本文來(lái)自微信公眾號(hào)“中國(guó)電子報(bào)”，作者/張維佳。
在位于浙江嘉善的賽晶科技半導(dǎo)體廠區(qū)，一臺(tái)臺(tái)全自動(dòng)化機(jī)器正在緊張運(yùn)轉(zhuǎn)，半導(dǎo)體晶圓器件通過(guò)全自動(dòng)化產(chǎn)線依次完成貼片、鍵合、注膠、塑封等步驟，變成一個(gè)個(gè)IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊。這些產(chǎn)品下線交付給客戶(hù)，有望緩解新能源汽車(chē)、光伏等領(lǐng)域IGBT芯片供應(yīng)吃緊的情況。此前有報(bào)道稱(chēng)，IGBT芯片缺貨可能持續(xù)至明年上半年。
IGBT被稱(chēng)為電力電子領(lǐng)域的“CPU”，是電動(dòng)汽車(chē)、光伏、儲(chǔ)能核心元器件。近年來(lái)，在電動(dòng)汽車(chē)、光伏等新能源產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)下，IGBT迎來(lái)新的發(fā)展高峰，我國(guó)也成為全球最大的IGBT需求市場(chǎng)。
當(dāng)前，IGBT供應(yīng)依然吃緊。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，未來(lái)，隨著越來(lái)越多中國(guó)IGBT廠商的加入，將有更多高性?xún)r(jià)比的國(guó)產(chǎn)IGBT產(chǎn)品進(jìn)入全球供應(yīng)鏈，從而緩解供應(yīng)短缺問(wèn)題。
新能源汽車(chē)的“心臟”
IGBT與動(dòng)力電池電芯并稱(chēng)為電動(dòng)車(chē)“雙芯”，是影響電動(dòng)汽車(chē)性能的關(guān)鍵元器件。據(jù)了解，電動(dòng)汽車(chē)所使用的IGBT數(shù)量高達(dá)上百顆，是傳統(tǒng)燃油車(chē)的7~10倍。其成本占整車(chē)成本的7%~10%。
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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(chēng)為電力電子領(lǐng)域的“CPU”。“功率半導(dǎo)體的主要功能是進(jìn)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(duì)高的電流，非常適合大電流和高電壓同時(shí)存在的場(chǎng)景，例如新能源汽車(chē)、風(fēng)光儲(chǔ)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(guó)電子報(bào)》記者。車(chē)規(guī)級(jí)IGBT主要應(yīng)用在新能源汽車(chē)電機(jī)控制器和充電樁中。
盡管一塊IGBT模塊最小不過(guò)巴掌大小，卻是“驅(qū)動(dòng)”電機(jī)控制器的命脈。電動(dòng)汽車(chē)加速能力怎么樣、最高時(shí)速多少、能源效率如何，關(guān)鍵取決于IGBT。“新能源汽車(chē)需要電力來(lái)驅(qū)動(dòng)，IGBT的作用就是分配電流到電機(jī)。當(dāng)我們深踩油門(mén)時(shí)，它就會(huì)分配更多的電流到電機(jī)上，使得電動(dòng)機(jī)車(chē)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(shuō)。
雷光寅表示，IGBT是電機(jī)控制器中最核心的元器件，占其整體成本的40%~50%。它通過(guò)高頻、高速、高壓的開(kāi)關(guān)控制電流，為電動(dòng)車(chē)提供動(dòng)力。
除了電機(jī)控制之外，IGBT還應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)充電樁。雷光寅介紹：“來(lái)自電網(wǎng)的交流電，具有電壓高、電流大的特點(diǎn)，不適合直接給動(dòng)力電池充電，需要經(jīng)過(guò)一系列整流、升壓、變頻的過(guò)程，轉(zhuǎn)換成符合要求的輸出功率，才能進(jìn)行充電。這個(gè)過(guò)程離不開(kāi)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(lái)，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)兩旺，成為IGBT最大的增量市場(chǎng)。中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中汽協(xié)”）數(shù)據(jù)顯示，2022年，我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)持續(xù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，產(chǎn)銷(xiāo)分別完成705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)約97%和93%。中汽協(xié)預(yù)測(cè)，2023年我國(guó)新能源汽車(chē)總銷(xiāo)量有望超過(guò)900萬(wàn)輛。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年新能源汽車(chē)IGBT市場(chǎng)份額達(dá)39.7%，成為IGBT下游應(yīng)用最大的市場(chǎng)，預(yù)計(jì)到2025年份額接近49%。
“光儲(chǔ)熱”帶火IGBT
光伏逆變器是太陽(yáng)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(lái)，光伏裝機(jī)規(guī)模的快速增長(zhǎng)，推動(dòng)逆變器需求的大幅提升，進(jìn)一步打開(kāi)IGBT市場(chǎng)。
來(lái)源：中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)
光伏已成為我國(guó)可再生能源“第一名”。國(guó)家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，今年3月，我國(guó)光伏累計(jì)裝機(jī)達(dá)到426GW，超越水電，成為可再生能源發(fā)電裝機(jī)第一，和繼煤電之后的全國(guó)第二大電源。中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2023年，我國(guó)光伏新增裝機(jī)量將達(dá)到95-120GW，全球新增裝機(jī)將達(dá)到280-330GW；到2030年，我國(guó)光伏新增裝機(jī)量將達(dá)到120-140GW，全球新增裝機(jī)將達(dá)到436-516GW。
賽晶科技相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，當(dāng)前，“碳中和”已成為全球共識(shí)。為了達(dá)成這一目標(biāo)，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(huì)受到這一市場(chǎng)發(fā)展的直接帶動(dòng)。“今年電動(dòng)車(chē)對(duì)IGBT需求進(jìn)入到增長(zhǎng)平緩期，但光風(fēng)儲(chǔ)（光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能）的需求依然非常旺盛，市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)很快。”該負(fù)責(zé)人說(shuō)。
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(gè)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(gè)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(shí)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(yùn)營(yíng)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(jìn)一步擴(kuò)大了IGBT在光伏系統(tǒng)中的使用量。
中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2025年全球光伏逆變器新增裝機(jī)量有望達(dá)330GW。浙商證券分析稱(chēng)，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(jì)算，預(yù)計(jì)全球光伏逆變器用IGBT市場(chǎng)規(guī)模將以17.6%的增速擴(kuò)大，到2025年市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)百億。
儲(chǔ)能的“高景氣”也為IGBT帶來(lái)新的市場(chǎng)機(jī)遇。雷光寅指出，目前，“光儲(chǔ)一體化”成為大勢(shì)所趨，配置儲(chǔ)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?，?chǔ)能逆變器具有充電和放電的雙向能量控制功能。“‘光儲(chǔ)’原理和電動(dòng)汽車(chē)充電樁‘充儲(chǔ)’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(shuō)。
“未來(lái)十年，電動(dòng)化和數(shù)字化將成為產(chǎn)業(yè)和社會(huì)發(fā)展的重要推動(dòng)力。電動(dòng)化涉及發(fā)電、輸變電、儲(chǔ)能、用電在內(nèi)的電力價(jià)值鏈各個(gè)環(huán)節(jié)。包括IGBT在內(nèi)的功率半導(dǎo)體在整個(gè)電力價(jià)值鏈中扮演著重要角色。隨著電動(dòng)化的推進(jìn)，未來(lái)功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)不斷成長(zhǎng)。”英飛凌相關(guān)負(fù)責(zé)人表示。
電動(dòng)化浪潮下的IGBT新周期
近期，有關(guān)IGBT缺貨的消息不時(shí)被爆出。甚至有消息稱(chēng)，車(chē)規(guī)級(jí)IGBT供需缺口已接近50％。對(duì)此，雷光寅辟謠，IGBT雖然供不應(yīng)求，但實(shí)際情況并沒(méi)有這么夸張。
事實(shí)上，IGBT缺貨問(wèn)題此前就長(zhǎng)期存在。早在2021年，就有數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)IGBT供需缺口超過(guò)1億只。進(jìn)入2023年后，IGBT缺貨情況仍未能好轉(zhuǎn)，目前車(chē)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(kuò)產(chǎn)訂單已被下游廠商提前鎖定。
業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，供需錯(cuò)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(kuò)張，而光伏和儲(chǔ)能則是按照30~50%的增速擴(kuò)張。再加上新能源汽車(chē)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，這就導(dǎo)致下游需求增速遠(yuǎn)超上游供給增速，造成整個(gè)市場(chǎng)IGBT供需緊張。
芯謀研究總監(jiān)李國(guó)強(qiáng)認(rèn)為：“本輪IGBT缺貨的主要原因是新能源車(chē)興起，對(duì)高電壓需求大增，IGBT成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展焦點(diǎn)。”
數(shù)據(jù)來(lái)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(kuò)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(wèn)題，很少有6英寸、8英寸晶圓廠會(huì)擴(kuò)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(chǎng)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(kāi)始生產(chǎn)IGBT，但產(chǎn)能調(diào)節(jié)仍需要時(shí)間，IGBT的短缺預(yù)計(jì)將持續(xù)到2024年。”該業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)。
在雷光寅看來(lái)，中國(guó)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(cuò)配的重要原因之一。“我國(guó)IGBT長(zhǎng)期以來(lái)依賴(lài)進(jìn)口，此前車(chē)規(guī)級(jí)IGBT進(jìn)口產(chǎn)品一度占到9成。近年來(lái)，我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，特別是新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在過(guò)去5到10年增長(zhǎng)了近50%，去年產(chǎn)銷(xiāo)同比增長(zhǎng)甚至超過(guò)90%。這是海外廠商所無(wú)法預(yù)料的，因此沒(méi)有辦法及時(shí)擴(kuò)產(chǎn)。此外，海外廠商對(duì)市場(chǎng)擴(kuò)張一般采取保守態(tài)度，也不會(huì)輕易擴(kuò)產(chǎn)。”雷光寅指出。
“國(guó)外廠家的產(chǎn)能擴(kuò)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(guó)電子報(bào)》記者。
此前，IGBT市場(chǎng)長(zhǎng)期被積累深厚的國(guó)外公司占據(jù)，英飛凌、富士電機(jī)、安森美、東芝、意法半導(dǎo)體等公司占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)。然而，IGBT市場(chǎng)的持續(xù)缺貨為中國(guó)企業(yè)提供了機(jī)遇，去年開(kāi)始，中國(guó)的IGBT企業(yè)開(kāi)始大量地接到來(lái)自新能源汽車(chē)側(cè)、光伏側(cè)的訂單。
業(yè)內(nèi)人士表示：“半導(dǎo)體芯片聽(tīng)起來(lái)好像很高端，實(shí)際上在IGBT，尤其是單管這塊本身的設(shè)計(jì)并不復(fù)雜。國(guó)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(dòng)化，跟外資品牌量產(chǎn)出來(lái)的基本上越來(lái)越接近了。”
比亞迪半導(dǎo)體光伏逆變專(zhuān)用IGBT應(yīng)用場(chǎng)景
“目前，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)都在做IGBT，并取得一定的成績(jī)。小功率的戶(hù)用逆變器中的IGBT已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)企業(yè)供給，大功率的集中逆變器IGBT國(guó)內(nèi)供貨廠家也較多。但是大功率組串逆變器因?yàn)殡娏鬏^大，開(kāi)關(guān)頻率高、功率密度高，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)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(guó)內(nèi)會(huì)有合格的供方。”上述光伏從業(yè)者說(shuō)。
國(guó)內(nèi)政策端的重視也是國(guó)產(chǎn)IGBT快速發(fā)展的重要推動(dòng)力之一?！吨腥A人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》要求，集中優(yōu)勢(shì)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(diǎn)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(mén)聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出，推動(dòng)基礎(chǔ)元器件、基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)工藝等領(lǐng)域重點(diǎn)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(chǔ)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(duì)于IGBT未來(lái)的供應(yīng)情況，雷光寅樂(lè)觀地表示：“目前，越來(lái)越多的中國(guó)廠商開(kāi)始研發(fā)、制造IGBT。經(jīng)過(guò)這幾年的歷練，相信會(huì)有更多高性?xún)r(jià)比的國(guó)產(chǎn)IGBT產(chǎn)品進(jìn)入全球供應(yīng)鏈，緩解供應(yīng)短缺問(wèn)題。”
