电动化浪潮下的IGBT新周期

　　在位于浙江嘉善的赛晶科技半导体厂区，一台台全自动化机器正在紧张运转，半导体晶圆器件通过全自动化产线依次完成贴片、键合、注胶、塑封等步骤，变成一个个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块。这些产品下线交付给客户，有望缓解新能源汽车、光伏等领域IGBT芯片供应吃紧的情况。此前有报道称，IGBT芯片缺货可能持续至明年上半年。

　　IGBT被称为电力电子领域的“CPU”，是电动汽车、光伏、储能核心元器件。近年来，在电动汽车、光伏等新能源产业的驱动下，IGBT迎来新的发展高峰，我国也成为全球最大的IGBT需求市场。

　　当前，IGBT供应依然吃紧。业内普遍认为，未来，随着越来越多中国IGBT厂商的加入，将有更多高性价比的国产IGBT产品进入全球供应链，从而缓解供应短缺问题。

　　新能源汽车的“心脏”

　　IGBT与动力电池电芯并称为电动车“双芯”，是影响电动汽车性能的关键元器件。据了解，电动汽车所使用的IGBT数量高达上百颗，是传统燃油车的7~10倍。其成本占整车成本的7%~10%。

　　IGBT是由双极型三极管(BJT) 和 MOSFET 组成的复合式功率半导体器件，被称为电力电子领域的“CPU”。“功率半导体的主要功能是进行能量转换，包括调节电流、电压、电频、直流或交流等。IGBT可以在低损耗的情况下，输出相对高的电流，非常适合大电流和高电压同时存在的场景，例如新能源汽车、风光储充等。”复旦大学工程与应用技术研究院研究员雷光寅告诉《中国电子报》记者。车规级IGBT主要应用在新能源汽车电机控制器和充电桩中。

　　尽管一块IGBT模块最小不过巴掌大小，却是“驱动”电机控制器的命脉。电动汽车加速能力怎么样、最高时速多少、能源效率如何，关键取决于IGBT。“新能源汽车需要电力来驱动，IGBT的作用就是分配电流到电机。当我们深踩油门时，它就会分配更多的电流到电机上，使得电动机车加速更快。”比亚迪半导体功率半导体产品中心芯片研发总监吴海平介绍说。

　　雷光寅表示，IGBT是电机控制器中最核心的元器件，占其整体成本的40%~50%。它通过高频、高速、高压的开关控制电流，为电动车提供动力。

　　除了电机控制之外，IGBT还应用于电动汽车充电桩。雷光寅介绍：“来自电网的交流电，具有电压高、电流大的特点，不适合直接给动力电池充电，需要经过一系列整流、升压、变频的过程，转换成符合要求的输出功率，才能进行充电。这个过程离不开功率半导体的支持，IGBT能够控制高电压和大电流，确保电池充电速度和效率最大化。”

　　近年来，新能源汽车产业产销两旺，成为IGBT最大的增量市场。中国汽车工业协会(以下简称“中汽协”)数据显示，2022年，我国新能源汽车产业持续爆发式增长，产销分别完成705.8万辆和688.7万辆，同比分别增长约97%和93%。中汽协预测，2023年我国新能源汽车总销量有望超过900万辆。相关数据显示，2022年新能源汽车IGBT市场份额达39.7%，成为IGBT下游应用最大的市场，预计到2025年份额接近49%。

　　“光储热”带火IGBT

　　光伏逆变器是太阳能光伏系统的心脏，而IGBT是光伏逆变器的核心器件。近年来，光伏装机规模的快速增长，推动逆变器需求的大幅提升，进一步打开IGBT市场。

来源：中国光伏行业协会

　　光伏已成为我国可再生能源“第一名”。国家能源局发布的数据显示，今年3月，我国光伏累计装机达到426GW，超越水电，成为可再生能源发电装机第一，和继煤电之后的全国第二大电源。中国光伏行业协会预测，2023年，我国光伏新增装机量将达到95-120GW，全球新增装机将达到280-330GW;到2030年，我国光伏新增装机量将达到120-140GW，全球新增装机将达到436-516GW。

　　赛晶科技相关负责人表示，当前，“碳中和”已成为全球共识。为了达成这一目标，需要在发电、输配电和用电等环节采取相关措施，以构建可持续发展的绿色能源发展体系。而IGBT作为光伏逆变器的核心元器件，一定会受到这一市场发展的直接带动。“今年电动车对IGBT需求进入到增长平缓期，但光风储(光伏、风电、储能)的需求依然非常旺盛，市场规模增长很快。”该负责人说。

　　据了解，光伏逆变器的主要作用是将光伏系统发出的直流电转化为符合电网电能质量要求的交流电，最终并入电网。它的性能可以影响整个光伏系统的平稳性、发电效率和使用年限。IGBT可控制各个功率器件轮流导通和关断，再经由变压器耦合升压或降压，最终实现交流直流的转换。

　　值得一提的是，光伏逆变器中的IGBT等电子元器件的使用年限一般为10~15年，而光伏组件的运营周期是25年，因此逆变器在光伏组件的生命周期内至少需要更换一次。这进一步扩大了IGBT在光伏系统中的使用量。

　　中国光伏行业协会预测，2025 年全球光伏逆变器新增装机量有望达 330GW。浙商证券分析称，按照IGBT占组串式逆变器和集中式逆变器BOM成本(物料成本)的18%和15%计算，预计全球光伏逆变器用IGBT市场规模将以17.6%的增速扩大，到2025年市场规模将超过百亿。

　　储能的“高景气”也为IGBT带来新的市场机遇。雷光寅指出，目前，“光储一体化”成为大势所趋，配置储能已经成为光伏电站并网的前提条件。和光伏逆变器只能将直流电单向转变为交流电不同，储能逆变器具有充电和放电的双向能量控制功能。“‘光储’原理和电动汽车充电桩‘充储’原理相似，IGBT主要作用也是变压、变频和交变转换等。”雷光寅介绍说。

　　“未来十年，电动化和数字化将成为产业和社会发展的重要推动力。电动化涉及发电、输变电、储能、用电在内的电力价值链各个环节。包括IGBT在内的功率半导体在整个电力价值链中扮演着重要角色。随着电动化的推进，未来功率半导体的市场规模将会不断成长。”英飞凌相关负责人表示。

　　电动化浪潮下的IGBT新周期

　　近期，有关IGBT缺货的消息不时被爆出。甚至有消息称，车规级IGBT供需缺口已接近50%。对此，雷光寅辟谣，IGBT虽然供不应求，但实际情况并没有这么夸张。

　　事实上，IGBT缺货问题此前就长期存在。早在2021年，就有数据显示，我国IGBT供需缺口超过1亿只。进入2023年后，IGBT缺货情况仍未能好转，目前车规IGBT产品供不应求，现有产能已基本售罄，保供压力较大，新扩产订单已被下游厂商提前锁定。

　　业内普遍认为，供需错配是造成IGBT持续缺货的重要原因。首航新能源CEO印荣方指出，半导体产业每年以8%~10%的增速扩张，而光伏和储能则是按照30~50%的增速扩张。再加上新能源汽车的爆发式增长，这就导致下游需求增速远超上游供给增速，造成整个市场IGBT供需紧张。

　　芯谋研究总监李国强认为：“本轮IGBT缺货的主要原因是新能源车兴起，对高电压需求大增，IGBT成为产业发展焦点。”

数据来源：Yole

　　IGBT产品供不应求的另一大“瓶颈”是上游晶圆厂、封装产能吃紧。业内人士透露，本轮缺货，并未吸引太多6英寸、8英寸晶圆厂加入IGBT扩产行列。大部分6英寸、8英寸的晶圆厂折旧，由于成本效益问题，很少有6英寸、8英寸晶圆厂会扩大IGBT的产能。此外，氮化镓、碳化硅等宽禁带半导体的市场火热，也改变了晶圆厂的路线，使得IGBT产量受到挤压。“虽然已有部分12英寸的晶圆厂已经开始生产IGBT，但产能调节仍需要时间，IGBT的短缺预计将持续到2024年。”该业内人士称。

　　在雷光寅看来，中国企业未能深度参与到IGBT全球产业链供应链中是造成供需错配的重要原因之一。“我国IGBT长期以来依赖进口，此前车规级IGBT进口产品一度占到9成。近年来，我国新能源产业发展迅猛，特别是新能源汽车产业在过去5到10年增长了近50%，去年产销同比增长甚至超过90%。这是海外厂商所无法预料的，因此没有办法及时扩产。此外，海外厂商对市场扩张一般采取保守态度，也不会轻易扩产。”雷光寅指出。

　　“国外厂家的产能扩张跟不上行业的快速发展，也是供需失衡的原因。”一位光伏从业者告诉《中国电子报》记者。

　　此前，IGBT市场长期被积累深厚的国外公司占据，英飞凌、富士电机、安森美、东芝、意法半导体等公司占据了绝大部分市场。然而，IGBT市场的持续缺货为中国企业提供了机遇，去年开始，中国的IGBT企业开始大量地接到来自新能源汽车侧、光伏侧的订单。

　　业内人士表示：“半导体芯片听起来好像很高端，实际上在IGBT，尤其是单管这块本身的设计并不复杂。国产企业随着出货量的提升，工艺也比较稳定，生产制造环节高度自动化，跟外资品牌量产出来的基本上越来越接近了。”

比亚迪半导体光伏逆变专用IGBT应用场景

　　“目前，国内很多企业都在做IGBT，并取得一定的成绩。小功率的户用逆变器中的IGBT已经可以实现国内企业供给，大功率的集中逆变器IGBT国内供货厂家也较多。但是大功率组串逆变器因为电流较大，开关频率高、功率密度高，目前国内还没合适的IGBT厂商，这或将成为IGBT最后攻关的方向。相信在1-2年后国内会有合格的供方。”上述光伏从业者说。

　　国内政策端的重视也是国产IGBT快速发展的重要推动力之一。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》要求，集中优势资源攻关关键元器件零部件和基础材料等领域关键核心技术，重点指出需要攻关IGBT和碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体的发展。

　　今年一月，工业和信息化部等六部门联合发布的《关于推动能源电子产业发展的指导意见》指出，推动基础元器件、基础材料、基础工艺等领域重点突破，研究小型化、高性能、高效率、高可靠性的功率半导体等基础电子元器件。面向光伏、风电、储能系统等，发展新能源用耐高温、耐高压、低损耗、高可靠性IGBT器件及模块。

　　对于IGBT未来的供应情况，雷光寅乐观地表示：“目前，越来越多的中国厂商开始研发、制造IGBT。经过这几年的历练，相信会有更多高性价比的国产IGBT产品进入全球供应链，缓解供应短缺问题。”

　　作者：张维佳　　来源：中国电子报、电子信息产业网