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,有望緩解新能源汽車、光伏等領(lǐng)域IGBT芯片供應(yīng)吃緊的情況。此前有報(bào)道稱,IGBT芯片缺貨可能持續(xù)至明年上半年。
IGBT被稱為電力電子領(lǐng)域的“CPU”,是電動(dòng)汽車、光伏、儲(chǔ)能核心元器件。近年來(lái),在電動(dòng)汽車、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,將有更多高性價(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。
新能源汽車的“心臟”
IGBT與動(dòng)力電池電芯并稱為電動(dòng)車“雙芯”,是影響電動(dòng)汽車性能的關(guān)鍵元器件。據(jù)了解,電動(dòng)汽車所使用的IGBT數(shù)量高達(dá)上百顆,是傳統(tǒng)燃油車的7~10倍。其成本占整車成本的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、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。車規(guī)級(jí)IGBT主要應(yīng)用在新能源汽車電機(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、高壓的開關(guān)控制電流,為電動(dòng)車提供動(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),新能源汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)銷兩旺,成為IGBT最大的增量市場(chǎng)。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱“中汽協(xié)”)數(shù)據(jù)顯示,2022年,我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)爆發(fā)式增長(zhǎng),產(chǎn)銷分別完成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)新能源汽車總銷量有望超過(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,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,車規(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。
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)依賴進(jìn)口,此前車規(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,特別是新能源汽車產(chǎn)業(yè)在過(guò)去5到10年增長(zhǎng)了近50%,去年產(chǎn)銷同比增長(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,去年開始,中國(guó)的IGBT企業(yè)開始大量地接到來(lái)自新能源汽車側(cè)、光伏側(cè)的訂單。
業(yè)內(nèi)人士表示:“半導(dǎo)體芯片聽起來(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》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)有更多高性價(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。”