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IGBT為什么被稱為電力電子行業(yè)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(dǎo)體元件的電晶體領(lǐng)域。

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

IGBT是一種適合高電壓、大電流應(yīng)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(yè)應(yīng)用（例如，逆變器系統(tǒng)和不間斷電源（UPS））、消費類應(yīng)用（例如，空調(diào)和電磁爐），以及車載應(yīng)用（例如，電動汽車（EV）電機控制器）。

IGBT大約占電機驅(qū)動系統(tǒng)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(lǐng)域的“核心技術(shù)”。

從結(jié)構(gòu)上講，IGBT主要有三個發(fā)展方向：

1、IGBT縱向結(jié)構(gòu)：非透明集電區(qū)NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場截止型；

2、IGBT柵極結(jié)構(gòu)：平面柵機構(gòu)、Trench溝槽型結(jié)構(gòu)；

3、硅片加工工藝：外延生長技術(shù)、區(qū)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(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)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(shù)的不斷發(fā)展，芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高，IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域

作為新型功率半導(dǎo)體器件的主流器件，IGBT已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、4C（通信、計算機、消費電子、汽車電子）、航空航天等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

1、新能源汽車

IGBT模塊在電動汽車中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動汽車及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)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(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域中以下幾個方面：

電動控制系統(tǒng)大功率直流／交流（DC／AC）逆變后驅(qū)動汽車電機。

車載空調(diào)控制系統(tǒng)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(guān)元件使用。

2、智能電網(wǎng)

IGBT廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端：

從發(fā)電端來看，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)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(shù)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(guān)鍵器件。

從用電端來看，家用白電、微波爐、LED照明驅(qū)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(shù)是現(xiàn)代軌道交通的核心技術(shù)之一，在交流傳動系統(tǒng)中牽引變流器是關(guān)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(jù)主要市場，中國企業(yè)追趕空間大

IGBT市場英飛凌市占率高，2020年斯達半導(dǎo)躋身IGBT模塊市場前六。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，2020年IGBT分立器件市場及IGBT模塊市場規(guī)模前三的企業(yè)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(yè)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(dǎo)躋身第六，市場額為3.3%。

預(yù)計2025年我國新能源汽車IGBT市場規(guī)模或?qū)⑦_到385億元，2019-2025年CAGR達到33.8%。根據(jù)國際清潔交通委員會預(yù)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(guī)?；?qū)⑦_到385億元，2019-2025年CAGR達33.8%。2030年我國新能源汽車IGBT市場規(guī)?；?qū)⑦_到575億元，2019-2030年CAGR達21.6%。

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