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IGBT（绝缘栅双极晶体管）是目前发展最快的功率半导体器件之一，广泛应用于轨道交通、智能电网、汽车工业和新能源装备等领域，具有高输入阻抗和低导通压降等优点。IGBT模块同时具备节能、安装方便、维护方便、散热稳定等特点。作为能量转换和传输的核心装置，IGBT也是新能源汽车电机驱动部分最核心的元件。
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本期内容，我们主要聚焦在功率半导体的国产化。总体来看，高端IGBT自给率偏低，但随着第三代半导体发展即在材料创新方面，有望创造出弯道超车的机会。
功率半导体被称为是“电力电子装置的CPU”，用途包括功率转换、功率放大、功率开关、逆变、整流等。同一产品里，不同零部件所需的电压、电流的工作条件不尽相同，因此需要将直流电转换为交流电，或者进行电压调整。 此外，功率半导体还决定着新能源汽车的节能性能，当功率半导体的性能提高，损耗将随之减少，可以以更少的电量驱动电气产品。这也是为什么实现碳达峰、碳中和，就一定要发展功率半导体的重要原因。
国产IGBT自给率偏低
目前功率半导体市场仍由硅基器件主导，包括功率MOSFET、超结功率MOSFET和IGBT等，具体主要分为以新能源汽车和工业控制为代表的高功率应用场景，和以消费类电子产品为代表的中低功率应用市场。
根据Yole的数据，2022年全球IGBT的市场规模约为68亿美元，受益于新能源汽车、工业控制等领域的需求增加，预计2026年全球IGBT市场规模将增至84亿美元。
中国是全球最大的IGBT消费市场，份额约占全球总消费市场的40%，到2025年，我国IGBT的市场规模有望超过500亿元。其中，新能源汽车IGBT已在2020年成为国内IGBT第一大应用领域，占比约三分之一。在新能源汽车领域，IGBT主要用于电池管理系统、电机控制系统、空调压缩机系统、OBC以及PTC等。
值得注意的是，IGBT市场大部分份额由英飞凌、富士电机、三菱等外资主导，国内自给率较低。尤其在新能源汽车IGBT领域，国外厂商龙头地位凸显。以英飞凌为例，其在国内的装机量占比4成以上。制造工艺方面，英飞凌等几家头部公司已经实现第七代微沟槽栅型IGBT的量产。相比之下，本土厂商的车规级IGBT产品尚存在代差。
图片来源：盖世汽车
从装机量来看，比亚迪半导体、斯达半导、中车时代电气三家公司算得上本土厂商排名靠前者。尤其在车规级IGBT模块出货上，比亚迪半导体近两年一直维持着全球第二、国内第一的地位。在国内市场，其IGBT模块份额逼近英飞凌。
比亚迪自研IGBT最早要追溯到2005年，当时比亚迪第六事业部成立了IGBT部门，这也是其正式进军汽车行业之后的重要规划之一。2008年，比亚迪以1.8亿元收购了宁波中纬半导体公司，砍掉原本的代工业务，开始了IGBT的自研之路。一年后，比亚迪推出了国内首款自主研发的“IGBT 1.0”芯片，此后十多年里比亚迪一直坚持迭代更新。2022年，比亚迪推出“IGBT6.0”高端车规芯片，采用90nm工艺制造，相较同类产品在工艺成熟度、芯片可靠性以及耐用性上都取得了重大突破。
斯达半导在2021年就推出了对标英飞凌第七代芯片的微沟槽车规级FS-Trench型IGBT 。2023年上半年，斯达半导生产的用于主电机控制器的车规级IGBT模块持续放量，合计配套超过60万辆新能源汽车，其中A级及以上车型超过40万辆。
斯达半导成立于2005年，自成立之初便专攻IGBT模块开发，并在2007年成功推出第一款IGBT模块。之后为了摆脱对国外供应商的依赖，实现核心芯片自主供应，公司又独立研发出了平面栅NPT型IGBT芯片，并于2012年实现量产。到2017年，斯达半导IGBT模块市场份额首次进入全球前十，中国市场排名第一。
中车时代电气在2017年切入车规级IGBT市场，并于2022年获得法雷奥定点，向其供应电驱系统IGBT模块，该项目周期4年，2023年开始量产，总交货量预计将超过250万台。
说到中车时代电气，就不能不提高铁缺芯的那段往事。仅高铁领域，我国此前每年就需进口约10万颗IGBT芯片，金额高达12亿元。所以2008年，中车株洲电力机车研究所（中车时代电气的其前身及母公司，2016年完成更名）以约1672万加元（按当时汇率合1.09亿人民币）成功收购英国功率半导体厂商Dynex Power Inc.（丹尼克斯）75%的股权。这笔交易也预示着中国高铁将用上国产IGBT芯片，彻底摆脱进口依赖。2014年，株洲所建成了世界第二条8英寸IGBT生产线，并顺利投产，实现了高铁IGBT的国产化。此后，国产高压IGBT开始争夺海外巨头的市场份额。到2017年，中车时代电气正式进入车规级IGBT市场。2019年其全面收购了Dynex。
值得一提的是，11月14日，长城汽车官方宣布，其自研自产的IGBT功率模块已在哈弗枭龙MAX上完成装车。自此芯片“卡脖子”不再是问题，长城汽车的终端供应链也将更加稳定。据悉，该IGBT芯片从研发立项到技术落地，仅用了14个月时间，再度刷新了中国汽车半导体行业的全新标准。
可以看到，车规级IGBT市场虽仍被外资主导，但本土厂商亦在积极布局。而且随着新能源汽车渗透率不断提高，高压平台逐步普及，大功率IGBT越来越成为刚需。前段时间，工信部正式更新了2015年版国标方案，将直流充电最大充电电流从250A提高到800A、充电功率提升至800kW。与此同时，功率半导体产业也正在加速向更高价值量的新一代半导体升级。
这里面，蕴藏着更大的国产替代空间。
三代半：国产超越的加速器
相比硅基，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体技术因耐高压、耐高温、高频等特点，得以在新能源汽车、消费类电子领域快速渗透。根据盖世汽车研究院数据，在电气化趋势下，汽车功率半导体的单车价值量增长最多。传统燃油车中功率半导体的价值量为88美元/辆，而纯电动车功率半导体价值量高达350美元/辆，甚至更高。
简单理解，当电池容量相同时，相比同级别IGBT，SiC可以相对延长续航；或者以更小的电池可以达到相同的续航里程，进而降低系统成本。从市场数据来看，在峰值功率上，硅基IGBT模块可以达到560KW，而SiC做到了800KW；峰值效率上，IGBT可以达到98%，SiC则能达到99.5%。
在相同条件下，800V SiC功率器件的开关和导通损耗也都可以做到更低。比如，当把器件的开关频率从10kHz提高到40kHz时，SiC增加的损耗相对有限，而硅基IGBT的损耗可能会有接近3倍的增长。因而最近几年新能源车企争相在SiC领域展开布局与定点合作。
集邦咨询数据显示，电动汽车是SiC功率器件的第一大应用市场，2022年规模达到10.9亿美元，占整体SiC功率器件市场产值约67.4%。本土厂商方面，三安光电、天科合达、天岳先进都已实现SiC晶棒和衬底的量产。SiC器件方面，比亚迪半导体、三安光电等均步入量产阶段。
图片来源：TrendForce
2023年，国内多家SiC企业都迎来了新的产品及产线进展。
比如，基本半导体的车规级SiC芯片产线正式通线；斯达半导自主的车规级SiC MOSFET芯片顺利开展，预计年内SiC MOS模块将向主电机控制器客户批量供货。此外，士兰微用于汽车主驱的SiC模块也已经向部分客户送样。而前面提到的三安光电，其车规级1200V MOSFET芯片已在战略客户处进行模块验证，预计2024年量产。
客户方面，比亚迪半导体背靠比亚迪，在市场方面一骑绝尘；斯达半导主要配套东风汽车、长城汽车、奇瑞汽车等客户；三安光电则已经进入吉利汽车、广汽集团的供应链体系。从应用市场看，车用SiC市场尽管目前规模尚小，但增长潜力巨大。
其中关键一点在于，OEM出于国产化替代、供应链安全自主可控的考虑，正纷纷培养自主半导体产业，通过投资或者合资方式发展第三代半导体，另外还有部分OEM选择自研。但无论哪一种，都有利于本士功率半导体的快速发展。
图片来源：The Information Network
值得注意的是，价格依然是现阶段限制SiC增长的首先因素。目前6英寸SiC晶圆的的价格大约是750～900美元/片，而8英寸晶圆的价格约为1300～1800美元/片。相比之下，一片6英寸硅晶圆价格不到100美元。博世此前就曾指出，受限于SiC的价格，2030年前，400V平台仍可能占据较主流的地位。
因此除了积极推进产品的产业化与商业化，本土SiC企业也在不停追赶更先进的8英寸工艺节点，期望打下SiC衬底的价格。可以预见，随着上下游加深合作，或许能够为本土SiC企业创造出弯道超车的机会。
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