IGBT在新时代背景下迎来新一轮发展机遇

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 IGBT——硅基功率半导体核心

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率,有逆变和变频的作用。

在结构方面,IGBT比MOSFET多一层P+区,通过P层空穴的注入能够降低器件的导通电阻。随着电压的增大,MOSFET的导通电阻也变大,因而其传导损耗比较大,尤其是在高压应用场合中。相较而言,IGBT的导通电阻较小。

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IGBT多应用于高压领域,MOSFET主要应用在高频领域。从产品来看,IGBT一般应用在高压产品上,电压范围为600-6500V。MOSFET 的应用电压相对较低,从十几伏到1000V。但是,IGBT的工作频率比MOSFET低许多。MOSFET的工作频率可以达到1MHz以上,甚至几十MHz,而IGBT的工作频率仅有100KHz。IGBT集中应用在逆变器、变频器等高压产品。而MOSFET主要应用在镇流器、高频感应加热等高频产品。

1. IGBT市场格局

可以预计在2022年全球IGBT市场规模将达60亿美元,增量空间巨大。国外厂商已研发出完善的IGBT产品系列。其中,仙童等企业在消费级IGBT领域处于优势地位。近年来,随着IoT进程带来的数据量増加,对数据中心高性能化的要求越来越高。不仅服务器本身,包括进行主体电源稳定供给所不可欠缺的UPS等在内,系统整体的功耗量显著增加,进一步降低功耗已成为重要课题。半导体制造商ROHM新开发出兼备业界顶级低传导损耗※1)和高速开关特性的650V耐压IGBT※2)"RGTV系列(短路耐受能力※3)保持版)"和"RGW系列(高速开关版)",共21种机型。

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国产追赶仍需时间。中国功率半导体市场占世界功率半导体市场份额的50%以上,但在中高端MOSFET及IGBT器件中,90%依赖于进口。

 

2. IGBT应用广泛,新能源车是重要下游增长引擎

按电压分布来看,消费电子领域运用的IGBT产品主要在600V以下,如数码相机闪光灯等。1200V以上的IGBT多用于电力设备、汽车电子、高铁及动车中。动车组常用的IGBT模块为3300V和6500V。智能电网使用的IGBT通常为3300V。

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2.1. 新能源汽车

电机控制系统和充电桩是车用IGBT的主要增长点。电力驱动系统将电能转换为机械能,驱动电动汽车行驶,是控制电动汽车最关键的部分。IGBT在电力驱动系统中属于逆变器模块,将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。IGBT约占新能源汽车电机驱动系统及车载充电系统成本的40%,折合到整车上约占总成本的7~10%,其性能直接决定了整车的能源利用率。汽车半导体行业的认证周期长,标准非常严苛。一方面,汽车的大众消费属性使得它对IGBT的寿命要求比较高。另一方面,汽车面临着更为复杂的工况,需要频繁启停、爬坡涉水、经历不同路况和环境温度等,对IGBT是极为严苛的考验。

2.2. 轨道交通

在高铁短时间内将时速从零提升到300公里的过程中,需要通过IGBT来确保牵引变流器及其他电动设备所需要的电流、电压精准可靠。IGBT在轨道交通领域已经实现了全面的国产化。

2.3. 智能电网

IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端。从发电端来看,风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。从输电端来看,特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT功率器件。从变电端来看,IGBT是电力电子变压的关键器件。从用电端来看,家用LED照明等都对IGBT有大量的需求。

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