扫盲:IGBT为什么被称为电力电子行业的“CPU”

响拇指电子

2022-06-17 17:00广东深圳响拇指电子科技有限公司
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IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),又称为绝缘闸极双极性电晶体。

IGBT归类在功率半导体元件的电晶体领域。

功率半导体元件(电晶体领域)除了IGBT之外,还有MOSFET、BIPOLAR等,这些都能用来作为半导体开关。

IGBT是一种适合高电压、大电流应用的理想晶体管。IGBT的额定电压范围为400V至2000V,额定电流范围为5A至1000A,IGBT广泛用于工业应用(例如,逆变器系统和不间断电源(UPS))、消费类应用(例如,空调和电磁炉),以及车载应用(例如,电动汽车(EV)电机控制器)。

IGBT大约占电机驱动系统成本的一半,占到整车成本的5%,是整部电动车成本第二高的元件(成本第一高的是电池)。毫不夸张地说,这就是电动车领域的“核心技术”。

从结构上讲,IGBT主要有三个发展方向:

1、IGBT纵向结构:非透明集电区NPT型、带缓冲层的PT型、透明集电区NPT型和FS电场截止型;

2、IGBT栅极结构:平面栅机构、Trench沟槽型结构;

3、硅片加工工艺:外延生长技术、区熔硅单晶;

按照封装工艺来看,IGBT模块主要可分为焊接式与压接式两类。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主,中低压IGBT模块则出现了很多新技术,如烧结取代焊接,压力接触取代引线键合的压接式封装工艺。

随着IGBT芯片技术的不断发展,芯片的最高工作结温与功率密度不断提高,IGBT模块技术也要与之相适应。未来IGBT模块技术将围绕“芯片背面焊接固定”与“正面电极互连”两方面改进。

IGBT的主要应用领域

作为新型功率半导体器件的主流器件,IGBT已广泛应用于工业、4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域,以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。

1、新能源汽车

IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用,是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%,占充电桩成本约20%。IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面:

电动控制系统大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机。

车载空调控制系统小功率直流/交流(DC/AC)逆变,使用电流较小的IGBT和FRD。

充电桩智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用。

2、智能电网

IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端:

从发电端来看,风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。

从输电端来看,特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT等功率器件。

从变电端来看,IGBT是电力电子变压器(PET)的关键器件。

从用电端来看,家用白电、微波炉、LED照明驱动等都对IGBT有大量的需求。

3、轨道交通

IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一,在交流传动系统中牵引变流器是关键部件,而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一。

海外大厂占据主要市场,中国企业追赶空间大

IGBT市场英飞凌市占率全面领先,2020年斯达半导跻身IGBT模块市场前六。根据Omdia数据,2020年IGBT分立器件市场及IGBT模块市场规模前三的企业均为英飞凌、富士电机及三菱。其中英飞凌IGBT市场市占率全面领先,IGBT分立器件和IGBT模块的市占率分别为29.3%和36.5%。

在IGBT分立器件市场中,中国企业士兰微进入全球前十,2020年市场份额为2.6%;在IGBT模块市场中,2020年斯达半导跻身全球第六,市场份额为3.3%。

预计2025年我国新能源汽车IGBT市场规模或将达到385亿元,2019-2025年CAGR达到33.8%。根据国际清洁交通委员会预测,2025年新能源汽车成本平均保持在13800-17600美元之间(取均值16150美元),2030年新能源汽车成本平均保持在12100-16500美元之间(取均值14300美元)。若按照IGBT模块占整车成本约4%计算,2025年我国新能源汽车IGBT市场规模或将达到385亿元,2019-2025年CAGR达33.8%。2030年我国新能源汽车IGBT市场规模或将达到575亿元,2019-2030年CAGR达21.6%。

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