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中国IGBT行业发展现状及发展前景分析【图】

2018-07-18 09:15:46 中国产业信息网

目前,我国IGBT行业竞争群组分为三类,中高端产品被欧美、日韩占据,国内企业占据中低端IGBT产品少部分市场份额。

我国IGBT行业进口产品主要是日本和欧美品牌,主要的品牌有英飞凌、三菱、FUJI、ABB、IR、东芝(IGBT已与三菱合并)、飞兆等,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。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。

我国IGBT行业品牌竞争格局

资料来源:智研咨询整理

一、2015-2017年中国IGBT行业发展现状分析

我国IGBT行业发展至今,已取得较大进展,虽然仍需大量进口,但已有一部分企业具备规模化生产能力。2010年我国IGBT功率电器模块产量为190万只,2017年增长至820万只。

2010-2017年中国IGBT行业产量

资料来源:智研咨询整理

IGBT是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件,为世界公认的电力电子第三次技术革命的代表性产品,具有高频率、高电压、大电流,易于开关等优良性能,被业界誉为功率变流装置的“CPU”。近年来,随着国民经济的快速发展,功率半导体技术已经日益广泛地应用于日常消费品、工业制造、电力输配、交通运输、航空航天、可再生能源及军工等重点领域,只要涉及到用电的各种场合,就离不开以功率半导体为核心的电力电子技术的应用。“目前,中国是世界上最大的功率半导体器件消费国,但作为产业链高端的功率芯片则全部依赖进口,这势必影响国民经济的安全、可持续发展。

我国IGBT技术取得一定突破,应用需求巨大。IGBT芯片技术方面,中国南车建成全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线,具备年产12万片芯片、并配套形成年产100万只IGBT模块的自动化封装测试能力,芯片与模块电压范围实现从650V到6500V的全覆盖。成功实现首批8英寸1700V IGBT芯片下线,8英寸3300V芯片已完成试制与测试,6500V芯片也已研发出合格样品。IGBT模块技术方面,封装IGBT模块所用芯片大多由英飞凌、ABB等国外公司提供,只有极少量的芯片由国内生产,国产IGBT芯片年产值不到1亿元。但我国却是全球最大的功率半导体消费市场,占全球市场的40%以上,未来一段时期仍将保持15%以上的速度增长,市场潜力巨大。

在新能源、节能环保“十二五”规划等一系列国家政策措施的支持下,国内IGBT的发展获得巨大的推动力,市场持续快速增长。2017年,国内IGBT市场需求达到了6680万只。近几年我国IGBT市场需求情况如下图所示:

2010-2017年我国IGBT市场需求情况

资料来源:智研咨询整理

二、2018年~2024年中国IGBT行业发展预测分析

随着国内IGBT行业企业技术水平的不断提高,行业企业产能的扩张,未来几年我国IGBT行业面临快速发展阶段,预计到2024年我国IGBT行业产量将达到7820万只。

2018-2024年中国IGBT行业产量预测

资料来源:智研咨询整理

随着国内新能源产业及物联网领域的不断发展,未来几年国内IGBT行业需求将不断增长,预计到2024年我国IGBT行业需求量将达到1.96亿只。

2018-2024年中国IGBT行业需求情况预测

资料来源:智研咨询整理

三、IGBT行业投资机会及趋势

1、新能源汽车领域

近几年来,各国都在大力推行新能源汽车的发展,而电动汽车的投入是最大的。截止到目前,已经有不少国家推出了禁止燃油车销售时间表,其中最为激进的是挪威和荷兰,他们要求2025年起禁止燃油车销售;接下来是德国和印度,其中德国是2030年禁止销售传统内燃机汽车,而印度宣称到2030年只卖电动汽车;法国计划2040年开始全面停止出售燃油车;此外,中国和英国也十分可能会加入禁售行列。

IGBT在新能源汽车领域应用供不应求

可以说,各个大国都在强力推行新能源汽车的发展,目前业界也一致认为,电动化、智能化、网联化和共享化是未来汽车的发展趋势,而电动化平台是这些技术的基础。IGBT作为新能源汽车动力、电源系统中的核心器件,需求量瞬间变大。

由于IGBT的重要性和需求量的增加,使得不少厂商都纷纷涌入。就连三菱电机这个主要关注高铁等电动机车领域内IGBT的厂商也看上了电动汽车IGBT这个“香饽饽”。

而且他们已经推出了针对汽车市场的通用型IGBT模块解决方案:J系列和J1A系列。J系列TPM模块采用了三菱电机独有的压注模式模块封装技术,是一种二合一IGBT模块,具有很高的可靠性,适合汽车严酷的运行对IGBT高强度的寿命密切相关的要求,有650V/300A和600A两款产品。J1系列EV PM采用了紧凑型Pin-fin结构模块封装,是一种六合一IGBT模块,具有很高的功率密度,有650V/1200V、300A~1000A等数款产品,可覆盖30kW~150kW的电机峰值功率要求,这也是三菱电机在中国市场力推的一个系列。

随着未来电动汽车内部功率单元的集成度越来越高,IGBT电流密度将成为制约整车一体化结构设计的关键,而J1A系列EV-PM的6in1模块封装,可通过改进模块内部构造和绑定线技术,以及底板冷却结构,达到减少热阻和封装尺寸的目的,从而提高功率密度,满足电动汽车的一体化设计需求。

三菱电机汽车级IGBT模块的四大技术特点:

一是安全性。IGBT保护主要是对电流和温度的保护。与传统的间接保护方式不同,三菱电机采取了在硅片上集成温度传感器和发射极电流检测,实现了快速、安全的过温和短路检测。

二是高功率密度。三菱电机采用了比竞争对手更加紧凑的封装,是的功率密度更高。未来三菱电机还会继续开发一些新的技术,利用同样的封装,改材料,增加IGBT的散热性能,提高电流能力。此外,还可以借鉴现在新的材料,比如碳化硅,进一步提高电流密度。

三是高可靠性,故障率是10fit。

四是直接端子绑定技术(Direct Lead Bond,DLB)。其车载级的IGBT模块使用DLB代替传统的铝绑定技术,增大了硅片接触面积,热力分布更均匀,降低了硅片的峰值温度,降低热应力。由于没有传统IGBT端子的两个绑定点和焊接点,降低了脱落的可能性,提高了寿命期

2、轨道交通领域

IGBT 在轨交领域已经实现了技术突破和全面的国产化。2015 年 10 月 22 日,隶属中国中车的永济新时速电机电器表示,国内首个具有完全知识产权的 6500V 高铁机车用 IGBT 芯片通过高铁系统上车试验,实现产品化应用。2016 年底,中车株洲电力机车研究所研发的 8 英寸 IGBT 高铁控制系统成功中标印度机车市场,这是我国高铁装备核心器件首次获得海外批量订单。

动车组最核心的部件之一是“牵引变流器”,它负责将超高电流转化为列车的动力。以 CRH3 为例,每辆列车装有 4 台牵引变流器,每台搭载了 32 个 IGBT 模块,共 128 个,这些 IGBT 模块为整个列车提供了约 10 兆瓦的功率。

IGBT被誉为功率变流产品的“CPU”,是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式器件,具有易驱动、控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等特点。IGBT系统技术中最关键则是功率半导体器件的芯片技术。

IGBT(中文名全称绝缘栅双极型晶体管)是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品,由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式器件,具有驱动容易、控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等特点。它付出较小的功率就能控制高电压和大电流,并且能够根据实际需求进行变化,采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,节能效果十分明显,在家电领域,可比普通的变频家电节电30%,在轨道交通、智能电网、航空航天、船舶驱动、新能源装备等行业采用IGBT的大型功率变流装置,节电和节能效果也十分明显。因此IGBT被称为功率变流产品的“CPU”、“绿色经济之核”。据介绍,作为轨道交通牵引主流器件,3300伏等级的IGBT器件在大功率电力机车、城市轨道交通领域具有广泛的应用前景,未来十年中国轨道交通牵引市场每年对3300伏等级的IGBT模块需求量为10到20万只/年,年市场容量15个亿左右。

IGBT系统技术分为IGBT芯片技术、模块封装技术及应用测试技术三大部分。其中最关键的是IGBT芯片技术,以7200千瓦大功率交流电力机车用IGBT为例,一块成人巴掌大小IGBT模块内共有36块指甲大小的芯片,每块芯片并联摆放5万个被称作为“元胞”的电子单元。这些“元胞”相当于IGBT的“细胞”,他们能够在百万分之一秒的时间内实现电流的快速转化。而要在指甲大小上均匀刻画5万个细如发丝的“元胞”,对原材料的品质、温度、湿度等环境的精确控制和掌握、无异于在“针尖上绣花”,因此, IGBT芯片技术被誉为功率半导体器件技术的“哥德巴赫猜想”,谁掌握了该项技术,谁就打开了通往IGBT系统集成技术的“阿里巴巴之门。”

由于我国IGBT技术及产业化发展较晚,加之技术门槛难度之高、投入之大,目前中国市场的IGBT产品基本依赖进口,国内有数家从事中小功率IGBT产品组装企业,且未形成产业规模,在大功率IGBT模块封装技术上,也只有包括中国南车在内的少数企业所掌握,而在IGBT芯片技术及后期系统运用上,国内仅有中国南车独家掌握。中国南车也因此成为国内唯一一家全面掌握IGBT芯片技术研发、模块封装测试和系统应用的企业。

作为城市轨道交通牵引主流器件,轨道交通用3000伏电压等级IGBT芯片应用前景广泛。

3、智能电网领域

以输电端为例:“柔性直流输电技术”是 20 世纪 90 年代发展起来的一种新型直流输电技术,它将半控型电力电子器件升级为全控型电力电子器件(IGBT),具有响应速度快、可控性好、可向无源网络供电、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点,在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市配电网增容改造等领域具有独特的优势。柔性直流输电技术可整合来自多个站点的清洁能源,通过大容量、长距离的电力传输通道,到达多个城市的负荷中心,为新能源或者分布式能源的并网提供有效的解决方案。

IGBT器件作为电压控制型器件,具有容量大、损耗小、易于控制等优点,可使换流器拓扑结构更加简单、损耗更小,因此成为高压柔性直流输电领域核心器件。近年来,我国长距离高压柔性直流输电领域发展迅猛,IGBT器件也因此具备十分广阔的应用前景。

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