国内及国际IGBT厂家及情况调研

IGBT 调研报告 IGBT 全称为绝缘栅双极型晶体管 是目前发展最迅速的新型功率器件 具有非常好的 开关特性和导通特性 IGBT 产品集合了高频 高压 大电流三大技术优势 是电力电子设 备中的核心部件 涉及几乎所有电压等级下的电气设备 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极型晶体管 是由 BJT 双极 型三极管 和 MOS 绝缘栅型场效应管 组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点 GTR 饱和压降低 载流密度大 但驱动电流较大 驱动电路复杂 MOSFET 是单极型电压驱动器件 驱动功率很小 开关速 度快 驱动电路简单 但导通压降大 载流密度小 IGBT 综合了以上两种器件的优点 驱 动功率小而饱和压降低 非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机 变频器 开关电源 照明电路 牵引传动等领域 IGBT 也是三端器件 具有栅极 G 集电极 C 和发射极 E 下图 a 给出了一种由 N 沟道 MOSFET 与双极型晶体管组合构成的 IGBT 为 N 沟道 IGBT 的基本机构 P 注入区与 N 区 形成了一个大面积的 P N 结 J1 这使得 IGBT 导通时由 P 注入区向 N 基区发射少子 从而对 漂移区电导率进行调制 使得 IGBT 具有很强的通流能力 简化等效图如 b 可看出这是 用双极型晶体管与 MOSFET 组成的达林顿结构 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 PNP 晶 体管 图 RN为晶体管基区内的调制电阻 因此 IGBT 的驱动原理与电力 MOSFET 基本相同 他也是场控器件 其开通和关断是由栅极和发射极间的电压 uGE 决定的 当 uGE 为正且大 于开启电压时 MOSFET 内形成沟道 并为晶体管提供基极电流进而使 IGBT 导通 由于前 面提到的电导调制效应 使得电阻 RN 减小 这样高耐压的 IGBT 也具有很低的通态压降 当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时 MOSFET 的沟道消失 晶体管的基极电流被 切断 使得 IGBT 关断 下图是 IGBT 结构图 等效图 下图为 IGBT 模块的生产流程解析 IGBT 开发之初主要应用在电机 变换器 逆变器 变频器 UPS EPS 电源 风力发 电设备等工业控制领域 在上述应用领域中 IGBT 凭借着电压控制 驱动简单 开关频率高 开关损耗小 可实现短路保护等优点在 600V 及以上中压应用领域中竞争力逐步显现 在 UPS 开关电源 电车 交流电机控制中已逐步替代 GTO GTR 由于 SCR 和 GTO 具有极高 的耐压能力和较大的通过电流 目前在高压大电流应用中 SCR 和 GTO 仍占有统治地位 下 图是功率器件的应用情况 随着人们节能意识的逐步增强 变频空调 变频洗衣机等变频家电比例逐年扩大 为 了简化电路设计提高 IGBT 使用的可靠性 变频家电中主要使用集驱动电路 保护电路功能 于一身的 IGBT 智能模块 家电市场中主要三菱 仙童占据较大优势 仙童价格较便宜但稳 定性相对稍差 IGBT 在汽车中的应用主要集中在汽车点火器上 已成功地取代达林顿管成为汽车点火 器的首选 飞兆 英飞凌 ST 在该市场中有很强的竞争力 铁路的发展离不开大量电力机车和高速动车组 电力机车需要 500 个 IGBT 动车组需 要超过 100 个 IGBT 一节地铁需要 50 80 个 IGBT 模块 粗略估计上述轨道交通市场对 IGBT 模块的需求将超过 3 百万个 可以想见轨道交通给 IGBT 市场所带来的空前机遇和发 展空间 当低碳经济 节能减排成为经济工作的重点时 市场对节能概念接受能力较强 在节 能减排的大环境下 IGBT 一方面拥有新技术带来的广阔的市场空间 另一方面从技术发展 路线来看又对以往的功率器件产品有一个逐步替代的作用 2009 年我国 IGBT 市场为 53 亿 元左右 目前我国 IGBT 市场占整个功率器件市 场份额尚不足 10 我们预计未来几年 IGBT 市场随着节能减排的推进将得到快速发展 增速将达到 20 30 远超整个功率器 件市场 由于关键技术的缺失 中国功率器件市场绝大部分份额被国外厂商占领 在国家 政策扶持下 目前中国 IGBT 行业中高端技术已有突破 部分厂商已具备量产能力 IGBT 模块发展趋向是高耐压 大电流 高速度 低压降 高可靠 低成本为目标的 特别是发展高压变频器的应用 简化其主电路 减少使用器件 提高可靠性 降低制造成 本 简化调试工作等 都与 IGBT 有密切的内在联系 下表是国内 IGBT 在几个主要应用领 域的规模及增长情况 应用领域 2010 亿元 YOY 2011 亿 元 YOY 2012 亿 元 YOY 2013 亿 元 YOY 变频家电 17 48 27 60 24 63 40 89 31 04 26 03 38 64 24 48 家电 电磁炉 4 6 13 80 5 3 15 22 6 1 15 09 7 14 75 中低压变 频器 34 81 15 70 41 19 18 33 49 2 19 45 58 27 18 43 电机节 电 高压变频 器 4 82 30 00 6 31 30 91 8 14 29 00 10 45 28 38 新能源 光伏 风 电 4 7 77 30 7 8 65 96 12 3 57 69 19 6 59 35 汽车 汽车点火 2 7 13 00 3 11 11 3 3 10 00 3 7 12 12 目前我国 IGBT 芯片约 99 左右的市场仍为国外企业所占据 以家用电器市场为例 IPM 模块是变频空调的核心控制部件 它将 IGBT 驱动电路以及保护电路封装在同一模块 中 从而使变频空调拥有较低的功耗和较高的可靠性 根据奥维咨询数据显示 2014 年中 国家用空调终端零售量在 4430 万台 变频空调结构比重提升至 58 1 同比上升 3 3 每 台变频空调中需要一只 IPM 因此 2013 年 9 月 2014 年 8 月国内变频空调对 IPM 的用量 达到 2573 8 万只 但使用的多为日系 IGBT 产品 据法国调查分析机构 Yole Developpement 2013 年报告 2014 年 IGBT 全球市场总值 将达到 43 亿美元 比 2013 年的 39 亿美元增加 4 亿美元 2015 年开始市场将保持稳定增 长 另据美国市场研究公司 IHS iSuppli 分析 2009 2014 年 中国 IGBT 销售额的复合 年度增长率达 17 8 2014 年中国 IGBT 市场销售额将上升到 9 75 亿美元左右 下图为中 国市场 IGBT 总规模及增长率 图 a 国内市场 IGBT 规模及增长 图 b IGBT 主要厂家的世界市场份额 据富士电机公司资料显示 全球 IGBT 模块市场近 70 的市场份额被三菱 东芝 富士 等日系企业掌握 其中三菱市场占有率第一 德国半导体生产商英飞凌公司业内领军地位 稳固 独立式 IGBT 功率晶体以 24 7 的市场占有率位居第一 IGBT 模块则以 20 5 的市 场占有率位居第二 目前 IGBT 主流厂家 国外 为德国 Infineon 英飞凌 西门康 瑞士 ABB 美 国飞兆 Fairchild 日本三菱 FUJI 东芝等 欧美品牌的产品主要用在电力电子和通 讯行业 而日本的品牌主要用于电磁炉 变频空调 冰箱 洗衣机等家电类居多 近几年 英飞凌的 IGBT 单管也在家电类产品中占有一席之地 而三菱的 IGBT 模块在也开始大量应 用于军工 电力电子等行业 其中西门康 Semikron 主要从事IGBT的后端封装工作 其芯片主要使用的是 Infineon ABB的产品 仙童 Fairchild 的IGBT产品虽然广泛应用在电磁炉产品中用量 较大 但由于其售价较低 在一定程度上影响了其销售额 三菱和富士都有自己品牌的变 频器 而Infineon EUPEC除了供应国内市场外 还是西门子变频器的主要供货商 Semikron除了供应中国国内市场外 还供应ABB 施耐德等低压变频器的IGBT模块 ABB产 品在HVD上应用广泛 近年来 我国电力 消费电子 高速列车 新能源等领域对 IGBT 的需求高速增长 摆 脱进口依赖 IGBT 国内厂家也发展迅速 但目前国内厂家在在 IGBT 模块领域只有少量市场份额 其产品主要应用于工业焊机 切割机等的领域 目前主要的国内厂家分布及情况如下图所示 在下表中对各个厂家的业务类型及技术情况作了详细介绍 公司 业务类 型 进度 备注 科达半导体 设计 研发出 1200V 75A 100A 大功率 IGBT 芯片 400V 专用 IGBT 芯片 已具备 1200V 600V 20A 小规模量产生产条 件 前道工序有自己复杂 后道工序由中芯 国际 北京燕东和上海先进负责代工 华微电子 芯片制 造 华微电子已实现 IGBT 的批量生产 成为国内第一家突 破 IGBT 芯片制造的上市公司 中环股份 芯片制 造 募集资金项目进行 IGBT 研发 无锡凤凰半 导体 芯片制 造 量产产品线已经涵盖 600V 1200V 1700V 三种系列的 多种型号 建设有国内首条 NPT IGBT 芯片薄片生产线 可以测量 IGBT 全部静态及动态参数 公司拥有芯片生产线及与生产配套的 可靠性实验室 器件测试实验室 失效分析实验室等 比亚迪 芯片制 造 顺利组装成 IGBT 模块 并成功在电动汽车台架上进行 了测试 可供货 1200V 系列 主要用于自身业务 典型产品 1200V 400A 上海贝岭 芯片制 造 完成了 1200V 和 600V IGBT 的设计 试制和测试及评估 工作 南车株洲时 代 芯片制 造 模 块 2008 年收购英国丹尼克斯半导体 75 的股份 进入 IGBT 领域 应用于车辆牵引传动领域 1200V 1700V 3300V 4500V 6500V 有年产 6 万模块 的能力 用于自身业务 江阴长电先 进封装有限 公司 IGBT 单 管封装 长电科技子公司 中外合资性质 主要从事 IGBT 单管 封装 西安爱帕克 模块 IGBT 半桥 高端开关和低端开关型模块 600V 75 400A 1200V 50 300A IGBT 单开关型模块 600V 400 800A 1200V 200 400A IGBT H 桥模块 600V 75 400A 1200V 50 200A IR 与西安电力电子技术研究所共同投资 组建 IGBT 芯片由 IR 提供 产品主要 用于满足轻 轨 风电等需求 威海星佳电 子 模块 1200V 50 300A 模块 产品已出口美国 澳大利亚 韩国 泰 国 新加坡等国家 南京银茂微 电子 模块 600V 1200V 半桥 斩波 H 桥 三相全桥 全桥 斩波 PIM IPM 一单元模块 嘉兴斯达半 导体 模块 600V 单开关模块 半桥模块 三相桥模块 PIM 模块 1200V 单开关模块 半桥模块 全桥模块 三相桥模块 三组单项桥 PIM 模块 斩波器模块 1700V 单开关模块 半桥模块 全桥模块 三相桥模块 三组单项桥 斩波器模块 江苏宏微科 技 模块 600V 75 200A 模块 1200V 50 300A 模块