《电子技术应用》

中国IGBT市场现状分析及全球市场规模预测

2017/1/8 5:00:00

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, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

据博思数据发布的《2016-2022年中国IGBT功率模块市场分析与投资前景研究报告》:2020年功率半导体全球市场规模有望达231亿美元。2014年-2020年,平均增长率为6.4%。到2020年,市场规模有望是2014年的1.5倍。2020年以来,工业和汽车方面的需求将带动市场发展,到2025年,功率半导体全球市场规模达339亿1000万美元,2020 年-2025年间,年平均增长率将达到8.0%。

工业领域,新能源、UPS、铁路方面的功率半导体需求增加。日本、美国的光伏发电需求旺盛,风力发电欧洲的需求较大。此外,工业用机器人、半导体生产设备等业务发展形势较好,Servo电动机用IPM增加。铁路方面,除中国市场以外,东南亚、印度、南美方面的投资较多。

在新能源、节能环保“十二五”规划等一系列国家政策措施的支持下,国内IGBT的发展获得巨大的推动力,市场持续快速增长。2015年,国内IGBT市场规模达94.8亿元。

2020年以后,东南亚和中南美地区的电力设备等基础设施投资有望变得活跃。因此,耐压3.3kv以上的IGBT模块的出货量有望增加。

IGBT技术不断发展,其结构和工艺技术也发生了较大的变化。IGBT的结构发展经历了穿透型(PT)、非穿透型(NPT)以及场终止型(TFS)。随着结构的不断升级,其产品技术特性也得到了不断发展,从在穿透型的IGBT升级到具有更快关断速度、开关损耗更低以及更加耐用的非穿透型,再到芯片更薄、导通损耗更低以及开关损耗更低的场终止型。同时,功率器件模块化技术也在不断提升,伴随着以MOS结构为基础的半导体器件技术的成熟,设计者将功率器件芯片与控制电路、驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护以及自诊断电路组合起来,密封装在同一绝缘外壳内,这种将芯片与辅助电路组装在一起的电路结构叫做智能化功率半导体模块(IPM),是现阶段的发展热点。

而在未来随着新技术、新材料以及新工艺的不断涌现,CAD设计、离子注入、MOCVD、多层金属化、纳米级光刻等先进工艺技术应用到功率器件中,IGBT设计技术将不断得到推动和提升。通过与这些技术紧密结合,IGBT的集成化趋势更加明显,将逐步向“IGBT子系统”方向发展。另外,新材料的应用也将不断成熟,掺As缓冲层IGBT以及SiC IGBT将成为未来IGBT的重要发展发向,以促使产品更加适应高频、高速、高压以及高功率的应用。

IGBT技术的发展目标是:大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化和高可靠性。传动领域(如电力牵引机车)和智能电网领域都需要大功率IGBT的应用,英飞凌、东芝、三菱、西门子等公司高压IGBT器件已可做到6.5 kV,ARPA.E(先进能源研究计划署)更是推出了SiC.IGBT模块,电压能达到15 kV。

一段时间以来,IGBT的工作频率限制在50 kHz以下,而许多开关电源需用到更高的频率,而高频领域基本是功率MOSFET的天下。英飞凌生产的High Speed 3 1.2 kV IGBT的开关工作频率可达60 kHz。美国IR公司(WARP系列)和APT公司(GT系列)600 V IGBT器件,其硬开关工作频率可达150 kHz,谐振逆变软开关电路可达300 kHz。其开关特性已接近功率MOSFET.而电流密度则为MOSFET的2.5倍,即相同电流时其硅片面积大大减小,因此成本有所降低。

IGBT芯片发展趋势是:薄片工艺.主要是减少热阻,减小衬底电阻从而减小通态损耗 、管芯,主要是提高器件电流密度,十余年来管芯面积减少了2/3;大硅片,硅片由5英寸变为12英寸。面积增加了5.76倍.折算后每颗芯粒的成本可大为降低;新材料,主要以SiC和GaN宽禁带半导体材料为代表。

IGBT产业的发展一直在寻找成本和性能的平衡点。目标是寻找最合适的产品及最低的成本,而对于最合适产品的定义是.特性满足客户需求且特性针对应用裕量足够。对于成本控制要求严格的市场,不断探索降低成本的关键.涉及代工厂选址及一些成本控制。而对于价格不是很敏感的市场,则是不断优化器件特性,发展最前沿技术,重心放在产品质量和可靠性上。

节能减排,低碳经济势必推动功率半导体市场的繁荣,而IGBT是功率半导体的技术前沿。未来几年全球IGBT市场规模将成稳步上升的趋势,预计到2022年全球IGBT市场规模将达到80.2亿美元,电动汽车与新能源产业将是全球IGBT产品需求增长的重要推动力。


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