IGBT的概念和发展历史 IGBT内部结构及工作原理 IGBT市场规模分析
来源：东海证券研究所、前瞻产业研究院、智研咨询
一igbt：复合型功率器件
1功率半导体器件
功率半导体器件（power electronic device）又称为电力电子器件和功率电子器件，是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件，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。
功率半导体大致可分为功率半导体分立器件(包括功率模块)和功率半导体集成电路两大类。按照器件结构，现有的功率半导体分立器件可分二极管、功率晶体管、晶闸管等，其中功率晶体管分为双极性结型晶体管（bjt，俗称三极管）、结型场效应晶体管（jfet）、金属氧化物场效应晶体管（mosfet）和绝缘栅双极晶体管（igbt）等。
2igbt的概念
igbt是由bjt和mosfet组成的功率半导体器件，它的控制极为绝缘栅场效应晶体管，输出极为双极型功率晶体管，因而兼有两者速度和驱动能力的优点，克服了两者的缺点。igbt可以在各种电路中提高功率转换、传送和控制的效率，实现节约能源、提高工业控制水平的目的，，被业界誉为电力电子装置的“cpu”，广泛应用于工业控制、轨道交通、白色家电、新能源发电、新能源汽车等领域。
3igbt内部结构及工作原理
一般，igbt有三个端子：集电极、发射极和栅极，他们都是附有金属层。但是，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。igbt结构其实就相当于是一个四层半导体的器件。四层器件是通过组合pnp和npn晶体管来实现的，它们构成了p-n-p-n排列。
igbt的工作原理其实是通过不断激活和停用其栅极端子来开启、关闭实现的。如果正输入的电压通过栅极，发射器就会保持驱动电路开启。另一方面，如果igbt的栅极端的电压为零或者为负时，则就会关闭电路应用。
4主要产品形式
依产品结构形式不同，igbt有单管、igbt模块和智能功率模块ipm三种类型。igbt单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器及小功率变频器等领域；igbt模块主要应用于大功率工业变频器、电焊机、新能源汽车（电机控制器、车载空调、充电桩）等领域（当前市场上销售的多为此类模块化产品）；智能功率模块ipm主要在变频空调、变频洗衣机等白色家电领域有广泛应用。
根据应用场景的电压不同，igbt有超低压、低压、中压和高压等类型，其中新能源汽车、工业控制、家用电器等使用的igbt以中压为主，而轨道交通、新能源发电和智能电网等对电压要求较高，主要使用高压igbt。
二igbt技术发展历史
从20世纪80年代至今，igbt芯片经历了7代升级，从平面穿通型(pt)到沟槽型电场-截止型(fs-trench)，芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化，断态电压也从600v提高到6500v以上。目前市场上应用最广泛的仍是igbt第4代工艺产品。igbt技术的整体发展趋势是大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化、高可靠性。
三igbt市场规模及竞争情况
1igbt全球市场规模
近年来，全球igbt市场规模保持连年增长的趋势，根据markets and markets数据，全球igbt市场规模从2012年的32亿美元增长至2021年的70.9亿美元，年均复合增长率为6.6%，2021年，全球igbt的市场规模为70.9亿美元，同比增长6.6%。
从应用领域来看，工业控制和新能源汽车是igbt需求最大的两个下游领域，分别占比为37%和28%，其次是新能源发电和家电变频市场，需求占比分别为9%和8%。2020年以来，新能源汽车需求明显提速，2021年较2020年需求占比提升19%，是igbt主要的增量需求来源。
2igbt国内市场规模
随着全球制造业向我国的转移，我国已逐渐成为全球最大的igbt市场。相关数据显示，2016-2021年，我国igbt产量及需求量均呈现连年增长的趋势，2021年，我国igbt的需求量为13000万只，同比增长20.00%；生产量为2580万只，同比增长27.72%；产需差值为10620万只。2021年，我国igbt市场规模约为218.75亿元，同比增长37.23%。近年来，我国积极践行“碳达峰、碳中和”发展战略，在各行业推行节能减排目标，不断优化调整能源使用结构，大力发展新能源产业，叠加工业自动化进程加快，我国对于igbt的市场需求不断扩大。预计到2025年，我国igbt市场规模将达到600亿元左右。
3igbt竞争格局
从全球市场竞争格局来看，欧美日厂商资金实力雄厚、技术水平领先、产业经验丰富，凭借先发优势抢占了全球功率半导体绝大多数的市场份额，并且一直保持较大的领先优势。国内厂商在全球竞争中不具备优势，所占市场份额较低。在国内市场竞争格局中，国际大厂仍占据绝大部分市场份额，国产化率低于20%。
根据yole相关数据统计，全球igbt的市场集中度较高，行业cr3达到51%。其中，英飞凌、三菱、安森美三家企业的市场占比分别为27%、14%、10%，在全球igbt市场竞争格局中位列前三名；士兰微是我国唯一进入全球前十的品牌，其市场占比约为3%。
4中国igbt芯片企业产品布局
中国igbt芯片行业代表性企业从技术格局来看，斯达半导应用第七代igbt技术，电压覆盖范围为100-3300v；华微电子布局第六代igbt技术，电压覆盖范围为360-1350v；士兰微、时代电气、宏微科技应用第五代igbt技术；新洁能主要应用第四代igbt技术。
从igbt芯片产品主要应用领域来看，时代电气、斯达半导两家企业覆盖领域较广，时代电气igbt芯片主要应用领域覆盖了轨交、车载、光伏、风电、工控等，斯达半导igbt芯片主要应用领域覆盖车载、光伏、风电、工控、家电等。
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功率半导体大致可分为功率半导体分立器件(包括功率模块)和功率半导体集成电路两大类。按照器件结构，现有的功率半导体分立器件可分二极管、功率晶体管、晶闸管等，其中功率晶体管分为双极性结型晶体管（bjt，俗称三极管）、结型场效应晶体管（jfet）、金属氧化物场效应晶体管（mosfet）和绝缘栅双极晶体管（igbt）等。
2igbt的概念
igbt是由bjt和mosfet组成的功率半导体器件，它的控制极为绝缘栅场效应晶体管，输出极为双极型功率晶体管，因而兼有两者速度和驱动能力的优点，克服了两者的缺点。igbt可以在各种电路中提高功率转换、传送和控制的效率，实现节约能源、提高工业控制水平的目的，，被业界誉为电力电子装置的“cpu”，广泛应用于工业控制、轨道交通、白色家电、新能源发电、新能源汽车等领域。
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一般，igbt有三个端子：集电极、发射极和栅极，他们都是附有金属层。但是，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。igbt结构其实就相当于是一个四层半导体的器件。四层器件是通过组合pnp和npn晶体管来实现的，它们构成了p-n-p-n排列。
igbt的工作原理其实是通过不断激活和停用其栅极端子来开启、关闭实现的。如果正输入的电压通过栅极，发射器就会保持驱动电路开启。另一方面，如果igbt的栅极端的电压为零或者为负时，则就会关闭电路应用。
4主要产品形式
依产品结构形式不同，igbt有单管、igbt模块和智能功率模块ipm三种类型。igbt单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器及小功率变频器等领域；igbt模块主要应用于大功率工业变频器、电焊机、新能源汽车（电机控制器、车载空调、充电桩）等领域（当前市场上销售的多为此类模块化产品）；智能功率模块ipm主要在变频空调、变频洗衣机等白色家电领域有广泛应用。
根据应用场景的电压不同，igbt有超低压、低压、中压和高压等类型，其中新能源汽车、工业控制、家用电器等使用的igbt以中压为主，而轨道交通、新能源发电和智能电网等对电压要求较高，主要使用高压igbt。
二igbt技术发展历史
从20世纪80年代至今，igbt芯片经历了7代升级，从平面穿通型(pt)到沟槽型电场-截止型(fs-trench)，芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化，断态电压也从600v提高到6500v以上。目前市场上应用最广泛的仍是igbt第4代工艺产品。igbt技术的整体发展趋势是大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化、高可靠性。
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1igbt全球市场规模
近年来，全球igbt市场规模保持连年增长的趋势，根据markets and markets数据，全球igbt市场规模从2012年的32亿美元增长至2021年的70.9亿美元，年均复合增长率为6.6%，2021年，全球igbt的市场规模为70.9亿美元，同比增长6.6%。
从应用领域来看，工业控制和新能源汽车是igbt需求最大的两个下游领域，分别占比为37%和28%，其次是新能源发电和家电变频市场，需求占比分别为9%和8%。2020年以来，新能源汽车需求明显提速，2021年较2020年需求占比提升19%，是igbt主要的增量需求来源。
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