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在碳中和背景下，近年新能源汽车进入发展快车道。据中国汽车工业协会最新统计显示，2022年我国新能源汽车爆发式增长，产销分别完成705.8万辆和688.7万辆，同比分别增长96.9%和93.4%，连续8年保持全球第一，2023年发展势头依然迅猛，2023年1-8月新能源汽车销量合计537.4万辆，同比增速39.2%。
来源：中国汽车工业协会
伴随新能源汽车蓬勃发展，功率半导体中的主要产品车规级IGBT需求爆发式增长。得益于此，全球功率半导体龙头企业英飞凌的汽车业务持续增强，2022年达63.98亿欧元，连续两年增速超30%，成为英飞凌支柱性业务。
来源：火石创造根据公开资料整理
来源：英飞凌财报
01
IGBT是取长补短的复合型功率器件，电力电子装置的“CPU”
功率半导体器件（Power Electronic Device）是电子装置电能转换与电路控制的核心，可通过半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能，其作用主要分为功率转换、功率放大、功率开关、线路保护和整流等。
功率半导体主要功能示意
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按器件集成度，可以分为功率器件和功率IC两大类。功率器件按器件结构可分为二极管、晶体管和晶闸管三大类，其中，晶体管是能够提供电功率放大并具有三个或更多电极的一种半导体器件，根据主要工艺，可以把晶体管分为双极晶体管和场效应晶体管，双极晶体管属于流控器件，响应速度快，驱动能力强，如：双极性三极管（BJT）；场效应管属于压控器件，输入阻抗高，功率消耗相对较低，包括结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。
功率半导体产业结构示意图
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IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，是由双极性三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管 (MOSFET)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，因此兼顾了两者高输入阻抗、驱动功率小与饱和压降低的优点，同时克服了两者的缺点[1]。
BJT、MOSFET和IGBT的对比
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IGBT被喻为电力电子装置的“CPU”，是能源变换与传输的核心器件，通过脉宽调制，可以把输入的直流电压变成所需要频率的交流电，或者反过来，主要用于变频逆变和其他逆变电路。在新能源汽车领域，它是新能源汽车电机控制器、车载空调、充电桩等设备的核心元器件，是电控系统中最核心的电子器件之一。
02
IGBT全球紧缺度升级，主要玩家集中在日美德
在新能源汽车爆发式增长的背后，我们看到功率半导体全球紧缺的情况一直存在，这其中尤以IGBT产品为重灾区。据供应链最新消息显示，目前IGBT缺货基本在39周以上，供需缺口已经拉长到50%以上，市场部分料号供货周期维持在52周，最长达54周。英飞凌最新的Q2交期维持在39-50周，另一家大厂安森美2022-2023年的产能全部售罄，Q2交期在47-52周，远高于英飞凌[2]。
在供需偏紧的情况下，国产厂商纷纷进入车规级IGBT研发制造领域。但目前，由于车规级IGBT模块验证周期长、制作工艺需要的技术难度和可靠性要求高，全球范围，车规级IGBT行业集中度较高，市场份额集中在英飞凌、安森美、意法半导体等海外厂商，CR3达33.8%。从国别来看，全球半导体功率器件及模块前十企业，日本独占5家，美国2家，瑞士1家，中国1家，虽德国也仅有1家进入前十，但其市场销量全球第一，占2021年全球市场份额的19.7%，是第二名的安森美2倍多。
表：2021年全球半导体功率器件及模块前十企业
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03
龙头引领下，车规级IGBT国产替代进程提速
在供需紧缺，外加我国自主新能源汽车品牌崛起的大背景下，国内IGBT行业迎来国产替代浪潮，截至2022年Q1，我国新能源车IGBT模块国产化率已近40%，斯达半导、比亚迪半导、时代电气引领市场，分别占有国内市场份额的19%、17%、11%。2022年中国IGBT市场总规模达321.9亿元，预计2025年市场总规模有望达468.1亿元，复合增长率13.3%。未来我国车规级IGBT市场规模及国产替代将进一步深化[3]。
图：2022年Q1中国新能源车功率模块市场格局
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图：中国IGBT行业市场规模以及CAGR (单位:亿元）
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04
IGBT技术历经7次迭代，国产IGBT落后国际巨头三代水平
IGBT的发展，自1988年至今，已历经7次技术迭代。迭代方向主要集中在芯片面积和厚度逐年减小，功率损耗逐年降低，阻断电压等级逐年提升，向高稳定性、高可靠性发展，大致可分为三个阶段[4]：
第一阶段是第一、第二代IGBT为代表的平面栅型IGBT，其中第一代由于工艺复杂且成本高，已基本被淘汰，第二代部分类型产品目前仍有销售。
第二阶段是以第三代、第四代IGBT为代表的沟槽栅型IGBT。该类型产品通过创新的沟槽设计，大大减小了IGBT的体积和使用功耗，因此被广泛使用。第五代、第六代的IGBT，属于对沟槽栅型的改进，结构并未有很大的变动。
第三阶段是 2018 年以后，英飞凌研发出第七代微沟槽型 IGBT，该类型产品更大程度地减小了器件的体积和功耗，目前英飞凌已达量产水平。
表：全球IGBT七次技术迭代情况
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我国本土厂商进场较晚，缺乏丰富经验的技术人才，叠加贸易摩擦，导致中国IGBT产品在技术端严重滞后于国际巨头的产品，目前国内大部分供应商仅能实现在第四代、第五代进行量产。直到2021年，国内功率半导体龙头企业斯达半导，基于第七代微沟槽Trench Field Stop技术的新一代车规级 650V/750V IGBT芯片研发成功，并通过客户验证，我国企业车规级IGBT才首次出现第七代产品。
表：以进入汽车供应链为目标的国内IGBT领先企业
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05
结语
国产替代持续深化、势不可挡。我国是全球最大的IGBT需求市场，本土IGBT产品性能已有部分达到国际领先水准，但我国IGBT在高技术、高附加值的大功率器件产品上的国产化程度依然较低，进口依赖程度大。无论是从供应链安全角度、还是随大功率产品需求深入带来的成本控制角度考虑，对于车企、电控厂商来说，功率器件自主可控都将是最优选。车规级功率半导体现已成为车企重点布局和投资热门领域之一。
新能源汽车高压化，推动Sic加速发展，短期或将呈现SiC、IGBT并行发展态势。出于解决纯电动车充电效率、续航等问题，各大车企竞相角逐800V高压驱动平台，但IGBT并不适用于800V平台，更多是应用于750V及以下的电压平台。SiC材料的出现，吸引了全球各大资本的目光，与IGBT相比，SiC功率器件在耐高压、大电流、耐高温、高频、高功率和低损耗等方面表现更为优异，可广泛应用于电动汽车及充电桩、光伏、电网、轨道交通和储能等领域。但受制于技术工艺的不成熟、成本的高昂（SiC MOSFET的价格是IGBT的2.5-3倍），短期内，SiC与IGBT将并行发展，直到SiC功率器件的成本下探、技术成熟，或将取代IGBT在各重叠领域的应用。截至2021年，国内碳化硅产线已经投入超20条，产业链上、下游都有相关企业参与。
脚注：
[1] 国海证券：《乘国产替代之风，IGBT、SiC新贵扶摇直上》。[2] 金融界：《新能源汽车领域重要芯片供应持续短缺 相关公司受益行业高景气及国产替代》[3] 集微咨询：《2022年中国IGBT市场研究报告》
[4] 《八张图看懂IGBT，附国内IGBT企业》http://www.360doc.com/content/23/0711/22/39825505_1088198873.shtml
—END— 作者 | 火石创造 李文思 审核 | 火石创造 冯雷 殷莉
原文标题 : 我国车规级IGBT市场现状及龙头企业分析
