文章大纲:
IGBT是电子电力行业的“CPU”
IGBT是功率器件中的“结晶”
IGBT技术不断迭代,产品推陈出新
IGBT搭乘新能源快车打开增长空间天花板
新能源汽车市场成为 IGBT增长最充足动力
新能源发电前景广阔驱动 IGBT增长
工业控制平稳发展支撑 IGBT行业需求
国产 IGBT崛起有望重塑海外寡头垄断格局
行业壁垒成为 IGBT集中度高的内在因素
海外龙头主导 IGBT市场
海外龙头短期内交货周期与价格维持稳定态势
国内厂商产能逐步释放加速国产替代IGBT
1.IGBT是电子电力行业的“CPU”
1.1 IGBT 是功率器件中的“结晶”
(1)功率半导体根据集成度可以分为分立器件中的功率器件和集成电路IC中的功率IC两个大类。
下图显示了一种N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。IGBT是一个三端器件,正面有两个电极,分别为发射极(Emitter)和栅极(Gate)背面为集电极(Collector)。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电流,使IGBT导通;反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使IGBT关断。
金氧半场效晶体管(MOSFET)输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快;而双极型三极管(BJT)饱和压降低,BJT更强调工作功率,MOSFET更强调工作频率,因此IGBT兼有以上两种器件的优点,性能优势显著。
功率器件通过调节改变电子元器件的功率来实现电源开关和电能转换的功能,主要体现在变频、整流、变压、开关等方面。其应用范围广泛,包括工控、风电、光伏、电动汽车与充电桩、轨交、消费电子等领域。IGBT属于其中偏向高电压、中低频率应用场景的一类产品。一般低压IGBT常用于变频白色家电、新能源汽车零部件等领域;中压IGBT常用于工业控制、新能源汽车等领域;高压IGBT常用于轨道交通、电网等领域。
如下图所示的IGBT模块型号为:FF1400R17IP4,模块的长宽高为:25cmx8.9cmx3.8cm,模块内部包含两个IGBT模组,也就是我们常说的半桥模块。IGBT模块内部主要包含3个部件,散热基板、DBC(Direct Bonding Copper-直接覆铜陶瓷板)基板和硅芯片(包含IGBT芯片和Diode芯片),其余的主要是焊料层和互连导线,用途是将IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC连接起来。DBC的主要功能需要保证硅芯片和散热基板之间的电气绝缘能力以及良好的导热能力,同时还要满足一定的电流传输能力。DBC基板类似2层PCB电路板,DBC 常用的陶瓷绝缘材料为氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)。如下右图所示,半桥结构IGBT模块内部有6个DBC,每个DBC上有4个IGBT芯片和2个Diode(二极管)芯片。无论是内部的芯片还是最终形成的模组,IGBT的每一个环节技术壁垒均较高。
由于IGBT器件的固有特性,当出现过流、短路、过压时如不能及时保护,往往在十几微秒乃至数微秒内就会导致IGBT损坏,造成电力变换系统停机事故。为了解决IGBT在驱动保护、可靠性方面的不足IPM把驱动和多种保护电路封装在同一模块,IPM应用过程中,不再需要用户自己设计驱动保护电路,IGBT的驱动及保护由IPM内部电路来完成。IPM模块通常包括一个功率MOSFET、IGBT(绝缘栅双极晶体管)或SiC(碳化硅)等开关器件,以及一个驱动电路,用于控制这些开关器件的导通和截止。此外,IPM模块还通常集成有电源电路、电流和电压传感器、过温保护和短路保护等功能,可以提供全面的保护措施,以保证高功率电子设备的安全和可靠性。
IGBT单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器;IGBT模块主要应用于大功率工业变频器、电焊机、新能源汽车(电机控制器、车载空调、充电桩)等领域;而IPM模块应用于变频空调、变频冰箱等白色家电产品。
作为汽车电气化变革的关键制程,IGBT产品在智能汽车中具有不可替代的作用。由于汽车电子本身使用环境较为复杂,一旦失效可能引发严重后果,所以市场对于车规级IGBT产品的要求要高于工控类与消费类IGBT产品。对比之下,车规级IGBT对于温度的覆盖要求更高、对出错率的容忍度更低且要求使用时间也更长、工艺处理和电路设计方面对可靠性和散热性要求更高。具体体现为:1)车规级IGBT的工作温度范围广,IGBT需适应“极热”、“极冷”的高低温工况;2)需承受频繁启停、加减速带来的电流冲击,导致IGBT结温快速变化,对IGBT耐高温和散热性能要求更高;3)汽车行驶中可能会受到较大的震动和颠簸,要求IGBT模块的各引线端子有足够强的机械强度,能够在强震动情况下正常运行;4)需具备长使用寿命,要求零失效率。
1.2 IGBT 技术不断迭代,产品推陈出新
(1)IGBT 产品的技术路径在于不断降低导通损耗、降低开关损耗、提升安全工作区这样三个相互矛盾的方面来进行。
IGBT产品作为一个商业化的产品,长期目标是不断提升性能,同时不断降低成本。能够评价IGBT性能的指标有很多个,比较关键指标有三个,其一是降低开关损耗,是指在满足高频率的开关功能条件下,提升转换能量效率;其二是导通损耗,是指电路导通后降低热损耗,提升电能转换效率;其三是提升安全工作区,是指尽可能保证器件在更大的温度、电压、电流范围内稳定工作。除了以上三个核心维度之外,提升电流密度、提高阻断电压、提高结温、减少耗材等性能指标也很重要。通常来说,各个产品性能指标之间是相互矛盾的,同时提升所有性能指标是理想的目的,长期来看是可以实现这一过程的,但短期设计过程往往需要根据下游应用侧重考虑某些重要指标。IGBT经过30余年的不断发展,整体性能不断提升,核心指标来看,功率密度已经提高了3倍,能耗不断降低只有刚开始的1/3,IGBT的新技术依然在不断迭代中。
PT型使用重掺杂的P+衬底作为起始层,在此之上依次生长N+buffer,N-base外延,最后在外延层表面形成元胞结构。工艺复杂,成本高,饱和压降呈负温度系数,不利于并联,在80年代后期逐渐被NPT取代,目前IGBT产品已不使用PT技术。NPT与PT不同在于,它使用低掺杂的N-衬底作为起始层,先在N-漂移区的正面做成MOS结构,然后用研磨减薄工艺从背面减薄到IGBT电压规格需要的厚度,再从背面用离子注入工艺形成P+collector。在截止时电场没有贯穿N-漂移区,NPT不需要载流子寿命控制,但它的缺点在于,如果需要更高的电压阻断能力,势必需要电阻率更高且更厚的N-漂移层,这意味着饱和导通电压Vce(sat)也会随之上升,从而大幅增加器件的损耗与温升。为了进一步调和衬底厚度、耐压和通态压价增大的矛盾,体结构缓冲层的电场截止(FS)被提出,当背面减薄后,先制作一层重掺杂的N型电场截止层,使得硅片更薄。
如下所表示,全球IGBT龙头企业英飞凌有史以来诞生了七代不同的产品,每一代产品在结构上有较大的差异,在关键性能指标上也都有较大的提升,相对来说越是先进的产品,性能效果越高,能够将产品研发到第几代技术,某种程度上也说明了企业在绝对技术上的研发实力。如果考虑到成本等因素,IGBT目前性价比较高的产品属于第四代产品。
(1)新能源汽车市场快速发展,从2021年以来,市场销量呈爆发式增长态势。根据中国汽车协会数据,2021年中国新能源车销量达到352.1万辆,同比增速为157.57%,2022年持续大幅增长达688.7万辆,同比增长95.60%,2019-2022年CAGR达到78.74%,增速处于高位,2023年市场余热未消,继续保持增长势头,可以预见,未来几年新能源车市场将一直处于繁荣上升期,高景气度持续。
IGBT主要应用于电动汽车电机驱动、DC/DC升压变换器、双向DC/AC逆变器,以及充电端的DC/DC降压变换器。对于电动控制系统,作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆变后汽车电机的驱动;对于车载空调控制系统,作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆变;对于充电桩,在智能充电桩中被作为开关元件使用。IGBT模块占电动汽车成本将近10%,占充电桩成本约20%。汽车IGBT的技术认证标准极高,IGBT要进入到汽车供应商行列,需要满足新汽车级标准LV324/AQG324的要求,同时还要满足中国IGBT联盟和中关村宽禁带联盟等团体标准。认证指标中主要体现在温度冲击、功率循环、温度循环、结温等与全生命周期可靠性。最后,汽车IGBT还要通过终端汽车客户的认证,一般来说,认证周期在3-5年。
IGBT等功率器件作为光伏逆变器、风电变流器及储能变流器的核心半导体部件,对电能起到整流、逆变等作用,以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能。其中光伏逆变器是最主要的应用场景,光伏IGBT对于可靠性的要求非常高,新能源发电输出的电能需要通过光伏逆变器将整流后的直流电逆变为符合电网要求的交流电后输入电网,这种线路需要将IGBT模块性能的可用性实现最大化以保持电网的稳定性。
光伏逆变器原材料主要由结构件、电感、半导体器件等构成,半导体器件和集成电路材料主要为IGBT元器件、IC半导体等。在碳中和背景下,光伏和风力等新能源的应用已成为指向标,中国光伏发电新增装机容量趋势保持逐年上升态势,根据国家能源局数据,2023年1-8月份光伏装机容量跳跃式增长至11316万千瓦,超过2022年全年新增装机容量8741万千瓦,随着光伏装机量的持续增长,对IGBT的需求也迅速攀升。逆变器中IGBT等电子元器件使用年限一般为10年-15年,而光伏组件的运营周期是25年,所以逆变器在光伏组件的生命周期内至少需要更换一次,这也进一步扩大了IGBT在光伏系统中的使用量。
模型假设:(1)全球和国内新增光伏装机量与中国光伏行业协会预测保持一致性,我国光伏行业驶入快车道,而全球发展不确定性因素更高,因此设定同比增速低于我国;(2)光伏组件和光伏逆变器的容配比为1.25;(3)根据SMM数据测算出2022年光伏逆变器单瓦价格为0.20元/W,在降价大趋势下预计2023年降至0.16元/W,在技术迭代与竞争加剧下逐年持续降低,2026年下降至0.13元/W;(4)根据固德威招股说明书IGBT在采购金额中占比数据,我们设定IGBT占光伏逆变器成本比例维持在10%。
变频器依靠内部IGBT的开关来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,变频器产业的快速发展势必导致IGBT需求提升。逆变焊机的工作原理主要是通过将低频交流电经过整流滤波变成直流,再通过IGBT将直流逆变成千赫兹到万赫兹的中频交流电,同时经变压器降至适合于焊接的几十伏电压,再次整流并经过滤波输出平稳的直流电,进行焊接工作。UPS即不间断电源(Uninterruptible Power Supply),是一种含有储能装置的不间断电源,主要用于给部分对电源稳定性要求较高的设备,提供不间断的电源。在UPS电源内部有整流器与逆变器,进行电能转换过程需要用到IGBT。
模型假设:(1)变频器、逆变焊机、UPS电源IGBT市场规模与ICV报告测算数据保持一致;(2)全球市场增速维持在4%,中国是工业制造大国,制造业规模居世界首位,因此国内市场同比增速高于全球市场,其中国内变频器和UPS电源市场规模同比增速超过全球市场增速的2倍;(3)根据前瞻产业研究院数据,变频器、逆变焊机、UPS电源IGBT价值量占比分别为12%、10%、15%,考虑到工控市场发展较为成熟,IGBT使用价值比例在未来维持稳定。
2.4 家电智能化催生 IGBT 模块增长
白色家电中变频功能实现均需要IPM模块,变频白电主要包括变频空调、变频冰箱和变频洗衣机,这些是应用最广泛的消费家电产品。如下图所示是用于空调的IPM模块的结构示意图,蓝色框部分表示用到多个IGBT芯片或者单管,变频器IPM用于驱动空调压缩机及室外风扇。
模型假设:(1)空调、冰箱、洗衣机销量同比增速分别为6%、4%、4%;(2)变频空调、冰箱、洗衣机渗透率根据历史数据变化,设定逐年上升1%、5%、3%;(3)根据ICV报告数据,变频空调、冰箱、洗衣机用IPM模块数量分别为2,1,1个;(5)家电类IPM模块均价通过ICV报告中2022年已知市场规模和变频白色家电IPM模块需求量倒推出平均价格为28.39元,价格与市面主要品牌厂商的经销渠道价格差距不大,同时每年以稳定低速降低;(4)中国变频白色家电IPM模块在全球市场中份额占比逐年低速提升,以同比增速增加 0.10pcts增长。
交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一,在交流传动系统中牵引变流器是关键部件,而IGBT 又是牵引变流器最核心的器件之一。
(2)为了适应大功率牵引应用工况和铁路运输环境,轨道交通用IGBT模块要求更高的功率密度和集成度、更高的工作结温等性能。
在各下游市场中,新能源汽车市场依然是增速最快的部分,其市场规模2022-2026年复合增速高达32.84%;而新能源发电市场也将获得21.34%的行业增速,成为第二大市场规模增速较高的领域;轨道交通市场的增速也相对较快达17.04%,由于其体量较小,对IGBT市场规模扩张提供的贡献相对较小,但仍然是具有良好发展前景的应用领域;工控市场发展较为成熟,波动较小成为下游市场稳健支撑,工控IGBT市场规模保持稳定增长;变频白电虽然增速最低,但其体量大、应用渗透率高,也是不可或缺的重要助力。
下游应用领域中规模占比最大的前三大领域始终为新能源汽车、工业控制和变频白电,新能源汽车市场将在双碳政策和技术升级双轮驱动下继续保持旺盛需求,其主导地位未来有望得到进一步巩固,市场占比从2022年的42%有望在2026年提升至60%,占据IGBT市场一半以上的份额。
一般来说,所有的半导体核心工艺都有芯片设计、晶圆代工、封装测试三个环节,相对来说芯片设计的附加值极高。但是,对于IGBT企业来说,IGBT封测与模块是一个技术壁垒极高的工作,在高电压、大功率的环境下,需要解决很多功能损耗、高温度范围、高压高流等诸多复杂问题,某种程度上来说模块设计也是体现企业的核心价值一部分,一般来说毛利率也相对较高。
IGBT模块是下游产品中的关键部件,其性能表现、稳定性和可靠性对下游客户来说至关重要,下游客户将供应链安全稳定作为所考虑首要因素,更倾向于和IGBT供应商保持长期合作关系,一旦合作后客户粘性大大提升,变更已有长期合作的供应商的意愿较。IGBT模块认证周期较长,替换成本高,下游客户会对于新入场的IGBT供应商保持相对谨慎的态度,不仅要考虑供应商的实力,产品还要经过单机测试、整机测试、多次小批量试用等多个环节之后才会做出大批量采购决策,采购决策周期较长。IGBT模块的验证测试项目繁多,其中可靠性测试最为重要,是客户关注度最高的性能指标。
IGBT的核心产业链中,我国有多个企业积极参与布局,主要分为Fabless、foundry、IDM三种运作模式。IDM模式即垂直整合制造商,是指包含电路设计、晶圆制造、封装测试、模块等全环节业务的企业模式;Fabless模式是芯片设计与销售经营模式,即企业自身专注于芯片设计与销售,而将芯片制造外协给代工厂商生产制造的模式;Foundry模式主要负责制造生产环节,根据客户的产品设计,采购原材料来进行加工制造。
根据Omdia数据,2021年全球IGBT单管市场中,中国大陆企业只有士兰微进入前十大厂商中,占据4%的市场份额;2021年全球IGBT模块市场中,中国大陆只有斯达半导和中车时代进入前十大厂商,分别占据3%和2%。国外巨头英飞凌无论在单管还是模块都处于绝对龙头地位,而国内厂商市场份额较低,且只在某一产品上具备竞争优势。国内厂商和国外厂商存在差距的原因主要是国外厂商成立时间早,比如富士电机成立于1923年,三菱电机成立于1921年,技术积累丰富,同时与海外汽车、工控等大型企业合作十分紧密,在技术与生态上优势显著。国内的几大厂商主要集中在1997—2005年,技术追赶较慢,产业资源十分稀缺,但国内企业已经完成 0-1的技术突破,先从消费级、工业级中低端产品入手逐步打开市场,目前已经有一些企业带来车规级高端产品市场,随着国产化不断深入,国内企业未来迎来加速发展期。
根据中商产业研究院预计,2023年中国IGBT产量有望快速增长达到3624万只,自给率也将达到32.90%,近年来,随着我国IGBT技术的不断更新迭代,国产厂商逐步突破产能受限问题,加速产能布局,目前正处于国产替代的增长阶段。
我们梳理了全球的IGBT龙头企业,根据下表中的数据可以看出全球龙头标的的一些特征。全球IGBT龙头企业均为知名芯片巨头企业,这些龙头企业营收规模都在几百亿上千亿元,功率器件只占据业务的一部分,一方面因为功率器件规模相对有限,当企业发展到一定规模后会通过横向发展、协同发展其他芯片赛道业务,另一方面也体现了功率器件与下游客户绑定程度较深,具有半定制化的特征,很难形成寡头垄断格局。这也给国内企业长期发展提供一定参考,创业期可以专注于功率器件、IGBT业务,后期成长发展可能也需要横向发展与协同发展来扩张企业规模。
2023年第二季度,海外主要IGBT厂商英飞凌及意法半导体交货周期和价格保持平稳态势。交付货期方面,与第一季度相比较,英飞凌货期维持在39-50周,意法半导体维持47-52周;价格趋势方面,英飞凌与意法半导体均环比持平。现阶段下游需求持续高景气度,而上游海外厂商产能释放有限,IGBT市场面临短期内供不应求的状态,这为国产企业提供了机遇。如今,本土IGBT产品性能已经逐渐成熟,且部分产品性能可对标海外IGBT大厂产品,加速国产化IGBT产品市场渗透,逐步切入高端市场,助力应用新能源车与发电领域的IGBT市场保持向好态势。
由于国内企业的规模普遍偏小,在全球不具备产品定价权,同类产品上多参考海外巨头产品的价格,在此基础上根据与客户的协商定价。全球巨头产品的价格有所调整,国内企业价格理论上也会同方向上调整。2021年受到全球缺芯价格影响,国内企业的功率器件产品大幅度涨价,2022年缺芯逐步缓解,价格企稳下降,到目前为止,功率器件的供货周期稳定,价格相对稳定。
国内生产IGBT芯片的企业主要有代工厂以及IDM模式的功率器件企业,我们从以下图表可知,Fabless、IDM、Foundry的企业都有扩张产能计划,按照面积初步估算国内企业扩产后的总产能相比于目前产能增加幅度在50%以内,并且产能规划在1-3年内完成,因此我国企业IGBT的总产能增加在全球对比来看依然不高。产能增长后,企业的产能利用率也有一个爬坡期,最终的销量到客户也需要一个过程。此外,IGBT模块与IPM模块也需要相关的产线来制造,根据斯达半导与宏微科技的公告来看,模块的产能增长相对更加简单,但目前IGBT芯片的自给率都还有空间。综合来看,我国IGBT芯片的产能扩产相对积极,但总产能在全球占比依然不高,国产化空间依然较大。