在位于浙江嘉善的賽晶科技半導(dǎo)體廠區(qū)，一臺臺全自動化機器正在緊張運轉(zhuǎn)，半導(dǎo)體晶圓器件通過全自動化產(chǎn)線依次完成貼片、鍵合、注膠、塑封等步驟，變成一個個IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊。這些產(chǎn)品下線交付給客戶，有望緩解新能源汽車、光伏等領(lǐng)域IGBT芯片供應(yīng)吃緊的情況。此前有報道稱，IGBT芯片缺貨可能持續(xù)至明年上半年。

　　IGBT被稱為電力電子領(lǐng)域的“CPU”，是電動汽車、光伏、儲能核心元器件。近年來，在電動汽車、光伏等新能源產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動下，IGBT迎來新的發(fā)展高峰，我國也成為全球最大的IGBT需求市場。

　　當(dāng)前，IGBT供應(yīng)依然吃緊。業(yè)內(nèi)普遍認為，未來，隨著越來越多中國IGBT廠商的加入，將有更多高性價比的國產(chǎn)IGBT產(chǎn)品進入全球供應(yīng)鏈，從而緩解供應(yīng)短缺問題。

　　新能源汽車的“心臟”

　　IGBT與動力電池電芯并稱為電動車“雙芯”，是影響電動汽車性能的關(guān)鍵元器件。據(jù)了解，電動汽車所使用的IGBT數(shù)量高達上百顆，是傳統(tǒng)燃油車的7~10倍。其成本占整車成本的7%~10%。

　　IGBT是由雙極型三極管(BJT) 和 MOSFET 組成的復(fù)合式功率半導(dǎo)體器件，被稱為電力電子領(lǐng)域的“CPU”。“功率半導(dǎo)體的主要功能是進行能量轉(zhuǎn)換，包括調(diào)節(jié)電流、電壓、電頻、直流或交流等。IGBT可以在低損耗的情況下，輸出相對高的電流，非常適合大電流和高電壓同時存在的場景，例如新能源汽車、風(fēng)光儲充等。”復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院研究員雷光寅告訴《中國電子報》記者。車規(guī)級IGBT主要應(yīng)用在新能源汽車電機控制器和充電樁中。

　　盡管一塊IGBT模塊最小不過巴掌大小，卻是“驅(qū)動”電機控制器的命脈。電動汽車加速能力怎么樣、最高時速多少、能源效率如何，關(guān)鍵取決于IGBT。“新能源汽車需要電力來驅(qū)動，IGBT的作用就是分配電流到電機。當(dāng)我們深踩油門時，它就會分配更多的電流到電機上，使得電動機車加速更快。”比亞迪半導(dǎo)體功率半導(dǎo)體產(chǎn)品中心芯片研發(fā)總監(jiān)吳海平介紹說。

　　雷光寅表示，IGBT是電機控制器中最核心的元器件，占其整體成本的40%~50%。它通過高頻、高速、高壓的開關(guān)控制電流，為電動車提供動力。

　　除了電機控制之外，IGBT還應(yīng)用于電動汽車充電樁。雷光寅介紹：“來自電網(wǎng)的交流電，具有電壓高、電流大的特點，不適合直接給動力電池充電，需要經(jīng)過一系列整流、升壓、變頻的過程，轉(zhuǎn)換成符合要求的輸出功率，才能進行充電。這個過程離不開功率半導(dǎo)體的支持，IGBT能夠控制高電壓和大電流，確保電池充電速度和效率最大化。”

　　近年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)銷兩旺，成為IGBT最大的增量市場。中國汽車工業(yè)協(xié)會(以下簡稱“中汽協(xié)”)數(shù)據(jù)顯示，2022年，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)爆發(fā)式增長，產(chǎn)銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長約97%和93%。中汽協(xié)預(yù)測，2023年我國新能源汽車總銷量有望超過900萬輛。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年新能源汽車IGBT市場份額達39.7%，成為IGBT下游應(yīng)用最大的市場，預(yù)計到2025年份額接近49%。

　　“光儲熱”帶火IGBT

　　光伏逆變器是太陽能光伏系統(tǒng)的心臟，而IGBT是光伏逆變器的核心器件。近年來，光伏裝機規(guī)模的快速增長，推動逆變器需求的大幅提升，進一步打開IGBT市場。

來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會

　　光伏已成為我國可再生能源“第一名”。國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，今年3月，我國光伏累計裝機達到426GW，超越水電，成為可再生能源發(fā)電裝機第一，和繼煤電之后的全國第二大電源。中國光伏行業(yè)協(xié)會預(yù)測，2023年，我國光伏新增裝機量將達到95-120GW，全球新增裝機將達到280-330GW;到2030年，我國光伏新增裝機量將達到120-140GW，全球新增裝機將達到436-516GW。

　　賽晶科技相關(guān)負責(zé)人表示，當(dāng)前，“碳中和”已成為全球共識。為了達成這一目標，需要在發(fā)電、輸配電和用電等環(huán)節(jié)采取相關(guān)措施，以構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的綠色能源發(fā)展體系。而IGBT作為光伏逆變器的核心元器件，一定會受到這一市場發(fā)展的直接帶動。“今年電動車對IGBT需求進入到增長平緩期，但光風(fēng)儲(光伏、風(fēng)電、儲能)的需求依然非常旺盛，市場規(guī)模增長很快。”該負責(zé)人說。

　　據(jù)了解，光伏逆變器的主要作用是將光伏系統(tǒng)發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的交流電，最終并入電網(wǎng)。它的性能可以影響整個光伏系統(tǒng)的平穩(wěn)性、發(fā)電效率和使用年限。IGBT可控制各個功率器件輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，再經(jīng)由變壓器耦合升壓或降壓，最終實現(xiàn)交流直流的轉(zhuǎn)換。

　　值得一提的是，光伏逆變器中的IGBT等電子元器件的使用年限一般為10~15年，而光伏組件的運營周期是25年，因此逆變器在光伏組件的生命周期內(nèi)至少需要更換一次。這進一步擴大了IGBT在光伏系統(tǒng)中的使用量。

　　中國光伏行業(yè)協(xié)會預(yù)測，2025 年全球光伏逆變器新增裝機量有望達 330GW。浙商證券分析稱，按照IGBT占組串式逆變器和集中式逆變器BOM成本(物料成本)的18%和15%計算，預(yù)計全球光伏逆變器用IGBT市場規(guī)模將以17.6%的增速擴大，到2025年市場規(guī)模將超過百億。

　　儲能的“高景氣”也為IGBT帶來新的市場機遇。雷光寅指出，目前，“光儲一體化”成為大勢所趨，配置儲能已經(jīng)成為光伏電站并網(wǎng)的前提條件。和光伏逆變器只能將直流電單向轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姴煌瑑δ苣孀兤骶哂谐潆姾头烹姷碾p向能量控制功能。“‘光儲’原理和電動汽車充電樁‘充儲’原理相似，IGBT主要作用也是變壓、變頻和交變轉(zhuǎn)換等。”雷光寅介紹說。

　　“未來十年，電動化和數(shù)字化將成為產(chǎn)業(yè)和社會發(fā)展的重要推動力。電動化涉及發(fā)電、輸變電、儲能、用電在內(nèi)的電力價值鏈各個環(huán)節(jié)。包括IGBT在內(nèi)的功率半導(dǎo)體在整個電力價值鏈中扮演著重要角色。隨著電動化的推進，未來功率半導(dǎo)體的市場規(guī)模將會不斷成長。”英飛凌相關(guān)負責(zé)人表示。

　　電動化浪潮下的IGBT新周期

　　近期，有關(guān)IGBT缺貨的消息不時被爆出。甚至有消息稱，車規(guī)級IGBT供需缺口已接近50%。對此，雷光寅辟謠，IGBT雖然供不應(yīng)求，但實際情況并沒有這么夸張。

　　事實上，IGBT缺貨問題此前就長期存在。早在2021年，就有數(shù)據(jù)顯示，我國IGBT供需缺口超過1億只。進入2023年后，IGBT缺貨情況仍未能好轉(zhuǎn)，目前車規(guī)IGBT產(chǎn)品供不應(yīng)求，現(xiàn)有產(chǎn)能已基本售罄，保供壓力較大，新擴產(chǎn)訂單已被下游廠商提前鎖定。

　　業(yè)內(nèi)普遍認為，供需錯配是造成IGBT持續(xù)缺貨的重要原因。首航新能源CEO印榮方指出，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)每年以8%~10%的增速擴張，而光伏和儲能則是按照30~50%的增速擴張。再加上新能源汽車的爆發(fā)式增長，這就導(dǎo)致下游需求增速遠超上游供給增速，造成整個市場IGBT供需緊張。

　　芯謀研究總監(jiān)李國強認為：“本輪IGBT缺貨的主要原因是新能源車興起，對高電壓需求大增，IGBT成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展焦點。”

數(shù)據(jù)來源：Yole

　　IGBT產(chǎn)品供不應(yīng)求的另一大“瓶頸”是上游晶圓廠、封裝產(chǎn)能吃緊。業(yè)內(nèi)人士透露，本輪缺貨，并未吸引太多6英寸、8英寸晶圓廠加入IGBT擴產(chǎn)行列。大部分6英寸、8英寸的晶圓廠折舊，由于成本效益問題，很少有6英寸、8英寸晶圓廠會擴大IGBT的產(chǎn)能。此外，氮化鎵、碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體的市場火熱，也改變了晶圓廠的路線，使得IGBT產(chǎn)量受到擠壓。“雖然已有部分12英寸的晶圓廠已經(jīng)開始生產(chǎn)IGBT，但產(chǎn)能調(diào)節(jié)仍需要時間，IGBT的短缺預(yù)計將持續(xù)到2024年。”該業(yè)內(nèi)人士稱。

　　在雷光寅看來，中國企業(yè)未能深度參與到IGBT全球產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈中是造成供需錯配的重要原因之一。“我國IGBT長期以來依賴進口，此前車規(guī)級IGBT進口產(chǎn)品一度占到9成。近年來，我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，特別是新能源汽車產(chǎn)業(yè)在過去5到10年增長了近50%，去年產(chǎn)銷同比增長甚至超過90%。這是海外廠商所無法預(yù)料的，因此沒有辦法及時擴產(chǎn)。此外，海外廠商對市場擴張一般采取保守態(tài)度，也不會輕易擴產(chǎn)。”雷光寅指出。

　　“國外廠家的產(chǎn)能擴張跟不上行業(yè)的快速發(fā)展，也是供需失衡的原因。”一位光伏從業(yè)者告訴《中國電子報》記者。

　　此前，IGBT市場長期被積累深厚的國外公司占據(jù)，英飛凌、富士電機、安森美、東芝、意法半導(dǎo)體等公司占據(jù)了絕大部分市場。然而，IGBT市場的持續(xù)缺貨為中國企業(yè)提供了機遇，去年開始，中國的IGBT企業(yè)開始大量地接到來自新能源汽車側(cè)、光伏側(cè)的訂單。

　　業(yè)內(nèi)人士表示：“半導(dǎo)體芯片聽起來好像很高端，實際上在IGBT，尤其是單管這塊本身的設(shè)計并不復(fù)雜。國產(chǎn)企業(yè)隨著出貨量的提升，工藝也比較穩(wěn)定，生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)高度自動化，跟外資品牌量產(chǎn)出來的基本上越來越接近了。”

比亞迪半導(dǎo)體光伏逆變專用IGBT應(yīng)用場景

　　“目前，國內(nèi)很多企業(yè)都在做IGBT，并取得一定的成績。小功率的戶用逆變器中的IGBT已經(jīng)可以實現(xiàn)國內(nèi)企業(yè)供給，大功率的集中逆變器IGBT國內(nèi)供貨廠家也較多。但是大功率組串逆變器因為電流較大，開關(guān)頻率高、功率密度高，目前國內(nèi)還沒合適的IGBT廠商，這或?qū)⒊蔀镮GBT最后攻關(guān)的方向。相信在1-2年后國內(nèi)會有合格的供方。”上述光伏從業(yè)者說。

　　國內(nèi)政策端的重視也是國產(chǎn)IGBT快速發(fā)展的重要推動力之一。《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》要求，集中優(yōu)勢資源攻關(guān)關(guān)鍵元器件零部件和基礎(chǔ)材料等領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)，重點指出需要攻關(guān)IGBT和碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展。

　　今年一月，工業(yè)和信息化部等六部門聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出，推動基礎(chǔ)元器件、基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)工藝等領(lǐng)域重點突破，研究小型化、高性能、高效率、高可靠性的功率半導(dǎo)體等基礎(chǔ)電子元器件。面向光伏、風(fēng)電、儲能系統(tǒng)等，發(fā)展新能源用耐高溫、耐高壓、低損耗、高可靠性IGBT器件及模塊。

　　對于IGBT未來的供應(yīng)情況，雷光寅樂觀地表示：“目前，越來越多的中國廠商開始研發(fā)、制造IGBT。經(jīng)過這幾年的歷練，相信會有更多高性價比的國產(chǎn)IGBT產(chǎn)品進入全球供應(yīng)鏈，緩解供應(yīng)短缺問題。”

　　作者：張維佳　　來源：中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)