中國IGBT行業發展現狀及發展前景分析【圖】
目前,我國IGBT行業競爭群組分為三類,中高端產品被歐美、日韓占據,國內企業占據中低端IGBT產品少部分市場份額。
我國IGBT行業進口產品主要是日本和歐美品牌,主要的品牌有英飛凌、三菱、FUJI、ABB、IR、東芝(IGBT已與三菱合并)、飛兆等,歐美品牌的產品主要用在電力電子和通訊行業,而日本的品牌主要用于電磁爐、變頻空調、冰箱、洗衣機等家電類居多。英飛凌的IGBT單管也在家電類產品中占有一席之地,而三菱的IGBT模塊在也開始大量應用于軍工、電力電子等行業。
我國IGBT行業品牌競爭格局
資料來源:智研咨詢整理
一、2015-2017年中國IGBT行業發展現狀分析
我國IGBT行業發展至今,已取得較大進展,雖然仍需大量進口,但已有一部分企業具備規模化生產能力。2010年我國IGBT功率電器模塊產量為190萬只,2017年增長至820萬只。
2010-2017年中國IGBT行業產量
資料來源:智研咨詢整理
IGBT是一種復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,為世界公認的電力電子第三次技術革命的代表性產品,具有高頻率、高電壓、大電流,易于開關等優良性能,被業界譽為功率變流裝置的“CPU”。近年來,隨著國民經濟的快速發展,功率半導體技術已經日益廣泛地應用于日常消費品、工業制造、電力輸配、交通運輸、航空航天、可再生能源及軍工等重點領域,只要涉及到用電的各種場合,就離不開以功率半導體為核心的電力電子技術的應用。“目前,中國是世界上最大的功率半導體器件消費國,但作為產業鏈高端的功率芯片則全部依賴進口,這勢必影響國民經濟的安全、可持續發展。
我國IGBT技術取得一定突破,應用需求巨大。IGBT芯片技術方面,中國南車建成全球第二條、國內首條8英寸IGBT芯片專業生產線,具備年產12萬片芯片、并配套形成年產100萬只IGBT模塊的自動化封裝測試能力,芯片與模塊電壓范圍實現從650V到6500V的全覆蓋。成功實現首批8英寸1700V IGBT芯片下線,8英寸3300V芯片已完成試制與測試,6500V芯片也已研發出合格樣品。IGBT模塊技術方面,封裝IGBT模塊所用芯片大多由英飛凌、ABB等國外公司提供,只有極少量的芯片由國內生產,國產IGBT芯片年產值不到1億元。但我國卻是全球最大的功率半導體消費市場,占全球市場的40%以上,未來一段時期仍將保持15%以上的速度增長,市場潛力巨大。
在新能源、節能環保“十二五”規劃等一系列國家政策措施的支持下,國內IGBT的發展獲得巨大的推動力,市場持續快速增長。2017年,國內IGBT市場需求達到了6680萬只。近幾年我國IGBT市場需求情況如下圖所示:
2010-2017年我國IGBT市場需求情況
資料來源:智研咨詢整理
二、2018年~2024年中國IGBT行業發展預測分析
隨著國內IGBT行業企業技術水平的不斷提高,行業企業產能的擴張,未來幾年我國IGBT行業面臨快速發展階段,預計到2024年我國IGBT行業產量將達到7820萬只。
2018-2024年中國IGBT行業產量預測
資料來源:智研咨詢整理
隨著國內新能源產業及物聯網領域的不斷發展,未來幾年國內IGBT行業需求將不斷增長,預計到2024年我國IGBT行業需求量將達到1.96億只。
2018-2024年中國IGBT行業需求情況預測
資料來源:智研咨詢整理
三、IGBT行業投資機會及趨勢
1、新能源汽車領域
近幾年來,各國都在大力推行新能源汽車的發展,而電動汽車的投入是最大的。截止到目前,已經有不少國家推出了禁止燃油車銷售時間表,其中最為激進的是挪威和荷蘭,他們要求2025年起禁止燃油車銷售;接下來是德國和印度,其中德國是2030年禁止銷售傳統內燃機汽車,而印度宣稱到2030年只賣電動汽車;法國計劃2040年開始全面停止出售燃油車;此外,中國和英國也十分可能會加入禁售行列。
IGBT在新能源汽車領域應用供不應求
可以說,各個大國都在強力推行新能源汽車的發展,目前業界也一致認為,電動化、智能化、網聯化和共享化是未來汽車的發展趨勢,而電動化平臺是這些技術的基礎。IGBT作為新能源汽車動力、電源系統中的核心器件,需求量瞬間變大。
由于IGBT的重要性和需求量的增加,使得不少廠商都紛紛涌入。就連三菱電機這個主要關注高鐵等電動機車領域內IGBT的廠商也看上了電動汽車IGBT這個“香餑餑”。
而且他們已經推出了針對汽車市場的通用型IGBT模塊解決方案:J系列和J1A系列。J系列TPM模塊采用了三菱電機獨有的壓注模式模塊封裝技術,是一種二合一IGBT模塊,具有很高的可靠性,適合汽車嚴酷的運行對IGBT高強度的壽命密切相關的要求,有650V/300A和600A兩款產品。J1系列EV PM采用了緊湊型Pin-fin結構模塊封裝,是一種六合一IGBT模塊,具有很高的功率密度,有650V/1200V、300A~1000A等數款產品,可覆蓋30kW~150kW的電機峰值功率要求,這也是三菱電機在中國市場力推的一個系列。
隨著未來電動汽車內部功率單元的集成度越來越高,IGBT電流密度將成為制約整車一體化結構設計的關鍵,而J1A系列EV-PM的6in1模塊封裝,可通過改進模塊內部構造和綁定線技術,以及底板冷卻結構,達到減少熱阻和封裝尺寸的目的,從而提高功率密度,滿足電動汽車的一體化設計需求。
三菱電機汽車級IGBT模塊的四大技術特點:
一是安全性。IGBT保護主要是對電流和溫度的保護。與傳統的間接保護方式不同,三菱電機采取了在硅片上集成溫度傳感器和發射極電流檢測,實現了快速、安全的過溫和短路檢測。
二是高功率密度。三菱電機采用了比競爭對手更加緊湊的封裝,是的功率密度更高。未來三菱電機還會繼續開發一些新的技術,利用同樣的封裝,改材料,增加IGBT的散熱性能,提高電流能力。此外,還可以借鑒現在新的材料,比如碳化硅,進一步提高電流密度。
三是高可靠性,故障率是10fit。
四是直接端子綁定技術(Direct Lead Bond,DLB)。其車載級的IGBT模塊使用DLB代替傳統的鋁綁定技術,增大了硅片接觸面積,熱力分布更均勻,降低了硅片的峰值溫度,降低熱應力。由于沒有傳統IGBT端子的兩個綁定點和焊接點,降低了脫落的可能性,提高了壽命期
2、軌道交通領域
IGBT 在軌交領域已經實現了技術突破和全面的國產化。2015 年 10 月 22 日,隸屬中國中車的永濟新時速電機電器表示,國內首個具有完全知識產權的 6500V 高鐵機車用 IGBT 芯片通過高鐵系統上車試驗,實現產品化應用。2016 年底,中車株洲電力機車研究所研發的 8 英寸 IGBT 高鐵控制系統成功中標印度機車市場,這是我國高鐵裝備核心器件首次獲得海外批量訂單。
動車組最核心的部件之一是“牽引變流器”,它負責將超高電流轉化為列車的動力。以 CRH3 為例,每輛列車裝有 4 臺牽引變流器,每臺搭載了 32 個 IGBT 模塊,共 128 個,這些 IGBT 模塊為整個列車提供了約 10 兆瓦的功率。
IGBT被譽為功率變流產品的“CPU”,是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式器件,具有易驅動、控制簡單、開關頻率高、導通電壓低、通態電流大、損耗小等特點。IGBT系統技術中最關鍵則是功率半導體器件的芯片技術。
IGBT(中文名全稱絕緣柵雙極型晶體管)是功率半導體器件第三次技術革命的代表性產品,由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式器件,具有驅動容易、控制簡單、開關頻率高、導通電壓低、通態電流大、損耗小等特點。它付出較小的功率就能控制高電壓和大電流,并且能夠根據實際需求進行變化,采用IGBT進行功率變換,能夠提高用電效率和質量,節能效果十分明顯,在家電領域,可比普通的變頻家電節電30%,在軌道交通、智能電網、航空航天、船舶驅動、新能源裝備等行業采用IGBT的大型功率變流裝置,節電和節能效果也十分明顯。因此IGBT被稱為功率變流產品的“CPU”、“綠色經濟之核”。據介紹,作為軌道交通牽引主流器件,3300伏等級的IGBT器件在大功率電力機車、城市軌道交通領域具有廣泛的應用前景,未來十年中國軌道交通牽引市場每年對3300伏等級的IGBT模塊需求量為10到20萬只/年,年市場容量15個億左右。
IGBT系統技術分為IGBT芯片技術、模塊封裝技術及應用測試技術三大部分。其中最關鍵的是IGBT芯片技術,以7200千瓦大功率交流電力機車用IGBT為例,一塊成人巴掌大小IGBT模塊內共有36塊指甲大小的芯片,每塊芯片并聯擺放5萬個被稱作為“元胞”的電子單元。這些“元胞”相當于IGBT的“細胞”,他們能夠在百萬分之一秒的時間內實現電流的快速轉化。而要在指甲大小上均勻刻畫5萬個細如發絲的“元胞”,對原材料的品質、溫度、濕度等環境的精確控制和掌握、無異于在“針尖上繡花”,因此, IGBT芯片技術被譽為功率半導體器件技術的“哥德巴赫猜想”,誰掌握了該項技術,誰就打開了通往IGBT系統集成技術的“阿里巴巴之門。”
由于我國IGBT技術及產業化發展較晚,加之技術門檻難度之高、投入之大,目前中國市場的IGBT產品基本依賴進口,國內有數家從事中小功率IGBT產品組裝企業,且未形成產業規模,在大功率IGBT模塊封裝技術上,也只有包括中國南車在內的少數企業所掌握,而在IGBT芯片技術及后期系統運用上,國內僅有中國南車獨家掌握。中國南車也因此成為國內唯一一家全面掌握IGBT芯片技術研發、模塊封裝測試和系統應用的企業。
作為城市軌道交通牽引主流器件,軌道交通用3000伏電壓等級IGBT芯片應用前景廣泛。
3、智能電網領域
以輸電端為例:“柔性直流輸電技術”是 20 世紀 90 年代發展起來的一種新型直流輸電技術,它將半控型電力電子器件升級為全控型電力電子器件(IGBT),具有響應速度快、可控性好、可向無源網絡供電、換流站間無需通信以及易于構成多端直流系統等優點,在可再生能源并網、分布式發電并網、孤島供電、城市配電網增容改造等領域具有獨特的優勢。柔性直流輸電技術可整合來自多個站點的清潔能源,通過大容量、長距離的電力傳輸通道,到達多個城市的負荷中心,為新能源或者分布式能源的并網提供有效的解決方案。
IGBT器件作為電壓控制型器件,具有容量大、損耗小、易于控制等優點,可使換流器拓撲結構更加簡單、損耗更小,因此成為高壓柔性直流輸電領域核心器件。近年來,我國長距離高壓柔性直流輸電領域發展迅猛,IGBT器件也因此具備十分廣闊的應用前景。
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