停、爬坡涉水、经历不同?#25151;?#21644;环境温度等,对IGBT是极为严苛的考验。电机控制系统?#32479;?#30005;桩是车用IGBT的主要增长点。

    2、轨道交通

    在高铁短时间内将时速从零提升到300公里的过程中,需要通过IGBT来?#32321;?#29301;引变流器及其他电动设备所需要的电流、电压精准可靠。IGBT在轨道交通领域已经实现了全面的国产化。

    3、智能电网

    IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端。从发电端来看,风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。从输电端来看,特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT功率器件。从变电端来看,IGBT是电力电子变压的关键器件。从用电端来看,家用LED照明等都对IGBT有大量的需求。

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国IGBT行业市场全景调查及发展前景预测报告

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