行业报告|半导体行业深度分析-新能源车快速发展，车规级 IGBT 国产 替代正当时

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【引言】

IGBT 市场空间广阔，海外巨头占据垄断地位。据 ASMC 研究显示，全球IGBT 市场规模预计在 2022 年达到 60 亿美元，全球 IGBT 市场规模在未来几年时间仍将继续保持稳定增长的势头。据英飞凌和斯达半导的年报数据推算，2020 年我国 IGBT 模块达百亿级市场空间，约占全球需求量的 40%。
新能源车的快速发展为 IGBT 带来广阔的增量市场。新能源车的加速能力、最高时速、能源效率主要看车规级功率器件的性能。硅基 IGBT 作为主导型功率器件，在新能源车中应用于电动控制系统、车载空调系统、充电桩逆变器三个子系统中，约占整车成本的 7%-10%，是除电池以外成本第二高的元件，也是决定整车能源效率的关键器件。

报告内容

1. IGBT 器件被誉为电力电子行业里的“CPU”，是现代电力电子产业的核心器件
1.1. IGBT 基本情况
电力电子技术是以电子（弱电）为手段去控制电力（强电）的技术，使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应不同用电装臵的不同需求。电力电子技术以电子学、电力学和控制论相互交叉结合为基础，研究电能的变换和利用，广泛应用于高压直流输电、电力机车牵引、交直流转换、电加热、电解等各种领域中。
电力电子器件是电力电子技术的核心。电力电子器件即功率半导体器件，也称为功率电子器件，是进行功率处理的半导体器件。典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大、功率管理等，是电力电子装臵的心脏。虽然功率器件在整台电力电子装臵中的价值通常不会超过总价值的 20%-30%，但对整机的总价值、尺寸、总量、动态性能、过载能力、耐用性和可靠性起着十分重要的作用。

IGBT 是现代电力电子器件中的主导型器件，被誉为电力电子行业里的“CPU”。IGBT 是Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写，即绝缘栅双极型晶体管，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品。IGBT 作为工业控制及自动化领域的核心元器件，能够根据信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的，被称为现代电力电子行业里的“CPU”，广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等众多领域。
IGBT 既有 MOSFET 的开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点，又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点，是电力电子领域较为理想的开关器件。IGBT 可以看做由 BJT（双极型晶体管）和 MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）组成的复合功率半导体器件。

1.2. IGBT 的分类
IGBT 在应用层面通常根据电压等级划分：
低压 IGBT：指电压等级在 1000V 以内的 IGBT 器件，例如常见的 650V 应用于新能源汽车、家电、工业变频等领域。
中压 IGBT：指电压等级在 1000-1700V 区间的 IGBT 器件，例如 1200V 应用于光伏、电磁炉、家电、电焊机、工业变频器和新能源汽车领域，1700V 应用于光伏和风电领域。
高压 IGBT：指电压等级 3300V 及以上的 IGBT 器件，比如 3300V 和 6500V 应用于高铁、动车、智能电网，以及工业电机等领域。
在产品层面通常根据封装方式分类：
IGBT 单管：封装规模较小，一般指封装单颗 IGBT 芯片，电流通常在 50A 以下，适用于消费、工业家电领域。 
IGBT 模块：是 IGBT 最常见的形式，将多个 IGBT 芯片集成封装在一起，功率更大、散热能力更强，适用于高压大功率平台，如新能源车、主流光伏、高铁等。 
功率集成（IPM）：指把 IGBT 模块加上散热器、电容等外围组件，组成一个功能较为完整和复杂的智能功率模块。

1.3. IGBT 技术发展历程及趋势
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。 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。
第一代：PT-IGBT，使用重掺杂的 P+衬底作为起始层，在此之上依次生长 N+ buffer，N- base外延，最后在外延层表面形成原胞结构，由于体内晶体结构本身原因造成“负温度系数”，各IGBT 原胞通态压降不一致，不利于并联运行，第一代 IGBT 电流只有 25A，且容量小速度低，目前已基本退出市场。
第二代：改进版 PT-IGBT，采用精细平面栅结构，增加一个“缓冲层”，在相同的击穿电压下实现了更薄的晶片厚度，从而降低了 IGBT 导通电阻，降低了 IGBT 工作过程中的损耗，提高了 IGBT 的耐压程度。

第三代：Trench-IGBT，采用 Trench 结构，通过挖槽工艺去掉栅极下面的 JFET 区，把沟道从表面变到垂直面，基区的 PIN 效应增强，栅极附近载流子浓度增大，提高了电导调制效应减小了导通电阻，有效降低导通压降及导通损耗。
第四代：NPT-IGBT，使用低掺杂的 N-衬底作为起始层，先在 N-漂移区的正面做成 MOS 结构，然后从背面减薄到 IGBT 电压规格需要的厚度，再从背面用离子注入工艺形成 P+集电极，在截止时电场没有贯穿 N-漂移区，因此称为 NPT“非穿通”型 IGBT。可以精准的控制结深而控制发射效率，尽可能地增快载流子抽取速度来降低关断损耗，保持基区原有的载流子寿命而不会影响稳态功耗，同时具有正温度系数特点。
第五代：FS-IGBT，采用先进的薄片技术并且在薄片上形成电场终止层，大大的减小了芯片的总厚度，使得导通压降和动态损耗都有大幅的下降，从而进一步降低 IGBT 工作中过程中的损耗。
第六代：FS-Trench-IGBT，是在第五代基础上改进沟槽栅结构，进一步增加芯片的电流导通能力，优化芯片内的载流子浓度和分布，减小了芯片的综合损耗。
第七代：微沟槽栅-场截止型 IGBT，沟槽密度更高，原胞间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现 5kv/us 下的最佳开关性能。

栅极结构方面：早期 IGBT 是平面栅结构，随着 Trench（干法刻槽）工艺的成熟，将平面型栅极结构变成垂直于芯片表面的沟槽型结构，IGBT 的本质是通过控制栅极与发射级之间的电压大小，从而实现对 IGBT 导通和截止状态的控制。当栅极-发射级电压≤0 时，IGBT 呈关断状态，当集电极-发射级电压≥0 且栅极-发射级电压＞阈值电压，IGBT 呈导通状态。沟槽型结构单元面积小、电流密度大、通态损耗降低约 30%，击穿电压更高。
纵向结构方面：早期是穿通型（PT）和非穿通型（NPT）结构。PT IGBT 是最早商业化生产的 IGBT，随着使用应用中电压等级越来越高，对 NPT 结构的基区宽带要求越来越宽，又有了在高压领域向穿通结构的回归。

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