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一文看懂IGBT

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:2230

1、IGBT是什么?

IGBT全称叫绝缘栅双极型晶体管,是一种复合型结构器件,它结合了MOS晶体管和BJT双极型晶体管的优点,在电压电流转换,电能输出领域用的非常多,特别是在高压大电流领域,IGBT占主导地位,是人类控制电能,利用电能的核心半导体器件之一,这种主要应用在电子电力转换领域的半导体器件,我们统称功率半导体,最简单的应用,比如我们的笔记版电脑上都带有电源适配器,这里面就是IGBT,起到一个升降压,交直流变化的过程,显然IGBT是功率半导体中最重要的一员。它的功能就是控制电,是电能转换与应用的核心芯片。  
  2、IGBT是一种定制化产品还是通用型产品?   IGBT和其他芯片相比算是一种标准型产品,通常在各家公司官网上会放出IGBT产品的详细介绍,会写明这块IGBT产品的各种参数,比如[敏感词]集电极电流ICM,发射集[敏感词]电压UCES,栅极击穿电压UGEM,导通电压,耐压水平,开关速度,载流子类型和寿命,输入电容,集电极[敏感词]功耗PCM,使用温度范围等等,客户看到这些参数,就能根据实际应用需求自行设计和搭配所需的电源模块方案,但是客户的需求是不相同的。根据不同的应用场景不同的客户,会出现各种调整。一旦定型之后,是不太会去更换的,但是如果供货供不上,也是会可以换个公司的换个类似的产品。但是本质上我们还是认为IGBT是标准通用型产品。  
  3、为什么IGBT被看做碳中和最受益的功率半导体?   清洁能源的大规模推广,对IGBT提出更高的需求,最典型就是光伏逆变器的应用,这里面需要大量高压,超高压的IGBT以及IGBT模块,来让光伏发出的粗电,变成能平稳上网的精细电,因此这是未来碳中和非常重要的环节 。   IGBT在电动车时代的应用,过去汽车都是燃油车,无论汽油怎么改,都不能改变汽油车尾气的排放问题,但是现在提倡的是节能环保的新能源车,未来将是新能源电动汽车时代,而电动汽车又需要用到大量的IGBT等功率半导体产品。清洁电能的获取和利用是未来减少二氧化碳排放、实现碳中和的关键,而电能的利用就离不开功率半导体,就离不开IGBT。  
  4、下游应用都有什么领域?行业空间分别有多大?   因为半导体是一个基础性产业,但凡和电的有关领域,就是功率半导体发挥的地方,所以这个产业是非常大,因为我们身边至少有50%的产品与电相关的产品电子产品,比如消费电子手机,蓝牙耳机,笔记本电脑,各种各样的家用电器,以及大型的工业电机,轨道交通,新能源汽车,光伏逆变器,智能电网等但凡需要用到电的地方基本都离不开IGBT。   就行业规模而言,2019年全球市场IGBT和模块超过70亿美金,今年大约能突破100亿美金,预测到2026年将达到190亿美金的规模,年复合增长15%左右,属于一个较快增长的市场,而且是一个比较稳定增长的细分领域,不像其他产品比如内存,大起大落,周期变化很明显,IGBT属于平稳增长型。   随着新能源电动汽车以及各行业的电子化电气化,清洁能源的使用,包括IGBT在内的功率半导体领域的持续保持强劲且有力的增长。通常我们把根据IGBT不同的电压分成不同的档次,低于650V-900V的是中低压,900-1200V的属于中高压,高于1200V的属于高压。低于650V的IGBT也有但是用量不大,这个领域更多是用MOSFET产品替代。 其中大部分消费电子, 白电产品等属于中低压IGBT范围这块大约占到30%,大功率的所需的工业领域中高压IGBT占到20%,高压大功率能源领域比如高铁,光伏逆变器,以及轨道交通等所用的IGBT占到了15%,此外就是汽车电子的领域的新能源汽车则占到30%以上,并且这块是未来最被看好的赛道。  
  5、市场的供需情况如何?预计几年内供需会实现平衡?   整个半导体缺货市场目前已经持续一年多时间了,从2020年7月份开始半导体产品开始出现不同程度的紧张,到10月份后全面爆发,价格暴涨,到今年5月底达到[敏感词]峰,不少芯片涨价幅度是非常夸张的,晶圆工厂也是不断调整价格,即便如此,依然是疯狂下订单,下游的疯狂抢芯片导致上游的产能被一抢而空,整个行业供需完全失衡。   很多行业人士都对半导体行业恢复供需平衡,回归正常状态做了各种预测和假设,预测了各种回归正常的时间节点,以及拐点形成的前置条件。我个人观点是到2022年6月左右,首先我们来看各种影响供需关系的因素。 从历史过往经验判断行业变化的角度来看,一般而言半导体景气周期24-36个月,冷周期12-18个月,从去年6月份开始我们认为是完全走完冷周期,开始景气周期,因此这波景气周期历史经验来看会持续到2022年的6月。 考虑叠加疫情的影响因素,疫情虽然打乱的全球产业的节奏,但是对于半导体而言,特别是中国而言,应该来说是新机遇新挑战,至少我们认为这2年有两个巨大的爆发点,[敏感词]是疫情来临后居家办公,线上办公导致各种平板笔记本电脑需求暴涨,拉动了半导体芯片的需求,因为这些产品90%的成本都是半导体器件,所以导致这一波大涨,   每次疫情过后,都是汽车销售的黄金期,刚好现在又叠加了新能源汽车的概念和周期,整车中半导体产品的含量大幅提升,传统燃油车只有10-15%左右,但是新能源汽车中的半导体产品达到50%以上,这一块最重要的就是各种汽车电子,汽车功率半导体,传感器,各类微控制单元MCU等,这些芯片又有一个共同点就是相当多的产品都是使用8英寸0.25-0.13工艺制造,但是8英寸线目前扩产因为设备的问题,比较难扩充产能,所以这些产品需求持续旺盛可能会延续芯片紧缺的态势。   但是过高的价格也会减少下游的需求,因此我的结论是,正常情况下持续到2022年6月,我认为这个时间点是拐点,之后芯片紧缺程度会缓解,开始去库存,这是我个人的判断,甚至不排除这个节点会提前到来,现在中国大范围的轮流停电限产,会挤压掉下游虚高的需求,让芯片缺口不断缩小,如果从这个角度来看,持续一段时间,芯片价格和需求肯定都会下跌,所以我认为这种[敏感词]不平衡的情况最多再维持6-9个月,肯定恢复了,当然汽车电子除外,这个行业太特殊了,产业链修复的影响因素太多了。  
  6、海外疫情对于IGBT的产能冲击有多大?预计何时能缓解?   海外疫情对几个老牌的半导体公司比如英飞凌,安森美等影响还挺大的,供货很不稳定,至于何时能缓解,很难判断至少我认为到明年6月前缓解概率不大,到手6月后可能面临拐点。还有这些个大厂的货一直都很紧俏,不管是不是现在,从往年的情况来看,一年中总会有个时间段,供货不顺畅,导致涨价,但是主要集中在高端产品上,现在中低端IGBT产品,国产替代节奏比较快,未来产能释放后,肯定缓解。   目前国内中低压产品已经非常成熟了,产品性价比很高,但是高端的高压产品和国外比还是有一定的差距,这个差距我认为主要体现在大规模量产的时候如何保持产品的一致性和稳定性这个方面,国内不是说没有能力去做,而是上量的时候控不好品质中低压产品国内替代势头良好,已经说明了一切。  
  7、新能源车、光伏、储能所用的IGBT有什么区别?分别用于什么功能?   新能源汽车所用目前来看也主要是650-900V之间,少数车企也有1200V方案 ,其中OBC多用 650V的单管,PCU多用900V的IGBT模块,具体看各个整车厂电池包方案,电压是多少,再选择用什么型号的IGBT。区别非常大。   IGBT模块,主要就是IGBT,然后还需要一些FRD(快恢复),TVS(瞬压),SBD等其他功率半导体器件,组成一个模块,应对各种出现的场景和需求。如果是IGBT IPM模块,内部集成了电源控制IC,除了IGBT和其他功率半导体产品外还有电源管理IC。  
  8、IGBT占新能源车/光伏/储能成本的比重分别是多少?   新能源车PCU+OBC至少占了整车的25%-30%左右,具体不同车型成本比例差距很大,比如五菱mini这种神车,一共就卖2.98,电控的成本不会超过3000块钱,这种车连IGBT都不用,全是MOSFET,还有比如长城欧拉黑猫一辆车就卖6、7万,一个电池包成本15000,IGBT能占多少?高端车的IGBT用量和价格就大了,光伏和储能也是用IGBT做逆变器,这个成本比重不好说,因为一个电站大头是在perc电池,以及及其他组建上,具体看投资规模。  
  9、不同行业之间是否会存在抢IGBT产能情况?   缺货是全行业的现状,现在就是谁有钱谁能抢到产能,大公司比较有优势,因为钱多,目前国内做功率半导体的有相当大比例是IDM模式,比如士兰微和时代电器都是自己有生产线的,这就不存在抢产能的说法,其他能做IGBT代工做的比较有特色的是华虹,这个产能就是要靠抢,有些财大气粗的公司比如斯达早就把人家的一条线给包圆了。  
  10、IGBT是否会对生产产线有定制化需求?主要区别看什么?   IGBT的工艺和普通逻辑产品工艺差别比较大,至少离子注入掺杂工艺和背减工艺肯定是不一样的,还有各种特殊外延层工艺等等。这些和普通做数字电路,模拟电路完全不一样。  
  11、IGBT的生产线是否可以临时调整产品规格,比如生产光伏所用的IGBT产线临时调整为车规级IGBT产线?   车规级要求比较高,一旦定型是不可能轻易更换的,虽然都是IGBT,但是由于处于不同细分行业,对IGBT要求完全不一样,不存在混用可能,但是由于都是一个公司产生上,产线上分配不同IGBT产能,那是公司自己内部的事,设备还是这套设备,生产线还是这套生产线,封装有一定的不同之处,只能这么说。同时客户也不是很乐意产品线和其他产品混合,所以汽车用的IGBT线都比较独特。  
  12、对于车规级、光伏IGBT产线的认证时间是否有很大区别?   区别非常大车规的要求非常高,整车厂的验厂要求极其严苛,不仅验供应商,还验供应商的供应商,供应商的原材料商等等,光伏的产品线就比较简单了,区别较大。  
  13、扩建新产能[敏感词]的痛点是什么?   就目前工艺难度而言,IGBT基本可以使用8英寸工艺为主,少数行业公司开始导入12英寸,现在新建产能并不是说你有钱就扩产,8英寸[敏感词]的问题就是缺少设备,且价格较高涨价,比如8英寸的设备的价格几乎和12英寸是一样的,而交付周期长,以及一直困扰中国半导体产业的人才缺口。总结起来,主要是缺设备,缺有经验的人。  
 

总结:IGBT是电能转换与应用的核心芯片,是碳中和非常重要的零部件,[敏感词]下游应用在新能源车领域,是电池以外第二大成本。此外光伏所用逆变器对IGBT的需求量也比较大。目前IGBT市场供需严重不平衡,海外疫情导致大厂的产能受限,而国产厂商扩产难的主要原因在于缺少设备和有经验的专业人才,另一方面也是因为新厂落地到验证产线所需时间一般为1-3年,所以新增产能释放需要时间,专家预测未来供需重新达到平衡的时间点推测在2022年6月份。



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