IGBT 芯片如何突出重围

　　郭勇

　　占电机驱动系统成本一半的IGBT

　　如今全球的汽车已经进入智能化时代，汽车对于芯片的需求剧烈增加，以往一台传统汽车需要的芯片数量是在五六百颗，到如今一台具备L2 驾驶级别的高配燃油车就需要1000 颗以上的芯片，一台配置较好的新能源纯电汽车更是需要2000 颗以上芯片。而在众多新能源汽车芯片中，IGBT 芯片绝对称得上“皇冠上的宝石”。

　　IGBT 约占电机驱动系统成本的一半，而电机驱动系统占整车成本的15%~20%，也就是说IGBT 占整车成本的7%~10%，是除电池之外成本第二高的元件，也决定了整车的能源效率，不仅电机驱动要用IGBT，新能源车的发电机和空调部分一般也需要IGBT。现如今IGBT 单车价值量从过去的650 元提升到了2000 元，高端车型的价值量要达到4000 元以上。

　　不仅新能源车，机车（高铁）的核心也是IGBT芯片，电力机车一般需要 500 个IGBT 模块，动车组需要超过100 个IGBT 模块，一节地铁需要50~80个IGBT 模块。

　　电子电力行业的“CPU”

　　在半导体产品中，功率半导体包含了功率器件与功率IC 两大类，功率IC 集成度较高，是指将高压功率器件与其控制电路、外围接口电路及保护电路等集成在同一芯片的集成电路，主要应用于手机等小电压产品。

　　功率器件包括二极管、晶体管和晶闸管三大类，其中晶体管市场规模最大，晶体管又细分为IGBT、MOSFET、双极型晶体管等。功率器件是指体积较大，用来处理较大功率、电压的产品，IGBT 属于功率器件的一类产品。

　　IGBT 是功率器件中的复合型器件，被称为电子电力行业的“CPU”，其是由双极型三极管（BJT ） 和绝缘栅型场效应管（ MOS ） 结合组成的，综合了BJT高电流密度和MOS 高输入阻抗的特点，从而具有驱动功率小而饱和压降低的显著性能优势。通俗来讲，其作用就是将繁杂不一的电力，处理为终端产品所需的规格。

　　IGBT芯片主要用在哪儿

　　IGBT 应用领域极其广泛，小到家电、数码产品，大到轨道交通、航空航天，以及清洁发电、新能源汽车、智能电网等战略性新兴产业都会用到IGBT。

　　除熟悉的新能源汽车领域外，IGBT 芯片更被称为光伏逆变器的“心脏”，其中光伏逆变器是最主要的应用场景，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。

　　此外，IGBT 芯片在工业控制领域的应用范围也较大，主要是在变频器、UPS 电源以及逆变焊机等设备的使用，而白色家电中实现电能转换均需要功率半导体，其中变频家电中智能模块（IPM）也会用到IGBT 芯片。

　　技术壁垒较高的细分赛道

　　自问世以来，IGBT 不断在技术迭代，主要向着降低开关损耗和创建更薄的结构方向改善和发展，其纵向结构、栅极结构以及硅片加工工艺方面不断升级改进，共经历了七次大型技术演变，各项指标在演变中不断优化。目前，IGBT 芯片已经迭代至第七代精细沟槽栅场截止型IGBT，但考虑成本后，应用最广泛的仍是IGBT 第四代产品。

　　IGBT 产业大致可分为芯片设计、晶圆制造、模块封装、下游应用四个环节，其中设计环节技术突破难度略高于其他功率器件，制造环节资本开支相对大同时更看重工艺开发，封装环节对产品可靠性要求高，应用环节客户验证周期长，综合看IGBT 属于壁垒较高的细分赛道。

　　在IGBT 自主国产化道路上，晶圆制造与晶圆DIE环节都是亟待突破的技术难关。半导体硅片（也就是晶圆）对纯度和尺寸要求较高所以在技术上有着巨大的壁垒，由于起步较晚，目前中国硅片企业技术积累与国际巨头存在一定差距，全球90% 的半导体硅片市场被五大国际硅片厂商所瓜分，国内能够商业化量产硅片的企业数量依然较少，且产品主要集中在6 英寸以下，8 英寸及12 英寸产线的产能依然较为稀缺。与此同时，晶圆DIE（在晶圆上形成的独立模块）也需要用到光刻机、光刻机等工具材料，同样存在“卡脖子”问题。

　　打破海外寡头垄断

　　全球IGBT 市场集中度高，海外厂商英飞凌、富士电机、三菱这三大企业占据了超过 50% 的市场份额。国外巨头英飞凌无论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在于国外厂商成立时间早、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，进而在技术与生态上优势显著。国内的几大厂商进入IGBT 领域时间较晚，除技术需要不断提升之外，市场认可度及厂商关系也需要逐步建立。

　　经过多年不懈努力，国内IGBT 行业企业已经完成 从0 到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进入车规级高端产品市场，而从整个IGBT 的产业链来看，核心环节几乎都是海外企业为主，但在每一个产业链环节，我国均有企业在积极布局。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，IGBT 国产替代有望快速落地。

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