功率半導體根據集成度可以分為分立器件中的功率器件和集成電路IC中的功率IC兩個大類。

半導體產品的分類是一個十分復雜困難的過程，國際上多種分類方法都不可能完美區分出來各種產品種類與規模，目前較多采用WSTS（世界半導體貿易協會）的分類方法。

在下圖的半導體產品中，功率半導體是包含了功率器件與功率IC兩大類，功率IC相對來說集成芯片的小功率、小電壓產品，功率IC集成度較高，是指將高壓功率器件與其控制電路、外圍接口電路及保護電路等集成在同一芯片的集成電路，主要應用于手機等小電壓產品。

功率器件包括二極管、晶體管和晶閘管三大類，其中晶體管市場規模最大，晶體管又細分為IGBT、MOSFET、雙極型晶體管等。功率器件是指體積較大，用來處理較大功率、大電壓的產品，IGBT屬于功率器件的一類產品。

IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管（BJT）和絕緣柵型場效應管（MOS）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。

下圖顯示了一種N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構。IGBT是一個三端器件，正面有兩個電極，分別為發射極(Emitter)和柵極(Gate)背面為集電極(Collector)。

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導通；反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關斷。

IGBT是功率半導體中的核心器件，兼具MOSFET 及 BJT 兩類器件優勢，驅動功率小而飽和壓降低。

金氧半場效晶體管（MOSFET）輸入阻抗高、驅動功率小、開關速度快；而雙極型三極管（BJT）飽和壓降低，BJT更強調工作功率，MOSFET更強調工作頻率，因此IGBT兼有以上兩種器件的優點，性能優勢顯著。

功率半導體的兩大功能是開關與電能轉換，主要可以依據工作頻率與功率大小將功率半導體分為不同類型，IGBT屬于功率半導體領域中高電壓低頻率應用的一種。

功率器件通過調節改變電子元器件的功率來實現電源開關和電能轉換的功能，主要體現在變頻、整流、變壓、開關等方面。其應用范圍廣泛，包括工控、風電、光伏、電動汽車與充電樁、軌交、消費電子等領域。

IGBT屬于其中偏向高電壓、中低頻率應用場景的一類產品。一般低壓IGBT常用于變頻白色家電、新能源汽車零部件等領域；中壓IGBT常用于工業控制、新能源汽車等領域；高壓IGBT常用于軌道交通、電網等領域。

IGBT通常應用形式是模塊或者單管，內部的核心組件就是IGBT芯片。

如下圖所示的IGBT模塊型號為：FF1400R17IP4，模塊的長寬高為：25cmx8.9cmx3.8cm，模塊內部包含兩個IGBT模組，也就是我們常說的半橋模塊。IGBT模塊內部主要包含3個部件，散熱基板、DBC（Direct Bonding Copper-直接覆銅陶瓷板）基板和硅芯片(包含IGBT芯片和Diode芯片)，其余的主要是焊料層和互連導線，用途是將IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC連接起來。

DBC的主要功能需要保證硅芯片和散熱基板之間的電氣絕緣能力以及良好的導熱能力，同時還要滿足一定的電流傳輸能力。DBC基板類似2層PCB電路板， DBC常用的陶瓷絕緣材料為氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)。如下右圖所示，半橋結構 IGBT模塊內部有6個DBC，每個DBC上有4個IGBT芯片和2個Diode（二極管）芯片。無論是內部的芯片還是最終形成的模組，IGBT的每一個環節技術壁壘均較高。

IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）是一種功能強大的集成電路模塊，可以用于控制和驅動高功率電子設備，如交流電機驅動器、變頻器、逆變器等。

由于IGBT器件的固有特性，當出現過流?短路?過壓時如不能及時保護，往往在十幾微秒乃至數微秒內就會導致IGBT損壞，造成電力變換系統停機事故。

為了解決IGBT在驅動保護?可靠性方面的不足 IPM把驅動和多種保護電路封裝在同一模塊，IPM應用過程中，不再需要用戶自己設計驅動保護電路，IGBT的驅動及保護由IPM內部電路來完成。IPM模塊通常包括一個功率MOSFET、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）或SiC（碳化硅）等開關器件，以及一個驅動電路，用于控制這些開關器件的導通和截止。

此外，IPM模塊還通常集成有電源電路、電流和電壓傳感器、過溫保護和短路保護等功能，可以提供全面的保護措施，以保證高功率電子設備的安全和可靠性。

IGBT應用范圍按照領域的不同主要可以分為三大類：消費類，工業類，汽車類。IGBT單管主要應用于小功率家用電器、分布式光伏逆變器；IGBT模塊主要應用于大功率工業變頻器、電焊機、新能源汽車（電機控制器、車載空調、充電樁）等領域；而IPM模塊應用于變頻空調、變頻冰箱等白色家電產品。

相比工控與消費類IGBT，車規級IGBT對產品安全性和可靠性提出更高要求。

作為汽車電氣化變革的關鍵制程，IGBT產品在智能汽車中具有不可替代的作用。由于汽車電子本身使用環境較為復雜，一旦失效可能引發嚴重后果，所以市場對于車規級IGBT產品的要求要高于工控類與消費類IGBT產品。對比之下，車規級IGBT對于溫度的覆蓋要求更高、對出錯率的容忍度更低且要求使用時間也更長、工藝處理和電路設計方面對可靠性和散熱性要求更高。

具體體現為：

1）車規級 IGBT 的工作溫度范圍廣，IGBT 需適應“極熱”、“極冷”的高低溫工況；2）需承受頻繁啟停、加減速帶來的電流沖擊，導致 IGBT 結溫快速變化，對 IGBT 耐高溫和散熱性能要求更高；3）汽車行駛中可能會受到較大的震動和顛簸，要求 IGBT 模塊的各引線端子有足夠強的機械強度，能夠在強震動情況下正常運行；4）需具備長使用壽命，要求零失效率。

IGBT產品的技術路徑在于不斷降低導通損耗、降低開關損耗、提升安全工作區這樣三個相互矛盾的方面來進行。

IGBT產品作為一個商業化的產品，長期目標是不斷提升性能，同時不斷降低成本。

能夠評價IGBT性能的指標有很多個，比較關鍵指標有三個，其一是降低開關損耗，是指在滿足高頻率的開關功能條件下，提升轉換能量效率；其二是導通損耗，是指電路導通后降低熱損耗，提升電能轉換效率；其三是提升安全工作區，是指盡可能保證器件在更大的溫度、電壓、電流范圍內穩定工作。

除了以上三個核心維度之外，提升電流密度、提高阻斷電壓、提高結溫、減少耗材等性能指標也很重要。通常來說，各個產品性能指標之間是相互矛盾的，同時提升所有性能指標是理想的目的，長期來看是可以實現這一過程的，但短期設計過程往往需要根據下游應用側重考慮某些重要指標。

IGBT經過30余年的不斷發展，整體性能不斷提升，核心指標來看，功率密度已經提高了3倍，能耗不斷降低只有剛開始的1/3，IGBT的新技術依然在不斷迭代中。

IGBT柵極結構從平面柵向Trench溝槽型結構發展，再發展到最新的微溝槽型。

在平面柵IGBT中，在電子流通方向上，包含溝道電阻Rkanal，JFET電阻RJFET，與漂移區電阻Rn-，通過刺蝕將溝道從橫向變為縱向，電子溝道垂直于硅片表面，消除了JFET結構，增加了表面溝道密度，提高近表面載流子濃度，從而使性能更加優化。

另一方面，相比于平面柵極IGBT，溝槽IGBT的垂直結構省去了在硅表面上制作導電溝道的面積，更有利于設計緊湊的元胞，即在同等芯片面積上可以制作更多的IGBT元胞，從而增加導電溝道的寬度，降低溝道電阻。

微溝槽型柵極結構進一步降低溝槽間距至亞微米級，使得溝道密度更高，高密度的溝槽柵能夠有效的調節出最合適的電容比率，在開關過程中較小的開關損耗以及較優的開關特性，同時采用了虛擬陪柵結構和非有源區以提高元胞通態時發射極端載流子濃度。

IGBT縱向結構發展方向從帶緩沖層的PT型發展到NPT型再到FS型。

PT型使用重摻雜的P+襯底作為起始層，在此之上依次生長N+buffer，N-base外延，最后在外延層表面形成元胞結構。工藝復雜，成本高，飽和壓降呈負溫度系數，不利于并聯，在80年代后期逐漸被NPT取代，目前IGBT產品已不使用PT技術。

NPT與PT不同在于，它使用低摻雜的N-襯底作為起始層，先在N-漂移區的正面做成MOS結構，然后用研磨減薄工藝從背面減薄到IGBT電壓規格需要的厚度，再從背面用離子注入工藝形成P+collector。

在截止時電場沒有貫穿N-漂移區，NPT不需要載流子壽命控制，但它的缺點在于，如果需要更高的電壓阻斷能力，勢必需要電阻率更高且更厚的N-漂移層，這意味著飽和導通電壓Vce(sat)也會隨之上升，從而大幅增加器件的損耗與溫升。

為了進一步調和襯底厚度、耐壓和通態壓價增大的矛盾，體結構緩沖層的電場截止（FS）被提出，當背面減薄后，先制作一層重摻雜的N型電場截止層，使得硅片更薄。

IGBT芯片隨著每一代產品的升級，各項性能指標均有提升，考慮成本后，當前性價比較高、應用廣泛的是第四代產品。

如下所表示，全球IGBT龍頭企業英飛凌有史以來誕生了七代不同的產品，每一代產品在結構上有較大的差異，在關鍵性能指標上也都有較大的提升，相對來說越是先進的產品，性能效果越高，能夠將產品研發到第幾代技術，某種程度上也說明了企業在絕對技術上的研發實力。如果考慮到成本等因素，IGBT目前性價比較高的產品屬于第四代產品。

IGBT搭乘新能源快車打開增長空間天花板

新能源汽車市場快速發展，從2021年以來，市場銷量呈爆發式增長態勢。

根據中國汽車協會數據，2021年中國新能源車銷量達到352.1萬輛，同比增速為157.57%，2022年持續大幅增長達688.7萬輛，同比增長95.60%，2019-2022年CAGR達到78.74%，增速處于高位，2023年市場余熱未消，繼續保持增長勢頭，可以預見，未來幾年新能源車市場將一直處于繁榮上升期，高景氣度持續。

IGBT是電動汽車和直流充電樁等設備的核心器件，直接影響電動汽車的動力釋放速度、車輛加速能力和高速度，相對來說汽車芯片認證周期高達3-5年。

IGBT主要應用于電動汽車電機驅動、DC/DC升壓變換器、雙向DC/AC逆變器，以及充電端的DC/DC降壓變換器。對于電動控制系統，作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆變后汽車電機的驅動；對于車載空調控制系統，作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆變；對于充電樁，在智能充電樁中被作為開關元件使用。

IGBT模塊占電動汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。汽車IGBT的技術認證標準極高，IGBT要進入到汽車供應商行列，需要滿足新汽車級標準LV324/AQG324的要求，同時還要滿足中國IGBT聯盟和中關村寬禁帶聯盟等團體標準。認證指標中主要體現在溫度沖擊、功率循環、溫度循環、結溫等與全生命周期可靠性。

最后，汽車IGBT還要通過終端汽車客戶的認證，一般來說，認證周期在3-5年。

新能源汽車IGBT市場規模測算：

模型假設：

（1）全球和中國汽車總銷量2023、2024年分別保持2%和5%左右低速增長，與全球和中國經濟增速保持一致，2025、2026年市場較為飽和，增速放緩；（2）全球新能源汽車銷量與全球知名電動汽車市場研究網站保持一致，中國新能源汽車銷量與我國國家發展工作規劃保持一致；（3）根據ICV報告中數據，2022年新能源車單車IGBT價值量為1902元，隨著新能源汽車電動化程度加深，IGBT單車價值量維持緩慢增長。

我們根據IGBT單車價值量、全球與中國新能源汽車銷量數據，測算出2026年全球新能源汽車IGBT市場規模有望達到655.72億元，中國新能源汽車IGBT市場規模2026年有望達到億407.84億元，2022-2026年CAGR為32.84%，IGBT在新能源汽車應用市場保持較高增速。

IGBT是光伏逆變器的“心臟”，在光伏領域中市場需求提速較快。

IGBT等功率器件作為光伏逆變器、風電變流器及儲能變流器的核心半導體部件，對電能起到整流、逆變等作用，以實現新能源發電的交流并網、儲能電池的充放電等功能。

其中光伏逆變器是最主要的應用場景，光伏IGBT對于可靠性的要求非常高，新能源發電輸出的電能需要通過光伏逆變器將整流后的直流電逆變為符合電網要求的交流電后輸入電網，這種線路需要將IGBT模塊性能的可用性實現最大化以保持電網的穩定性。

新能源發電主要包括風電、光伏、儲能三部分，目前風光儲裝機量大幅提升，發展勢頭強勁，同時帶動IGBT需求增長。

光伏逆變器原材料主要由結構件、電感、半導體器件等構成，半導體器件和集成電路材料主要為IGBT元器件、IC半導體等。

在碳中和背景下，光伏和風力等新能源的應用已成為指向標，中國光伏發電新增裝機容量趨勢保持逐年上升態勢，根據國家能源局數據，2023年1-8月份光伏裝機容量跳躍式增長至11316萬千瓦，超過2022年全年新增裝機容量8741萬千瓦，隨著光伏裝機量的持續增長，對IGBT的需求也迅速攀升。

逆變器中IGBT等電子元器件使用年限一般為10年-15年，而光伏組件的運營周期是25年，所以逆變器在光伏組件的生命周期內至少需要更換一次，這也進一步擴大了IGBT在光伏系統中的使用量。

中國光伏逆變器和風電變流器IGBT市場規模測算：

模型假設：

（1）全球和國內新增光伏裝機量與中國光伏行業協會預測保持一致性，我國光伏行業駛入快車道，而全球發展不確定性因素更高，因此設定同比增速低于我國；

（2）光伏組件和光伏逆變器的容配比為1.25；

（3）根據SMM數據測算出2022年光伏逆變器單瓦價格為0.20元/W，在降價大趨勢下預計2023年降至0.16元/W，在技術迭代與競爭加劇下逐年持續降低，2026年下降至0.13元/W；

（4）根據固德威招股說明書IGBT在采購金額中占比數據，我們設定IGBT占光伏逆變器成本比例維持在10%。

我們根據光伏新增裝機量預測、光伏逆變器需求量和逆變器單位價格等數據定量分析，測算出全球和國內光伏逆變器IGBT國內市場規模將從2022年的36.80億元和13.99億元逐年增長至2026年的71.95億元和27.30億元，2022-2026年復合增速分布為18.25%和18.20%。

模型假設：

（1）全球風電新增裝機量分為陸上和海上兩大類，陸上和海上新增裝機量與全球風能理事會預測保持一致，國內新增風電裝機量與國家發展規劃和全球風能理事會預測保持一致；

（2）風電變流器2022年單價參考龍頭公司招標結果公告為0.17元/W，以后年度保持穩定；

（3）根據禾望電氣招股說明書功率器件在采購金額中占比，我們設定IGBT占風電變流器成本比例維持在10%。

根據風電變流需求量、單瓦價格，我們測算出全球和國內風電變流器IGBT市場規模從2022年13.19億元和6.40億元翻倍增長至2026年的25.53億元和16.89億元，2022-2026年復合增長率分別為17.94%和27.47%

受益于新能源汽車和新能源發電的需求大幅增加，中國IGBT市場規模將持續增長，根據我們的測算結果的合計，到2026年，中國IGBT市場規模將有望達到685.78億人民幣，年復合增長率達21.48%。

在各下游市場中，新能源汽車市場依然是增速最快的部分，其市場規模2022-2026年復合增速高達32.84%；而新能源發電市場也將獲得21.34%的行業增速，成為第二大市場規模增速較高的領域；軌道交通市場的增速也相對較快達17.04%，由于其體量較小，對IGBT市場規模擴張提供的貢獻相對較小，但仍然是具有良好發展前景的應用領域；工控市場發展較為成熟，波動較小成為下游市場穩健支撐，工控IGBT市場規模保持穩定增長；變頻白電雖然增速最低，但其體量大、應用滲透率高，也是不可或缺的重要助力。

從下游占比來看，2026年預計新能源汽車、工業控制、變頻白電、新能源發電、軌道交通分別為60%、18%、15%、6%以及1%。

下游應用領域中規模占比最大的前三大領域始終為新能源汽車、工業控制和變頻白電，新能源汽車市場將在雙碳政策和技術升級雙輪驅動下繼續保持旺盛需求，其主導地位未來有望得到進一步鞏固，市場占比從2022年的42%有望在2026年提升至60%，占據IGBT市場一半以上的份額。

國產IGBT崛起有望重塑海外寡頭壟斷格局

技術壁壘

（1）IGBT的核心生產過程也包括芯片設計、晶圓制造、封測與模塊設計三個主要部分，各有其技術難點。

?芯片設計方面，IGBT芯片由于考慮到處在大電流、高電壓、高頻率工作環境的特性，對芯片的可靠性要求也相對較高，同時芯片設計需保證開通關斷、抗短路能力和導通壓降（控制熱量）三者處于動態均衡狀態，芯片設計與參數調整優化十分特殊和復雜。芯片設計環節的主要技術難點有：1.終端設計在小尺寸滿足高耐壓的基礎上須保證其高可靠性；2.元胞設計實現高電流密度的同時須保證其較寬泛的安全工作區和足夠的短路能力。

?晶圓制造方面，IGBT的正面工藝和標準BCD的LDMOS區別相差不大，其背面工藝較為復雜，要求嚴苛，主要包括三大技術難點：背板減薄、激光退火、離子注入，通過背面薄片工藝的重復性和一致性來確保批量生產的連續性。

背面工藝是在基于已完成正面Device和金屬Al層的基礎上，將硅片通過機械減薄或特殊減薄工藝（如Taiko、Temporary Bonding 技術）進行減薄處理，然后對減薄硅片進行背面離子注入，如N型摻雜P離子、P型摻雜B離子，在此過程中還引入了激光退火技術來精確控制硅片面的能量密度。特定耐壓指標的IGBT器件，芯片厚度需要減薄到100-200μm，對于要求較高的器件，甚至需要減薄到60~80μm。

當硅片厚度減到100-200μm的量級，后續的加工處理非常困難，硅片極易破碎和翹曲。從8寸到12寸有兩個關鍵門檻：減薄要求從120μm轉成80μm，翹曲更嚴重，背面高能離子注入（氫離子注入），設備單價高。

?模塊封裝方面，分為模塊設計、模塊制造，其中模塊設計包括機械結構設計、電路布局設計、熱設計、電磁設計等，一款IGBT模塊的開發需要進行機、電、熱、磁等方面的優化并兼顧模塊工藝的可實現性等方面因素。

模塊設計環節的主要難點在于保證可靠性和散熱性能：

1.在不影響器件參數的前提下，不同封裝形式其工藝路線的設計須保證內部器件的長期可靠性；

2.在保證良好的均流散熱等性能的前提下，不同封裝形式內部布局的設計須實現低雜散電感并避免內部各器件的相互干擾。

而模塊制造則是指根據特定的電路設計，將兩個或以上的IGBT芯片和其他芯片貼片到DBC板上，并用金屬線鍵合連接，然后進行灌封或塑封，以滿足芯片、線路之間的絕緣、防潮、抗干擾等要求，最后將電路密封在絕緣外殼內，并與散熱底板絕緣的工藝。

不同下游應用對封裝技術要求存在差異，其中車規級由于工作溫度高同時還需考慮強振動條件，其封裝要求高于工業級和消費級。

（2）與其他半導體不同的是，在封測與模塊上IGBT的技術壁壘極高并且擁有較高的毛利率。一般來說，所有的半導體核心工藝都有芯片設計、晶圓代工、封裝測試三個環節，相對來說芯片設計的附加值極高。

但是，對于IGBT企業來說，IGBT封測與模塊是一個技術壁壘極高的工作，在高電壓、大功率的環境下，需要解決很多功能損耗、高溫度范圍、高壓高流等諸多復雜問題，某種程度上來說模塊設計也是體現企業的核心價值一部分，一般來說毛利率也相對較高。

市場壁壘

客戶認可度是IGBT廠商的主要市場壁壘。

IGBT模塊是下游產品中的關鍵部件，其性能表現、穩定性和可靠性對下游客戶來說至關重要，下游客戶將供應鏈安全穩定作為所考慮首要因素，更傾向于和IGBT供應商保持長期合作關系，一旦合作后客戶粘性大大提升，變更已有長期合作的供應商的意愿較。

IGBT模塊認證周期較長，替換成本高，下游客戶會對于新入場的IGBT供應商保持相對謹慎的態度，不僅要考慮供應商的實力，產品還要經過單機測試、整機測試、多次小批量試用等多個環節之后才會做出大批量采購決策，采購決策周期較長。

IGBT模塊的驗證測試項目繁多，其中可靠性測試最為重要，是客戶關注度最高的性能指標。