打不死的新能源“芯片”！功率半导体IGBT缺货愈演愈烈...

[Summary]未来，IGBT将继续为电子电力领域发光发热。

分类:新闻媒体
作者：恩纳基智能科技
来源:原创
发布时间:2023-04-07
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近年来，以SiC（SiC）、氮化镓（GaN）等材料为代表的化合物半导体因其宽禁带、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等优异的性能而饱受关注。SiC和Si来竞争制造功率半导体无论是在科学和实践上都得到了实力上的体现，尤其是随着新能源电动车的普及和发展，主机厂开始转向800V高压平台，对SiC的需求量越来越大，其在汽车上的应用步伐也在加快。这就对硅基的IGBT带来了一定的冲击。

但是最近关于IGBT缺货的消息不胫而走，与此同时，代工厂也跟着水涨船高，代工厂商漢磊集团今年初调涨IGBT产线代工价一成左右，凸显市场火热。

而从全球几大IGBT厂商的交期来看，似乎也显示出IGBT确实紧俏。目前IGBT主要由欧、日大厂主导，英飞凌的全球IGBT市占率超过32%，在SiC如日中天的大环境下，IGBT又为何还能如此香？联想近日特斯拉的一些做法，让我们再来重新审视一下IGBT和SiC这两者的存在意义。

特斯拉减少SiC，继续拥抱硅

SiC上车的第一枪是特斯拉打响的，在过去五年中，SiC市场的增长在很大程度上取决于特斯拉，它是第一家在电动汽车中使用SiC材料的汽车制造商，也是现在最大的买家。

但是由于成本太高的问题，特斯拉在前段时间召开的AI投资日上宣布在下一代车型上将SiC含量减少75%，这引起了行业的一波震动。75%可不是一个小数字！通过减少SiC在内的多个行动特斯拉将在下一代电动汽车中减少1000美元的成本。

图源：特斯拉

SiC MOSFET为何替代不了IGBT？

诚然，SiC虽然具有一些优越的特性，但并不适用于所有应用场景。SiC晶体管具有更高的开关速度、更低的导通电阻和更高的耐压能力等优点，这使得它们非常适合高频、高压等应用场景，在600–1,700V范围应用上SiC功率器件具有很大的优势，尤其是新能源汽车领域，传统硅基IGBT芯片在高压快充车型中已经达到了材料的物理极限，所以新能源汽车开始纷纷拥抱SiC。

但是，SiC晶体管的劣势在于，其价格相对较高，SiC生产过程也更加复杂。SiC价格较高的主因是因为SiC衬底导致：SiC晶体生长的速度缓慢，SiC晶体长1cm大约需要7天，相比之下，拉出一根2米左右的8英寸硅棒仅需要2-3天时间；SiC的硬度也很高，不仅切削时间长，而且良率还低，一般来说，硅片的切割只需要几个小时，而SiC则需要数百小时。

因此，SiC产业链的实际控制权掌握在衬底供应商中。除此之外，其他生产成本也比Si高，但相对衬底所占的比重则较小，SiC加工生产需要更高的温度个更昂贵的耗材。SiC晶体管也存在一些缺点，比如容易受到损坏、温度敏感等问题。综合这些特点来看，SiC并不适用于一些低成本、低功率的应用场景。

IGBT的制造成本低于SiC MOSFET，因为IGBT使用的硅基材料成本低，生产技术成熟，硅的价格仅为宽禁带材料的三分之一至四分之一。其次，IGBT的可靠性比SiC MOSFET高，因为IGBT的结构相对简单，故障率较低。同时，IGBT具有更好的电容性能和更好的抗过压能力，适用于大功率、大电流的应用场景。譬如在DC-DC这种对环境要求不是很高、对重量和空间要求也不高的充电桩领域，想要替代成本最具优势的IGBT有很大的难度。

因此，SiC并不能完全替代IGBT。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）作为一种新型功率半导体器件，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是工业控制及自动化领域的核心元器件。IGBT在很多应用场景中仍然是最佳选择，IGBT被广泛应用于变频器、风力发电、太阳能发电等领域，而这些领域的发展速度非常快，导致了IGBT的需求量也快速增长。

市场需求高涨的IGBT

2022年，消费电子应用市场需求下行，但光伏和储能、新能源汽车等新兴应用需求持续旺盛。

在“碳达峰“、“碳中和”背景下，太阳能光伏规模化应用成为世界能源发展的必然趋势。光伏逆变器是太阳能光伏系统的“心脏”，而IGBT模块则是光伏逆变器的核心组件，占到逆变器成本的10%~15%，随着太阳能模组发电效率不断发展，逐渐切换至高功率模组，因此对IGBT的导入比重大幅提升。

IGBT供应商新洁能2022年产品的下游应用领域趋势（来源：新洁能财报）

电动汽车更不用多说，据悉，一辆电动车使用的IGBT数量高达上百颗，是传统燃油车的七到十倍，IGBT 在汽车中主要用于三个领域，分别是电机驱动的主逆变器、充电相关的车载充电器（OBC）与直流电压转换器（DC/DC）、完成辅助应用的模块。

据分析机构的数据统计，2022年全球光伏新增装机达到244GW，国内新能源车销量实际达到680万辆以上，又根据国际能源署 (IEA) 的数据，到2030年，道路上将有1.25亿辆电动汽车。

IGBT在新能源汽车上的应用（图源：比亚迪官网）

在多个绿色能源市场的不断推动之下，IGBT市场规模正在迅速扩大。The Business research company的数据研究指出，全球IGBT市场规模将从2022年的72.7亿美元增长到2023年的84.2亿美元，复合年增长率 (CAGR) 为15.7%，到2027年将增长至152.7亿美元，复合年增长率为16.0%。

总的来说，IGBT和SiC甚至是GaN都是当下市场应用中十分重要的半导体器件，他们在电力电子领域和其他多个领域中都有着广泛的应用。虽然IGBT存在一些缺陷和不足，但随着技术的不断发展和创新，SiC和IGBT在竞争中互补，在竞争中联合。未来，IGBT将继续为电子电力领域发光发热。

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