无所不能的IGBT

在碳中和、碳达峰背景下，变频器在冶金、煤炭、石油化工等工业领域的应用范围将不断扩大。
文/每日财报 刘雨辰
功率半导体器件作为不可替代的基础性产品，广泛应用于工业控制、新能源发电和电能质量管理、汽车电子和汽车充电桩等领域。今天要介绍的就是功率器件中应用范围最广的元器件——IGBT。

工业万金油

IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOSFET（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。正因如此，IGBT的应用非常广泛。
工控领域是IGBT的重要应用场景。
根据Trendforce统计，2018年我国IGBT下游应用领域中，新能源汽车、消费电子以及工业控制是最主要的应用领域，占比分别为31%、27%以及20%。IGBT 在工业控制领域应用场景主要包括变频器、逆变焊机以及UPS电源等。

变频器能够对运行状态下设备的电流频率进行调节，从而降低设备运行能耗，达到节能的效果。根据英威腾官网披露的信息，抽油机起动初始状态要求拖动电 机的起动力矩是抽油机实际负载的3-4倍。起动力矩适用则负载功率必然匹配不佳，运行负载功率远小于电机的额定功率，会出现所谓的“大马拉小车” 现象。过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采电费成本居高不下，能源浪费严重。通过对抽油机进行变频改造，可实现 30%以上的节电率。
在碳中和、碳达峰背景下，变频器在冶金、煤炭、石油化工等工业领域的应用范围将不断扩大。同时我国城市化进程的加快也推动变频器在市政、轨道交通等公共事业领域的需求持续增长。
逆变电焊机是IGBT在工业领域的又一重要应用。
根据中国电器工业协会数据，2019年我国电焊机产量为950.06万台，同比增加96.76万台，电焊机市场的持续升温将进步推动IGBT需求量的不断增长。同时，逆变式弧焊电源凭借优异的电源特性在电焊机市场持续渗透，推动逆变式弧焊电源的应用市场规模逐步扩大。预计到2025年，我国逆变焊机市场规模将达414亿元，2020-2025年年均复合增速为7.22%。假设逆变电焊机行业平均毛利率为30%，IGBT在逆变电焊机成本比重为10%，则2025年我国逆变焊机用 IGBT市场规模将达29亿元。
UPS电源是一种含有储能装置的不间断电源，主要用于对电源稳定性要求较高的设备提供不间断的电源。使用UPS电源为计算机系统供电，可以有效避免由于电网突然断电导致计算机系统数据丢失问题的发生，对计算机系统以及现代化设备的稳定运行具有重要意义。
根据前瞻产业研究院数据，我国UPS电源2025年预计市场规模为191亿元，2020-2025 年年均复合增速为12.97%。假设UPS电源行业平均毛利率为30%，IGBT在UPS电源成本占比为15%，那么到2025年我国UPS电源用IGBT市场规模将达20亿元。

本土双雄

国内从事 IGBT业务的企业不少，但以IGBT产品为主营业务的企业主要就是斯达半导和宏微科技。
IGBT壁垒高，主要是芯片难度大。IGBT芯片由于其工作在大电流、高电压、高频率的环境下，对芯片的可靠性要求较高，同时芯片设计需保证开通关断、抗短路能力和导通压降（控制热量）三者处于均衡状态，芯片设计与参数调整优化十分特殊和复杂。IGBT芯片设计是功率半导体器件产业链中对研发实力要求很高的环节，国内仅有少数企业的技术实力逐步赶上国际主流先进企业水平。
斯达半导是国内IGBT龙头，根据2020年国际著名研究及咨询机构IHS最新研究报告，斯达半导体股份有限公司在全球IGBT模块市场排名第七，是唯一一家进入全球前十的中国企业。2020年，公司近95%的收入来自IGBT。

2011年，为摆脱国外供应商依赖，实现核心芯片自主供应，公司成功独立研发出了平面栅NPT型IGBT芯片，并于2012年实现量产。2015年，公司成功独立研发出了最新一代沟槽栅场截止FS-Trench 型IGBT芯片，与市场主流的进口芯片性能相当，并于2016年底实现量产。
作为国内目前产品线最全的IGBT供应商，斯达半导能够提供从600V-3300V电压范围的 IGBT模块，以及平面型、FS-Trench 型等多种IGBT产品，满足不同市场客户需求。从客户与品牌端来看，公司下游客户涵盖汇川、英威腾、上海电驱动等优质客户，报告期内斯达半导共配套超过20万辆新能源汽车，配套国内市占率达到 14.6%，在国内居于领先地位，品牌优势与客户认可度凸显。
宏微科技成立时间稍晚于斯达半导，但也是国内第一批IGBT公司，产品涵盖IGBT、FRED芯片及单管产品100 余种，IGBT、FRED、整流二极管及晶闸管等模块产品400余种。其中IGBT单管芯片全部来自自研，模块产品芯片自研外购并举，IGBT、FRED芯片相关技术指标与行业领袖英飞凌同规格产品关键参数较为接近，处于行业先进水平。
从下游应用领域的分布来看，产品主要用于工控领域并开始布局新能源。
2020年公司来自工业控制、新能源及变频白色家电领域收入分别为3.02亿元、1866.83万元以及812.79万元，占收入比重分别为91.10%、5.63%以及2.45%。
工控领域，公司主要客户包括台达集团、汇川技术、合康新能等多家变频器行业领军企业，以及佳士科技、奥太集团、上海沪工等多家知名电焊机行业企业。2020年2月，宏微科技与华为技术签订了《关于光伏 IGBT 产品的合作协议》，合同期限至2025年12月31日。中国企业在全球光伏逆变器市场占据主导地位，华为市占率全球第一。2020年全球逆变器出货量排名前10的厂商中有6家中国企业，光伏逆变器对IGBT芯片可靠性要求严苛，公司产品获华为认可，有望进一步打开其他国内企业市场空间。
在碳中和及节能减排的推动下，IGBT需求将进一步扩张，作为电能转换核心器件，IGBT国产化替代迎来黄金发展期。