IGBT為什么被稱為電力電子行業的“CPU”

來源：江蘇芯鉆時代電子科技有限公司 2022年10月18日 13:31

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），又稱為絕緣閘極雙極性電晶體。

IGBT歸類在功率半導體元件的電晶體領域。

功率半導體元件（電晶體領域）除了IGBT之外，還有MOSFET、BIPOLAR等，這些都能用來作為半導體開關。

IGBT是一種適合高電壓、大電流應用的理想晶體管。IGBT的額定電壓范圍為400V至2000V，額定電流范圍為5A至1000A，IGBT廣泛用于工業應用（例如，逆變器系統和不間斷電源（UPS））、消費類應用（例如，空調和電磁爐），以及車載應用（例如，電動汽車（EV）電機控制器）。

IGBT大約占電機驅動系統成本的一半，占到整車成本的5％，是整部電動車成本第二高的元件（成本第一高的是電池）。毫不夸張地說，這就是電動車領域的“核心技術”。

從結構上講，IGBT主要有三個發展方向：

1、IGBT縱向結構：非透明集電區NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區NPT型和FS電場截止型；

2、IGBT柵極結構：平面柵機構、Trench溝槽型結構；

3、硅片加工工藝：外延生長技術、區熔硅單晶；

按照封裝工藝來看，IGBT模塊主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標準焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現了很多新技術，如燒結取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

隨著IGBT芯片技術的不斷發展，芯片的最高工作結溫與功率密度不斷提高，IGBT模塊技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術將圍繞“芯片背面焊接固定”與“正面電極互連”兩方面改進。

IGBT的主要應用領域

作為新型功率半導體器件的主流器件，IGBT已廣泛應用于工業、4C（通信、計算機、消費電子、汽車電子）、航空航天等傳統產業領域，以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。

1、新能源汽車

IGBT模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用，是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10％，占充電樁成本約20％。IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面：

電動控制系統大功率直流／交流（DC／AC）逆變后驅動汽車電機。

車載空調控制系統小功率直流／交流（DC／AC）逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。

充電樁智能充電樁中IGBT模塊被作為開關元件使用。

2、智能電網

IGBT廣泛應用于智能電網的發電端、輸電端、變電端及用電端：

從發電端來看，風力發電、光伏發電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。

從輸電端來看，特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術需要大量使用IGBT等功率器件。

從變電端來看，IGBT是電力電子變壓器（PET）的關鍵器件。

從用電端來看，家用白電、微波爐、LED照明驅動等都對IGBT有大量的需求。

3、軌道交通

IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術是現代軌道交通的核心技術之一，在交流傳動系統中牽引變流器是關鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。

海外大廠占據主要市場，中國企業追趕空間大

IGBT市場英飛凌市占率高，2020年斯達半導躋身IGBT模塊市場前六。根據Omdia數據，2020年IGBT分立器件市場及IGBT模塊市場規模前三的企業均為英飛凌、富士電機及三菱。其中英飛凌IGBT市場市占率大，IGBT分立器件和IGBT模塊的市占率分別為29.3%和36.5%。

在IGBT分立器件市場中，中國企業士蘭微進入十，2020年份額為2.6%；在IGBT模塊市場中，2020年斯達半導躋身第六，市場額為3.3%。

預計2025年我國新能源汽車IGBT市場規模或將達到385億元，2019-2025年CAGR達到33.8%。根據國際清潔交通委員會預測，2025年新能源汽車成本平均保持在13800-17600美元之間（取均值16150美元），2030年新能源汽車成本平均保持在12100-16500美元之間（取均值14300美元）。若按照IGBT模塊占整車成本約4%計算，2025年我國新能源汽車IGBT市場規模或將達到385億元，2019-2025年CAGR達33.8%。2030年我國新能源汽車IGBT市場規模或將達到575億元，2019-2030年CAGR達21.6%。

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