IGBT: 新能源车核心功率器件, 国产替代迎巨大机遇产业

2021-11-09    来源:未知    编辑:IT先锋
IGBT被称为电力电子行业里的CPU,是工业控制及自动化领域的核心元器件。 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最具代表性的产品,能够根据工业装

  IGBT被称为电力电子行业里的“CPU”,是工业控制及自动化领域的核心元器件。

  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最具代表性的产品,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。

  IGBT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。#igbt#

  

 

  在新能源汽车领域中,IGBT发挥着核心作用,占据了电机控制器成本的37%,是汽车动力系统的“心脏”。其兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面优点,是电力电子领域较为理想的开关器件,也是未来应用发展的主要方向。

  据行行查数据显示,2020年全球IGBT市场空间已达60亿美元左右,预计未来五年我国新能源汽车和充电桩市场将带动200亿元IGBT模块的国内市场需求,汽车半导体功率器件有望迎来黄金发展期。

  IGBT在新能源汽车中的应用:

  

 

  与传统燃油车相比,新能源汽车没有发动机和启停系统,新增了“三电系统”,即电池、电机、电控系统,以及车载DC/DC、电空调驱动、车载充电器(OBC)等电力电子装置,相应地实现能量转换及传输的核心器件—功率半导体含量大大增加。

  根据英飞凌数据,传统燃油车中,功率半导体含量为71美元,全插混/纯电池电动车中,功率半导体价值量为330美元,是传统燃油车的4.6倍。

  新能源汽车“三电系统”图示:

  

 

  IGBT产业链

  IGBT产业链可以分为四部分,芯片设计、芯片制造、模块设计及制造封测,其中芯片设计和模块设计以及工艺设计都有非常高的技术壁垒,需要非常专业化的研发团队和长时间的技术积累。

  IGBT产业链公司运作模式可分为Fabless(无工厂芯片供应商)、Foundry(代工厂)、IDM(集成器件制造)三类。

  

 

  Fabless模式主要负责设计芯片电路以及最终的销售,将具体生产环节外包,在中国市场主要厂商有斯达半导、东微半导体、中科君芯、无锡新洁能等。

  Foundry模式主要负责主制造、封装或测试的其中环节。制造部分有华虹半导体、中芯国际、华润微电子、上海先进,其中华虹半导体已经为IGBT代工;封装部分有赛晶电力电子、中车永电、威海新佳、美林电子,其中赛晶电力电子是国内IGBT封装较为成熟的公司,其也是外资ABB在国内最大的大功率半导体器件分销商。

  IDM模式集芯片设计、制造、封测多个环节于一身。若某家公司三个环节均同时掌握,则是IDM模式。全球龙头企业多为此模式,比如英飞凌、三菱等;在中国市场IDM模式代表企业包括比亚迪、中车时代电气、斯达半导体及士兰微等,前三家公司主要从事IGBT器件的IDM生产。

  IGBT产业链代表公司运作模式:

  

 

  新能源车IGBT产业链又主要分为上游元器件,中游电控和下游整车厂环节。

  新能源汽车整车产业链:

  

 

  电控作为新能源整车中重要环节,接受整车控制器的指令,进而控制驱动电机的转速和转矩,以控制整车的运动,相当于传统汽车的发动机,占到整车成本的15~20%,是除了电池之外成本第二高的器件。

  为保证电控系统长时间稳定运行,上游IGBT模块的重要性不可忽视。

  新能源汽车对IGBT寿命要求高且新能源汽车工况较为复杂,对IGBT模块的散热性、可靠性等提出了较高要求。

  IGBT模块供应商为进入市场,需首先通过下游电控厂及整车厂长达1-2年左右的验证周期,确保安全性、可靠性等必备要素基础上方有望大批量放量。

  

 

  新能源车IGBT竞争格局

  全球范围来看,IGBT市场呈现寡头垄断格局,前五企业均为海外厂商,占据了全球近70%的市场份额。

  英飞凌作为全球IGBT龙头,在IGBT分立器件、模块和IPM领域领先地位突出,加上富士电机、安森美、东芝、三菱、瑞士ABB等国外厂商,共同形成了高集中度的市场结构。

  截至2020年底,在最大的IGBT模块市场中,英飞凌装机量市占率达到近40%,在IGBT分立器件与IPM市场中占比同样超过30%。

  国内厂商仅有比亚迪微电子、斯达半导及中车时代电气三家企业入围市场份额TOP10,国产化率较低。

  

 

  在新能源汽车领域,随着市场对于整车性能要求的迅速提高,车规级IGBT呈现出高电压、高效率、高功率密度和高可靠性的“四高”特性。

  未来,IGBT行业会在精细化技术、超结技术、高结温终端技术、先进封装技术、功能集成技术等方向进一步探索,实现尺寸厚度、功率密度、驱动效率、结温、可靠性等方面的优化,不断降低生产成本。

  中国《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》提出新能源汽车发展愿景,计划到2025年,国内新能源汽车渗透率达到20%。

  基于国家相关政策中提出核心元器件国产化的要求,随着供应链自主安全意识的加强,IGBT作为半导体器件突出代表成为重点发展对象,有望迎来高速发展,国产替代也将成为未来IGBT行业发展的主旋律之一。

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