蕞達 | 2024年IGBT模塊行業(yè)分析

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊是一種重要的功率半導(dǎo)體器件。

1.結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)上看，它是由IGBT芯片與續(xù)流二極管芯片通過特定的電路連接方式，共同封裝在一個絕緣的模塊外殼內(nèi)。這種封裝形式可以保護芯片不受外界環(huán)境干擾，同時便于安裝和散熱。

2.工作原理

在工作原理方面，IGBT模塊結(jié)合了MOSFET（金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）的高輸入阻抗和雙極型晶體管的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點。簡單來說，當(dāng)在其柵極施加適當(dāng)?shù)碾妷盒盘枙r，會控制IGBT模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，從而實現(xiàn)對電流的控制。例如，在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，通過控制IGBT模塊的通斷來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

3.特征

IGBT模塊的主要特點包括高電壓、大電流處理能力。

（1）其電壓等級可以從幾百伏到數(shù)千伏，能夠滿足高壓應(yīng)用場景的需求；電流容量也較大，可以承載數(shù)十安培到數(shù)千安培的電流，適用于大功率設(shè)備。

（2）而且它具有開關(guān)速度快的特性，能夠快速地在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，這樣可以有效減少功率損耗，提高設(shè)備的效率。

（3）另外，它的可靠性較高，在正常工作條件下能夠長時間穩(wěn)定運行，這對于工業(yè)控制和電力電子設(shè)備至關(guān)重要。

4.應(yīng)用場景

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，IGBT模塊在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如工業(yè)電機驅(qū)動，包括各種工廠中的大型電機控制，像起重機、輸送帶等設(shè)備的電機驅(qū)動都需要IGBT模塊。

（1）在電力系統(tǒng)中，用于高壓直流輸電、無功補償?shù)仍O(shè)備。

（2）在新能源領(lǐng)域，是光伏逆變器和風(fēng)力發(fā)電變流器的核心部件，能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電，實現(xiàn)電能的并網(wǎng)輸送。

（3）在軌道交通領(lǐng)域，用于列車的牽引變流器，控制列車電機的運行，推動列車前進。

1. 上游環(huán)節(jié)

（1）材料供應(yīng)

（Ⅰ）硅片是IGBT模塊制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。高純度、高質(zhì)量的硅片對于芯片性能有著至關(guān)重要的影響。目前，全球硅片市場主要由少數(shù)幾家大型企業(yè)主導(dǎo)，如日本信越化學(xué)、SUMCO等，這些企業(yè)在硅片的純度控制、尺寸規(guī)格等方面技術(shù)先進，占據(jù)了高端硅片市場的較大份額。

（Ⅱ）除硅片外，還需要用到金屬材料（如鋁、銅等）用于電極制作，以及封裝材料（如陶瓷、塑料等）。封裝材料的性能直接關(guān)系到IGBT模塊的散熱、絕緣等關(guān)鍵性能。

（2）設(shè)備制造

制造IGBT芯片需要高精度的半導(dǎo)體制造設(shè)備，如光刻機、刻蝕機、離子注入機等。這些設(shè)備技術(shù)含量極高，全球市場主要被荷蘭ASML、美國應(yīng)用材料等公司壟斷。例如，光刻機是芯片制造過程中的核心設(shè)備，其精度決定了芯片的制程和性能，ASML的極紫外光刻機（EUV）技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，是高端芯片制造不可或缺的設(shè)備。

2. 中游環(huán)節(jié)

（1）芯片設(shè)計與制造

（Ⅰ）在芯片設(shè)計階段，需要專業(yè)的設(shè)計團隊根據(jù)不同的應(yīng)用需求（如電壓等級、電流容量、開關(guān)速度等要求）進行電路設(shè)計。這涉及到復(fù)雜的半導(dǎo)體物理和電子電路知識，像英飛凌等國際巨頭在芯片設(shè)計方面擁有大量的專利技術(shù)和豐富的經(jīng)驗，能夠設(shè)計出高性能、高可靠性的IGBT芯片。

（Ⅱ）芯片制造過程包括外延生長、光刻、蝕刻、離子注入、擴散等多個復(fù)雜的工藝步驟。這個過程對生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度、溫度、濕度等條件要求極高，并且需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制。目前，全球領(lǐng)先的芯片制造企業(yè)主要集中在亞洲地區(qū)，如臺積電等，這些企業(yè)憑借先進的制造工藝和大規(guī)模的生產(chǎn)能力，在芯片制造領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢地位。

（2）模塊封裝與測試

（Ⅰ）封裝是將IGBT芯片和續(xù)流二極管芯片等按照一定的電路連接方式封裝在模塊外殼內(nèi)的過程。封裝技術(shù)的好壞直接影響到IGBT模塊的散熱性能、電氣絕緣性能和機械穩(wěn)定性。不同的應(yīng)用場景對封裝形式有不同的要求，例如，對于高功率密度的應(yīng)用，需要采用先進的封裝技術(shù)來提高散熱效率。

（Ⅱ）測試環(huán)節(jié)對于保證IGBT模塊的質(zhì)量至關(guān)重要。需要對模塊的電氣性能（如耐壓、電流容量、開關(guān)特性等）、熱性能（如結(jié)溫、熱阻等）進行全面測試。只有通過嚴(yán)格測試的產(chǎn)品才能進入市場。

3. 下游環(huán)節(jié)

（1）工業(yè)應(yīng)用

（Ⅰ）在工業(yè)電機驅(qū)動領(lǐng)域，IGBT模塊廣泛應(yīng)用于各種電機控制系統(tǒng)，如機床、電梯、起重機等設(shè)備。通過控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)設(shè)備的精確控制和高效運行。

（Ⅱ）在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中，IGBT模塊用于機器人的電機驅(qū)動、傳送帶的電機控制等，提高了生產(chǎn)效率和自動化程度。

（2）電力系統(tǒng)應(yīng)用

（Ⅰ）在高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)中，IGBT模塊作為核心的換流器件，能夠?qū)崿F(xiàn)交流電和直流電之間的高效轉(zhuǎn)換，對于遠距離、大容量的輸電具有重要意義。

（Ⅱ）在無功補償裝置中，IGBT模塊可以快速地調(diào)節(jié)無功功率，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。

（3）新能源應(yīng)用

（Ⅰ）在光伏產(chǎn)業(yè)中，IGBT模塊是光伏逆變器的關(guān)鍵部件，將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)。隨著全球太陽能光伏發(fā)電裝機容量的不斷增加，對IGBT模塊的需求也在持續(xù)增長。

（Ⅱ）在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，IGBT模塊用于風(fēng)力發(fā)電變流器，將發(fā)電機產(chǎn)生的變頻交流電轉(zhuǎn)換為恒頻交流電，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機的最大功率點跟蹤（MPPT）控制，提高風(fēng)能的利用效率。

（4）軌道交通應(yīng)用

在地鐵、高鐵等軌道交通車輛中，IGBT模塊用于牽引變流器，控制牽引電機的運行，實現(xiàn)列車的啟動、加速、減速和制動。它能夠根據(jù)列車的運行狀態(tài)和速度要求，精確地調(diào)節(jié)電機的功率，為列車提供動力。

 1.IGBT市場分析

根據(jù)GlobalSearch的數(shù)據(jù)，2024年全球IGBT市場規(guī)模從2023年的83.2億美元增長至94.8億美元，年復(fù)合增長率達14.0%。根據(jù)預(yù)測，2024年中國IGBT市場規(guī)模將達到25.7億美元，產(chǎn)量預(yù)計超過7,500萬只，自給率或達40%。

2.IGBT發(fā)展趨勢