功率半导体是电子产品中电能转换与电路控制的核心,是能够支持高电压、大电流的半导体器件,主要用于改变电压、频率、电力转换。IGBT作为功率半导体中的佼佼者,是由MOS、BJT组成的复合全控型功率半导体,兼具MOS输入阻抗高、BJT导通电压低的两大优势,驱动功率小且饱和电压低,适用于高压、大电流领域。


IGBT大佬无争议

 

根据bom2buy器件排行最新的数据显示(截止时间2022/5/22),在IGBT类别排行中,最热门的器件为英飞凌的FS100R12W2T7B11BOMA1,这是一款IGBT模块,广泛应用于逆变器、空调、电机驱动、UPS系统等应用中。

 

说明:以产品类型来分,IGBT可分为单管、IPM、模块。IGBT单管主要应用于小功率家用电器、分部式光伏逆变器、小功率变频器;IGBT IPM应用于白色家电中的变频空调、变频洗衣机;IGBT模块则应用于大功率变频器、电焊机、新能源车、集中式光伏等领域。

 

综合Chip1Stop、Mouser Electronics、Newark、Verical、Digi-Key、Farnell等分销商的信息,英飞凌FS100R12W2T7B11BOMA1模块的市场均价在517.6人民币左右,市场总库存为36左右。

 


 
图|IGBT热度榜TOP10   来源:bom2buy

 

其中在过去6个月中,FS100R12W2T7B11BOMA1的价格走势上涨约0.43%,而库存走势变化较大,在去年8月到今年1月,库存维持在高位,2月初开始库存骤降,在去年8月到今年1月的峰值,猜测可能是当时疫情有所改善,IGBT模块生产逐步步入正轨,同时也可能与第四季度新能源汽车、新基建、光伏和储能等领域市场需求下降有一定程度的关系。

 
 
图|IGBT库存/价格走势   来源:bom2buy

 

作为英飞凌IGBT模块中的一员,FS100R12W2T7B11BOMA1为何受到如此热捧呢?这就涉及到它的特点和应用。

 

FS100R12W2T7B11BOMA1内部由6组全桥的IGBT芯片组成,硬件系统如下图所示。

 

 图|IGBT7 Easy模块内部硬件框图   来源:英飞凌官网


相比前几代产品而言,FS100R12W2T7B11BOMA1所采用的TRENCHSTOP IGBT7芯片具备更高功率密度,基于新型微沟槽技术,静态损耗远远低于IGBT4芯片。对比相同的芯片面积,其通态电压最多可以降低30%,大大降低硬件方案中的损耗。IGBT7技术在降低功耗的同时,特别针对电机驱动器应用的特点,进行了芯片可控性优化。此外,结合电机驱动应用的不同过载工况,过载条件下将芯片允许的最高工作结温提升至175°C,实现同等封装下输出电流能力增大40%,不但在提高功率密度,同时也在降低系统成本。

 


 
图|IGBT7 Easy模块产品样貌   来源:英飞凌官网

 

而搭载全新IGBT7芯片的模块,则采用与上一代IGBT4产品相同的引脚排列设计,可以在硬件设计时更方便快速的实现替代,从IGBT4模块无缝切换到IGBT7模块,具体产品型号如下表所示。

 


图|IGBT7 Easy模块产品型号   来源:网络


Easy IGBT7产品系列除了与IGBT4完全封装兼容的产品型号外,在Easy1B与Easy2B中还分别涵盖了之前IGBT4不具备的、更大电流等级的全新产品型号,参考上表中橙色标注型号。全新的产品系列有向上覆盖至11kW电机驱动器的PIM模块,以及覆盖至22kW电机驱动器的三相逆变模块。

 


行业带动IGBT发展

 

英飞凌FS100R12W2T7B11BOMA1模块以上的这些特点与2021爆发增长的新能源汽车、光伏&储能以及本身在默默发展的传统领域(家电、工业等)可以说是相辅相成,NO.1热度离不开这些行业应用领域的发展带动。

 

新能源车

 

新能源车市场可以说是2021年IGBT的最大增量市场(IGBT一般占新能源汽车BOM成本的5%)。IGBT在新能源汽车中主要用在电机控制系统、热管理系统、车载充电机等方面,在主逆变器中IGBT将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电,在车载充电机中IGBT将220V交流电转换为直流电并为高压电池充电,在 DC-DC 变换器中IGBT 将高压电池输出的高电压转化成低电压后供汽车低压供电网络使用;此外,IGBT 也广泛应用在 PTC 加热器、水泵、油泵、空调压缩机等辅逆变器中,完成小功率直流交流转换。

 

光伏和储能

 

IGBT的第二增量市场无疑是光伏和储能,主要作为光伏逆变器、储能逆变器的核心器件(大概占逆变器的7%)。集中式光伏主要采用IGBT模块,分部式光伏主要采用IGBT单管或模块。行业增量基本来自3个方面:全球光伏新增装机量高速增长、存在存量逆变器市场的替换需求以及新增的储能需求。

 

传统领域

 

传统领域的不断升级创新也在推进IGBT发展,如家电、工业等领域。在白色家电领域,IGBT可以应用于变频空调、变频冰箱、变频洗衣机,主要产品为IPM和IGBT单管;在工控领域,IGBT主要应用领域涵盖变频器、逆变焊机、UPS等;此外,在电网轨交等特殊的市场领域,IGBT的应用同样广泛,只不过这类市场相对比较封闭,竞争难度更大。

 


国内头部IGBT厂商

 

IGBT作为重要的功率半导体器件,在新能源车、储能&光伏以及传统领域中的重要性已不言而喻。但由于目前全球疫情反复,全球半导体厂商都受到不小的冲击,供应链也一直处于瘫痪状态,IGBT的紧缺(尤其是车规级IGBT)愈演愈烈,诸如安森美等大厂已对外宣布车用IGBT订单饱和,暂时不再接单,IGBT的紧缺恐至少持续至2023年。为缓解目前供应链短缺,各厂商急需准备多套备选方案,与非网为此整理了国内几家头部IGBT厂商,值得大家关注(排名不分先后)。

 

比亚迪半导体

 

比亚迪相信大家不陌生,比亚迪半导体作为比亚迪的子公司,主营业务为车规级半导体,产品涵盖功率半导体(IGBT模块、SiC器件、IPM)、智能控制IC(MCU)、智能传感器(CMOS)等业务,2021年公司功率半导体收入达13.5亿元、收入占比43%。作为国内新能源车IGBT模块龙头,比亚迪半导体的功率半导体业务采用IDM模式,目前公司功率半导体业务仍处于快速扩产期,2021年末公司功率半导体晶圆产能仅能配套新能源车40万辆,主要客户涵盖比亚迪、蓝海华腾、汇川技术、英威腾、宇通汽车等。

 


斯达半导

 

斯达半导主营为IGBT模块,2021年IGBT模块收入达16亿元,收入占比达93%。公司下游主要为新能源、工控和电源,收入占比为33%、62%,主要客户包括英威腾、汇川技术等。作为国内IGBT模块龙头,斯达半导在新能源业务快速增长,2021年公司新能源行业收入达5.7亿元、同比增加166%,公司应用于主电机控制器的车规级IGBT模块持续放量,合计配套超过60万辆新能源汽车、其中A级车超15万辆,应用于主电机控制器的车规级IGBT模块开始大批量配套海外市场,预计2022年海外市场份额将会进一步提高。此外,截至2021年9月公司已获得3.4亿车规级SiC MOSFET模块订单,交货周期为2022~2023年。目前公司采用Fabless模式,代工厂为上海华虹、上海先进等。同时也在自建晶圆厂,由Fabless走向IDM。

 

士兰微

 

士兰微同样属于国内功率IDM大厂,MOS、IPM模块国内市占率领先。目前产品涵盖了分立器件、集成电路发光二极管三大板块,2021年收入占比达53%、32%、10%。分立器件覆盖MOSFET、IGBT、PIM、FRD、SBD等产品,集成电路板块覆盖IPM、MEMS、AC/DC、DC/DC、MCU、PMIC等产品。2021年公司IGBT收入达13亿元,收入占比为18%。其中IPM模块收入达8.6亿元,实现翻倍增长,变频白电IPM模块销量达3800万颗,大概在变频白电IPM市占率达20%;工控IGBT单管批量供货,车规IGBT产品通过部分汽车厂商测试,开始小批量供货;光伏IGBT单管已在国内部分光伏客户逐步上量。


时代电气

 

时代电气是轨交装备、轨交电网的IGBT龙头,新能源IGBT快速放量,公司是主营为轨道交通装备产品,2021年公司总收入达151亿元,轨交业务收入占比达81%,新兴装备(功率半导体、工业变流器、海工装备、传感器件、新能源车电驱)收入占比17%。公司功率半导体业务采用IDM模式,轨交、电网IGBT龙头,新能源IGBT快速放量。2021年,公司IGBT在轨交、电网领域占有率全国第一,汽车方面公司已取得合众、一汽、长安等十余家客户定点,风光发电领域公司高压1700V产品已非常成熟。


除了以上提到的这些公司,还有诸如闻泰科技、华润微、宏微科技、新洁能、扬杰科技、华微电子、东微半导、捷捷微电等厂商都有涉及IGBT业务。在大力发展国产芯片的今天,本土早已有不少功率器件厂商在默默发力IGBT的开发,虽然在性能上可能与国外半导体厂商还有距离,但是持之以恒之下,相信不用多久,我们可以看到国产IGBT在各个领域逐步放量。