IGBT工作原理、结构及市场空间如何？

新能源产业带动 IGBT 需求高增，国产化空间广阔。

1. IGBT：能源领域的核心器件，市场规模持续攀升

IGBT 是能源变换与传输的核心器件，性能优越且应用领域广泛。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即绝缘栅双极型晶体管，其通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极 电流，使 IGBT 导通；反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使 IGBT 关断。IGBT 是 由 BJT（双极型三极管）和 MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，既具有 MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容 量大的优点，适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、 照明电路、牵引传动等领域。

IGBT 芯片和快恢复二极管芯片是 IGBT 模块的核心。IGBT 模块是由 IGBT 与快恢复二极管通过 特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，封装后的 IGBT 模块直接应用于变频器、UPS 不 间断电源等设备上。快恢复二极管芯片在 IGBT 模块中与 IGBT 芯片配合使用，需要承受高电压、 大电流的同时，要求具有极短的反向恢复时间和损耗。IGBT 模块按封装工艺来看主要可分为焊接 式与压接式两类，随着 IGBT 芯片技术的不断向前，芯片的最高工作结温与功率密度不断提高， IGBT 模块技术也在逐步发展。

IGBT 技术更新迭代，低中高压器件应用领域广泛。从 IGBT 技术划分来看，第一二代 IGBT 主要 为平面栅型；第三四代主要为沟槽栅型，通过创新的沟槽设计大大减少了 IGBT 的体积和功耗， 并演化出了第五六代的沟槽格栅型；第七代为2018年后出现的微沟槽栅型，沟道密度更高，元胞 间距更小，可实现最佳开关性能。从 IGBT 电压划分来看，IGBT 可分为低/中/高压。其中消费电 子使用的 IGBT 模块主要集中在 600V 以下，新能源汽车中的 IGBT 为 600-1200V，动车组中的 IGBT 主要为 3300V 和 6500V，轨道交通中的 IGBT 电压在 1700V-6500V 之间，智能电网中的IGBT 电压通常为 3300V。展望未来，IGBT 技术研发将着重在开发 6500 V 以上的超高压 IGBT、 超结 IGBT、基于 SiC 的 IGBT 芯片等方面。

受益于新能源汽车、风光储等产业的发展，IGBT 需求高速增长。IGBT 行业呈现“广空间+高增 速”特征，国内外 IGBT 市场规模持续攀升。中商产业研究院数据显示，2022 年全球 IGBT 市场 规模预计可达 81 亿美元，17-22 年 CAGR 为 12%。根据集邦咨询预测，2025 年国内 IGBT 市场 规模有望突破 522 亿元，17-25 年 CAGR 达 19%，是细分市场中发展最快的半导体功率器件之 一，市场前景广阔。

2. 工控领域稳健增长，新能源产业打开 IGBT 市场空间

2.1 工业控制领域是 IGBT 需求的基石

IGBT 在工业控制领域应用广泛，下游需求稳定增长。IGBT 模块是变频器、逆变焊机等传统工业 控制及电源行业的核心元器件。从全球 IGBT 应用情况来看，工业控制、新能源汽车和新能源发 电是最主要的需求领域，需求占比之和约为 74%。其中，工业控制占比约为 37%，是 IGBT 下游 需求最大的领域。随着工业自动化改造的不断升级，工控领域对功率半导体器件的的需求持续增 加，2021 年全球工控 IGBT 市场规模达到 151 亿元，预计 2025 年将稳健增长至 170 亿元。

2.2 新能源车持续渗透，车用 IGBT 市场空间广阔

国内外新能源车终端需求火热，IGBT 需求随之崛起。2021 年全球新能源汽车总销量为 653 万辆， 同比增长 107%。根据 EVTank数据，新能源汽车 2026年销量将达到 3157万辆，21-26年 CAGR 为 37%。根据中汽协数据，预计 2022 年中国新能源汽车销量将达到 680 万辆，同比增长 94%， 2026年中国新能源汽车销售量将达到汽车销售总量的近50%。国内新能源车市场具备领先优势， 随着渗透率的进一步提升以及汽车电子化程度的持续推进，车用 IGBT 规模有望快速突破。

新能源车为 IGBT 最大增量市场，对 IGBT 增长拉动作用显著。Trendforce 数据显示，新能源汽 车在国内 IGBT 下游应用中占比约 31%，是 IGBT 的最大增量市场。IGBT 是新能源汽车电控系统 和充电桩的核心器件，决定了整车的能源利用率；同时，新能源车的车载空调、OBC、逆变器、 DC/AC、发电机等也需大量应用 IGBT 器件。根据 Digitimes Research 的数据，新能源汽车中电 机驱动系统是关键成本之一，约占整车成本的 15-20%，而 IGBT 约占电机驱动系统成本的一半， 因此 IGBT 约占新能源汽车成本的 7-10%，其动力性能越强，所需要的 IGBT 组件数量就越多。

汽车电气化进程加速，新能源车相比传统燃油汽车需要更多电流转换部件，驱动 IGBT 等电子元 器件需求量攀升。在主逆变器中，IGBT 将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电；在 车载充电机中，IGBT 将交流电转化为直流电并为高压电池充电；在 DC-DC 变换器中，IGBT 将 高压电池输出的高电压转化成低电压后供汽车低压供电网络使用；此外，IGBT 也广泛应用在 PTC 加热器、水泵、油泵、空调压缩机等辅逆变器中，完成小功率 DC-AC 转换。

全球新能源汽车新增 IGBT 测算与关键假设： 假设 2022 年新能源汽车 IGBT 价值约为 1906 元/辆，假设 2023 年及以后单车 IGBT 价值量年增 1%。此外，根据 yole 数据，2021 年新能源车 IGBT 渗透率为 96%，预计随着 SiC 器件的成熟， IGBT渗透率有下降趋势。根据我们的测算，全球新能源汽车IGBT市场规模2022年为189亿元， 到 2026 年将增长到 476 亿元，21-26E CAGR 为 32%。

大功率充电时代的到来有望推升 IGBT 市场空间。充电桩的充电模块是整个产品的核心设备，主 要功能是将电网中的交流电经过整流滤波后转换为可充电的直流电，其关键技术在于 IGBT。根 据充电桩视界数据，充电模块占整个充电设施建设成本的 45%~55%；根据前瞻产业研究院数据， IGBT 模块占充电桩成本约 20%。随着超充时代的到来，充电模块的容量升级、可靠性以及安全 性面临着更高的要求，同尺寸的充电模块的功率密度逐渐升级，IGBT 品质和需求量有望持续升级。

全球充电桩新增 IGBT 测算与关键假设： 假设 2022 年私人充电桩单价为 0.3 万元，公共快充桩单价为 2 万元，公共慢充桩单价为 0.5 万 元，假设 2023 年及以后的充电桩平均价值量年降 2%。结合 CASA 数据，我们假设 2022 年充电 桩 IGBT 渗透率为 75%，23 年以后年降 5%。 根据我们的测算，全球充电桩用 IGBT 市场规模 2022 年为 26 亿元，到 2026 年将增长到 72 亿元，21-26E CAGR 为 29%。

2.3 风光储快速发展，IGBT 最为受益

碳中和背景下，光伏和风力发电在能源结构中的地位越发举足轻重，储能行业亦迎来良机。IGBT 元器件作为光伏逆变器、风电变流器以及储能变流器的核心半导体器件，能够对电流进行整流和 逆变等作用，以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能，风光储行业的快速发展 将进一步打开 IGBT 的市场。 光伏新增装机量快速增长，迎来黄金发展期。根据 CPIA 乐观预测数据，全球光伏年新增装机在 2022 年将首次突破 200GW，达到 240GW 的水平，到 25 年全球年新增装机将达到 330GW，20- 25 年光伏新增装机的复合增长率达 20%；与此同时，2025 年我国新增装机规模有望达到 110GW， 相当于 2021 年的 2 倍。

光伏逆变器出货量高速增长，IGBT 作为逆变器“心脏”作用凸显。光伏逆变器是光伏系统的核 心部件，可以将太阳能板产生的可变直流电转换为交流电，并反馈回输电系统或供离网的电网使 用。近年来，光伏产业的持续景气，带动光伏逆变器市场规模快速提升，2020 年全球光伏逆变器的市场规模为 136GW，2025 年将有望达到 401GW，20-25 年 CAGR 为 24%。在光伏逆变器成 本结构方面，IGBT 元器件是半导体器件的主要组成部分，在驱动保护、过电流／短路保护、过温 保护、机械故障保护等方面发挥巨大作用，是逆变器的“心脏”，约占逆变器成本的 13％左右。 近年光伏逆变器的快速增长，将会给 IGBT 的发展带来重大机遇。

光伏逆变器单机功率进一步提升，IGBT 模块因此受益。根据中国光伏行业协会数据，到 2030 年 集中式逆变器的单机功率将超过 6000kW/台，集中式逆变器的功率密度将超过 1.6kW/kg，相较 2021 年分别提升 102%和 43%。逆变器额定功率和功率密度的提升，对于 IGBT 等功率器件的需 求量将进一步增加，同时要求 IGBT 模块拥有更好的耐压等级和散热设计，这将推动 IGBT 市场规 模的进一步提升。

我国风电行业快速发展，新增装机量不断提升。2022 年 GWEC 最新发布的全球风电行业报告显 示，2021 年全球新增风电装机量 93.6GW，其中陆上风电 72.5GW，海上风电 21.1GW，预计到 2026 年全球风电新增装机将达到 128.8GW，2021 到 2026 年 CAGR 达 7%。我国的风电发展保 持着强劲的势头，2021 年国内风电新增并网装机容量 47.6GW，占全球总量的 51%，预计到 2026 年，新增装机量将超过 60GW，其中陆上风电超过 50GW，海上风电超过 10GW，有利于促 进我国能源转型，IGBT 作为风电变流器的主要元器件同样受益。

储能装机量逐年提升，储能变流器市场规模不断扩大。根据彭博新能源财经（BNEF）最新发布 的《全球能源存储展望》报告中显示，2020 年末全球的在线大规模储能容量为 17GW，且已有 2620 亿美元的投资用于正在建设中的 345GW 储能装置，到 2030 年累计安装量将达到 358GW， 是 2020 年 16.5GW 的 20 倍以上。随着装机量的提升，储能变流器的市场规模也随之提高。头豹 研究院数据显示，中国储能变流器新增市场规模从 2015 年的 1 亿元跃升至 2020 年的 13.3 亿元， 2025 年有望达到 60.5 亿元。IGBT 作为储能变流器的核心器件，储能变流器的发展将进一步打开 IGBT 的市场。

风光储产业 IGBT 测算与关键假设： 风电市场：假设 2022 年风电变流器的平均价格为 0.29 元/W，以后价格每年下降 2%。据我们 的测算，2021 年全球风电逆变器 IGBT 规模为 28 亿元，到 2026 年将增长到 33 亿元，21-26E CAGR 为 4%。 光伏市场： 假设 2022 年光伏逆变器的价格为 0.245 元/W，以后为价格年降 2%。据我们的测 算，2022 年全球光伏逆变器 IGBT 规模为 50 亿元，到 2026 年将增长到 77 亿元，21-26E CAGR 为 14%。

储能市场：假设 2022 年储能 PCS 的价格为 0.36 元/W，22-24 年 PCS 价格年降为 10%， 2024 年及以后年降为 5%。据我们的测算，2022 年全球储能 PCS 用 IGBT 的市场规模为 16 亿元，到 2026 年将增长到 41 亿元，21-26E CAGR 为 30%。 根据我们的测算，2022 年风电/光伏/储能所对应的逆变器 IGBT 市场规模为 94 亿元，2026 年 将增长至 151 亿元，21-26 年 CAGR 为 14%。

综合以上测算，我们认为新能源产业（新能车及风光储充）的快速发展极大拉动了 IGBT 市场空 间。2022 年新能源产业所对应的 IGBT 市场规模为 309 亿元，2026 年有望增长至近 700 亿元 市场，21-26 年 CAGR 为 27%。其中，21-26 年 IGBT 规模增速最快的领域依次是新能源车、 储能和充电桩；21-26 年 IGBT 空间增量最多的领域依次是新能源车、充电桩和光伏。

3.海外龙头主导 IGBT 市场，国产替代空间大

全球 IGBT 市场以亚太地区为主，中国功率市场有望持续扩容。根据 Markets and markets 数据， 2021 年亚太地区 IGBT 市场占比为 58%，远超北美（11%）与欧洲地区（23%）的市场份额。受 益于中国政府支持新能源行业发展等因素，中国半导体功率器件市场规模稳步扩大，预计到 2027 年将达到 116 亿元，20-27 年 CAGR 为 8%。然而，虽然国内市场广阔，但 IGBT 等功率器件自给 率依然较低，高端产品仍严重依赖进口。

英飞凌稳居全球 IGBT 行业榜首，国内厂商占比较低。全球 IGBT 市场竞争格局较为集中，据英 飞凌数据统计，2021 年度 IGBT 模块的全球市场份额排名中，全球前五大厂商占据 67%的市场份 额，其中英飞凌以 33%的市占率占据领先地位，国内厂商斯达半导和中车时代电气分别占据全球 份额的 3%和 2%。IGBT分立器件方面，英飞凌以 29%的市占率稳坐榜首，国内厂商士兰微以 4% 的市占率排名第八，未来提升空间仍然较大。

受缺芯情况影响，IGBT 供不应求。当下 IGBT 全球市场供需缺口仍然较大，且海外厂商产能受疫 情影响更为严重。据富昌电子公布的交期数据，2021 年开始，海外各大厂呈明显的 IGBT 交货周 期拉长趋势，其中意法半导体的变化最为突出，从 20Q4 的 13-20 周拉长至 22Q4 的 39-52 周。

国家相关政策大力支持核心元器件国产化。近年来为了推动功率半导体行业尤其是 IGBT 产业健 康快速发展，国家相关部门不仅制定了相关的一系列政策措施，还不断加大扶持力度。其中， IGBT 曾被划为 02 专项重点扶持项目实施长达 15 年并于 2021 年成功收官。同时，IGBT 国产 化还是国家十四五规划中关键半导体器件的发展重点之一。来自市场需求持续增长和国家大量投 入资金的双重刺激，不仅吸引了一批拥有丰富 IGBT 经验的海外华人归国，也给包括斯达半导、 比亚迪、中车时代电气等在内的企业提供了掌握 IGBT 核心技术的机会，进一步推进 IGBT 国产 化进程，早日摆脱 IGBT 产品进口依赖这一现状。

关键核心技术国产替代背景下，IGBT 自给率持续提升。受益于新能源等下游需求旺盛，叠加国 家对于半导体产业的扶持，近年来 IGBT 自给率不断上升。据《中国 IGBT 行业发展现状分析与 投资前景研究报告（2022-2029 年）》数据显示，2021 年国内 IGBT 需求量达 1.3 亿只，而产 量为 2580 万只，自给率为 20%。而 2015 年国内 IGBT 自给率仅为 10%，15-21 年增加了 10pct，发展十分迅速。随着国内新能源汽车、光伏等领域的功率器件延续高景气度， IGBT 国 产化发展未来可期。

国内厂商积极布局芯片生产，持续缩小与国际巨头的差距。以斯达半导为代表的国内厂商先后入 场 IGBT 产业，加速追赶欧美大厂的步伐，进一步打破海外大厂对高端功率半导体市场的垄断。 技术方面，国内厂商积极创新迭代，坚持提升自研能力以实现核心技术突破，斯达半导已率先实 现了第 7 代 IGBT 产品的研发；产品方面，国内厂商 IGBT 产品种类进一步增加，覆盖电压/电流 范围进一步扩大，斯达半导基于第六代 Trench Field Stop 技术的车规级 IGBT 模块已获得多个 平台/项目定点；下游应用及客户方面，国内厂商 IGBT 产品广泛应用于汽车、新能源、家电等领 域，积极寻求华为、宁德时代、松下、索尼、比亚迪等品牌客户的认可和订单。