1、半导体结构分类

半导体的典型分类是：集成电路、功率分立器件、光电子器件以及传感器，其中后三者又统称为分立器件，集成电路又可以分为微处理器（CPU、MPU、MCU、MPR等）、逻辑IC（各种与非门阵列、编码器、译码器运算电路以及触控显示驱动IC等）、存储器以及模拟电路(射频芯片、放大器等)。由于集成电路本身的限制，在对电能的处理和变换领域，分立器件依然发挥着重要的作用，特别是在超大功率、高压等高性能场合，分立器件表现出色，依然是不可或缺的存在；同时由于万物互联、电动化、智能化的浪潮以及碳中和、新能源的发展，功率半导体更是迎来了新的发展机遇。广义分立器件包括无源分立器件和有源分立器件，包含电容、电阻、二极管、三极管、传感器、光学器件等；狭义的分立器件单指有源的分立器件，不包括传感器和光学器件；即仅仅包括各类二极管（Diode）、晶体三级管（Transistor）、晶闸管（Thyristor）等，也就是所谓的功率半导体。

图1：半导体行业的分支结构

资料来源：山东神光研究所

功率半导体器件（Power Semiconductor Device） 又称电力电子器件（Power Electronic  Device），主要用于电力设备的电能变换和电路控制，是进行电能（功率）处理的核心器件，弱电控制与强电运行间的桥梁，属于半导体的一个分支。功率半导体主要包括功率分立器件、功率模组和功率IC。

功率分立器件主要包括二极管、晶体三极管和晶闸管，其中晶体三极管又主要包括功率BJT、GTR等双极型晶体管、功率 MOSFET 以及绝缘栅双极型晶体管IGBT （其实上述三种都属于晶体三极管的一个子分类功率三极管，占晶体三极管的很大份额）等。

功率集成电路分为 DC\DC（升压\降压转换）、AC\DC（直流\交流转换）、电源管理 IC、驱动 IC 等。

功率模块是将多个功率分立器件和功率集成电路进行模块化封装得到的，大多数应用于终端都会是以功率模块的形式。

另外，功率半导体按照是否可控可以分为不可控型、半可控型以及全控型，所谓不可控型是指不能用信号控制电路的通断；半可控型是指可控制导通，不能控制关断；全控型既可控制导通又可控制关断。而在全控型中，又分为电流驱动和电压驱动，三极管BJT属于电流驱动，而MOSFET、IGBT则属于电压驱动。发展历程上也是由单极型向双极型以及复杂型升级、由不可控向半可控以及全控型过渡、从分立器件向功率IC最后功率模块演变、材料工艺上也由原来的Si基器件向现在的新型SiC和GaN等材料发展以突破物理性能限制，完善和提高器件的性能。

典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理等，除了保证电路正常运行，节能效果是功率半导体的另一个重要的作用，被广泛应用于工控、汽车、新能源（新能源汽车和光伏、风电等）、通信、家电、消费电子等多个领域。

图2：功率半导体分类和应用占比

资料来源：IHS  Gartner  山东神光研究所

图3：功率半导体的应用范围

资料来源：Applied materials  英飞凌  山东神光研究所

2、IGBT—电力电子装置的CPU

晶体三极管包括BJT、MOSFET、IGBT三种，BJT和MOSFET是传统的功率半导体产品，IGBT是新一代的功率半导体器件，其被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，是目前工业控制及自动化领域的核心元器件，被称为电力电子行业里的“CPU”，广泛应用于工业控制、高铁、轨道交通、智能电网、新能源汽车、新能源发电、航空航天、家用电器、汽车电子等领域。

IGBT是 Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写，即绝缘栅双极型晶体管，是一种大功率的电力电子器件，是能源变换和传输的核心器件，可以理解为“非通即断”的开关，主要用于变频逆变和其他逆变电路，将直流电压逆变成频率可调的交流电。其作用类似于人类的心脏，能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的。

IGBT是由 BJT 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，BJT 导通电压小，电流密度大，损耗小；MOSFET 的驱动功率很小，开关速度快。IGBT其兼具 MOSFET 的高输入阻抗和低的 BJT 传导电压的两个优点，降低了驱动功率和饱和电压，是电力电子领域较为理想的开关器件（MOS是高频，IGBT兼顾高频和高压，IGBT倾向于高压的优势，在超高频还是MOS占优势）。

表1：三种功率三极管器件的性能对比

资料来源：公开资料  山东神光研究所

IGBT由于其优异的性能，问世以来快速发展，并在很多领域取代了MOSFET和BJT成为主要的功率半导体器件。根据中金企信国际咨询的数据，2019年全球MOSFET 市场规模为76亿美元，2020年全球MOSFET的市场规模达到80.67亿美元，同比增长6.1%，同时预计2021—2022年全球MOSFET的市场规模复合增长率约为6.7%，2025年将达到118.47亿美元。而根据Mordor Intelligence的数据2020年全球IGBT的市场规模大约在60.5亿美元左右，到2026年将增长到110.1亿美元，复合增长率将达到11%。预计IGBT的复合增长率将远高于MOEFET。

而根据Yole测算，近年来在新能源汽车、光伏风电、变频家电等下游需求的拉动下，2020年全球IGBT市场规模约为54亿美元，同时2026年全球IGBT市场规模将达到84亿美元，年复合增长率约为8%，依然高于MOSFET的6.7%左右的年化增长率。

图4：全球IGBT市场空间测算（单位:十亿美元）

资料来源：Yole  山东神光研究所

中国是全球最大的功率半导体需求国家，中国 IGBT 市场规模占全球比重将近 40%；同时也是最大的IGBT需求市场，且增速远远高于全球其他市场。根据中国产业信息网和头豹研究院数据整理，2014 年，我国 IGBT 行业市场规模为 79.8 亿元，预测到 2020 年，我国 IGBT 行业将实现 197.7 亿元的收入，年复合增长率达 16.32%。预计到 2023 年中国 IGBT 行业整体市场规模有望达到 290.8 亿元，市场前景广阔。根据 Yole 预测，2024 年我国行业 IGBT 产量预期达到 0.78 亿只，需求量达到 1.96 亿只，仍存在巨大供需缺口。

图5：中国IGBT市场规模（亿元）和增速

资料来源：中国产业信息网  头豹研究院  山东神光研究所

按照工作电压的不同，IGBT主要分为低压（600V以下）、中压（600V—1200V）和高压（1700V以上）三个等级。其中，低压IGBT主要应用于消费电子、家电等领域；中压IGBT主要应用于新能源汽车（电控系统的核心元器件）、光伏（光伏逆变器）、工控等领域；高压IGBT主要应用于智能电网、轨道交通、风电、光伏等领域；

图6：IGBT主要应用领域

资料来源 ：Yole  山东神光研究所

目前，全球市场上，工控、家电和新能源汽车是 IGBT 的主要应用领域，分别达到31%、24%和9.4%；而由于新能源汽车的爆发增长，预计汽车用IGBT将会迎来强劲需求，占比有望进入前两位。据Yole预计，新能源汽车用IGBT在2020年的市场规模为5.09亿美元，并将在2020年至2026年间以23%复合年增长率增长，达到17亿美元；而且因为受到政府二氧化碳减排目标的强烈推动，汽车市场正在从ICE转向EV/HEV，将使得这一转变正在进一步加速。

相比来说，中国IGBT下游的市场分布与全球有所差异，主要是国内新能源汽车发展较快速，导致新能源汽车用IGB第一，达到30%左右，这一侧面证实了新能源汽车用IGBT有望迎来爆发增长的预测。根据华经情报网数据，2020 年中国 IGBT 市场应用以新能源汽车、工业控制及消费电子类为主，占比分别为 30%、27%及 22%。

图7：2021年全球 IGBT 下游应用占比

资料来源：产业调研  山东神光研究所

图8：2020年中国IGBT 下游应用占比

国内企业供需缺口大，国产替代会是未来的主旋律

我国是全球最大的IGBT市场，占比达到40%，而且随着新能源、高铁、工业等领域的快速发展和回暖，国内的需求增长迅速，虽然 我国 IGBT 企业产量持续上升，但仍存在较大的供需缺口，特别是高端的IGBT器件，目前国内基本没有。资料显示，预计 2024 年我国 IGBT 行业产量预期达到 0.78 亿只，需求量达到 1.96亿只，基于国家相关政策中提出核心元器件国产化的要求，“国产替代”将会是未来 IGBT 行业发展的主旋律之一。

图9：中国 IGBT 供需缺口巨大

资料来源：Yole  智研咨询  山东神光研究所

国外企业占据主导，国内企业奋起直追

市场格局上，全球IGBT基本呈现多寡头垄断格局，根据中国产业信息网的数据，全球前五大 IGBT 厂商的市场份额合计达74%，且主要为欧美日公司；同时在高端IGBT领域，基本全部被欧美日公司占据。根据 Omdia 数据，2020 年 IGBT 分立器件市场及 IGBT 模块市场规模前三的企业均为英飞凌、富士电机及三菱。其中英飞凌 IGBT 市场市占率全面领先， IGBT 分立器件和 IGBT 模块的市占率分别为 29.3%和36.5%

国内企业方面差距较大，但在奋起直追。在IGBT 分立器件市场中，中国企业士兰微进入全球前十，2020 年市场份额为 2.6%；在 IGBT 模块市场中，2020 年斯达半导跻身全球第六，市场份额为 3.3%。

图10：2020年全球IGBT厂商收入排名（百万美元）

资料来源：Yole  山东神光研究所

图11：2019年全球IGBT市场竞争格局

资料来源：头豹研究院  山东神光研究所

同时在不同的工作电压领域也有不同的龙头公司。根据英飞凌数据，英飞凌的产品主要集中在中压领域，三菱的产品主要集中在高压领域，富士电机的产品主要集中在中高压领域，安森美的产品主要集中在中低压领域，ABB 的产品主要集中在高压领域。不过，目前国外的大厂正在瞄准最大的IGBT市场， 即应用范围最广的中压市场：制造商们都开始提供600V-1200V组件， 并提供新的产品系列(从800到1000v)。 包括三菱电机、东芝、 Onsemi在内的电子制造商正在寻求与竞争对手的区别， 他们提供具有“中间” 标称电压等级的IGBT设备， 如1300伏、 1350伏、 2000伏等。Yole预计， 到2026年， 超过80%的市场将专注于 600V-1200V 标称电压范围。

图14：2018 全球 IGBT 厂商按主要产品电压等级分类

资料来源：IHS Markit  山东神光研究所

国内市场来看，海外厂商同样占据 50%以上的市场份额，国产替代的空间十分广阔。国内企业近年来也涌现了一批IGBT企业，比如中国中车，比亚迪微电子、士兰微、华微电子、斯达半导等，但大多数只在中低端领域，而且工艺以6—8寸为主，但目前国内头部厂商12寸产品也已经批量出货。

另外，值得指出的是，受益于我国高铁和轨道交通的发展，在高铁等高压领域的IGBT实现了国产替代，而随着国内新能源发展，国内新能源汽车和光伏用的IGBT迎来了发展机遇。特别是斯达半导拥有第七代IGBT技术，全面应用于车载、光伏、风电、工控等领域，且基于第七代IGBT技术的车规级芯片研发成功，预计于2022年开始批量出货。

图15：国内IGBT应用领域及重点厂商

资料来源：头豹研究院  山东神光研究所

图16：2019年中国IGBT市场竞争格局

资料来源：中国产业信息网  山东神光研究所

IGBT跟集成电路一样产业链环节包含设计、制造、封装模组和终端。产业模式同样包括IDM和Fabless，实力雄厚的国际巨头一般采用IDM模式，比如英飞凌、三菱等。而国内IDM公司主要包括中车时代、比亚迪电子、士兰微、华微电子以及扬杰科技等；其他公司大多专注于设计、封装或者模块的一个或几个领域，而把制造环节委托给第三方晶圆制造公司，比如中芯国际、上海华虹、上海先进等。设计公司主要包括：斯达半导、新洁能、宏微科技等。封装模组公司主要包括长电科技、通富微电、华天科技等。

图17：国内IGBT产业链

资料来源：公开资料整理  东亚前海 山东神光研究所

表2：国内IGBT厂商梳理

资料来源：公开资料整理 天风证券  山东神光研究所

3、IGBT下游应用：工控稳健，新能源汽车和风光储驱动快速增长

3.1、传统工业控制和弧焊电源行业回暖稳健增长

传统工业控制领域是目前IGBT应用的最大下游市场，在工业控制领域主要是应用于变频器、逆变焊机和UPS电源，其中变频器是主要的应用领域。变频器是一种把电压和频率固定不变的交流电变成电压和频率可变的交流的装置，按照变频器所配电机的电压等级，变频器市场细分为高压和中低压两个部分。

中低压变频器是变频器最重要的细分市场，占整体市场的 60-70%。低压变频器用途非常广泛，下游市场非常分散，主要有电梯、风电、纺织机械、起重机械等跟宏观经济有广泛联系的市场。过去几年受到宏观经济疲软的影响，整体市场规模处于震荡周期。

高压变频器的下游客户主要集中在电力、冶金、煤炭、石油化工、水泥、造纸、市政、交通等领域，多为高能耗的企业。我国绝大部分工业企业都存在设备性能低下、工艺落后、能耗指标高、能源效率低等特点，未来存量市场的节能改造将是行业发展的主旋律，而高压变频器作为节能减排的主力军和急先锋，未来存在着巨大的市场需求。

表3：变频器细分市场下游应用和代表公司

资料来源：公开资料整理  山东神光研究所

在碳中和、碳达峰背景下，变频器在冶金、煤炭、石油化工等工业领域的应用范围将不断扩大。同时我国城市化进程的加快也推动变频器在市政、轨道交通等公共事业领域的

需求持续增长。根据前瞻产业研究院统计，2019 年我国变频器市场规模达到495 亿元，其中高压变频器市场规模为 133 亿元，中低压变频器市场规模为362 亿元 。

根据前瞻产业研究院数据，到2025年，我国中低压变频器市场规模将达到 464 亿元，2020-2025 年均复合增速为 4.08%。假设中低压变频器行业平均毛利率为 25%，IGBT 器件在中低压变频器成本占比为 15%，则 2025 年我国中低压变频器用 IGBT 的市场规模为 52 亿元。我国高压变频器市场规模将达到 212 亿元， 2020-2025 年均复合增速为 8.50%。假设高压变频器行业平均毛利率为 20%， IGBT 器件在高压变频器成本占比为 8%，则2025 年我国高压变频器用 IGBT 的市场规模为 14 亿元。 即预计2025年我国变频器用IGBT市场规模将会达到66亿元，整体市场规模跟随变频器市场稳健增长，年化增长率约为5%左右。

图18：2015—2025年我国变频器行业市场规模和结构

资料来源：前瞻产业研究院  山东神光研究所

逆变式弧焊电源，又称弧焊逆变器，是一种新型的焊接电源。这种电源一般是将三相工频（50 赫兹）交流网路电压，先经输入整流器整流和滤波，变成直流，再通过大功率开关电子元件（IGBT）的交替开关作用，逆变成几千赫兹至几万赫兹的中频交流电压，同时经变压器降至适合于焊接的几十伏电压，后再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。随着焊割设备应用企业对焊割设备节能环保性能越来越重视，相对传统电焊机，其具有体积小、重量小、能耗低、可控性强、造价低等优点的逆变焊割设备面临较好的发展机遇 。

根据前瞻产业研究院数据，我国逆变焊机 2023 年预计市场规模为 363 亿元，我们预计到 2025 年我国逆变焊机市场规模将达 414 亿元，2020-2025 年年均复合增速为 7.22%。假设逆变电焊机行业平均毛利率为 30%，IGBT 在逆变电焊机成本比重为 10%，则2025 年我国逆变焊机用 IGBT 市场规模将达 29 亿元。

3.2、新能源汽车将成为IGBT最大增量市场

目前全球主要地区国家出台各类政策，加速推进新能源汽车发展。根据欧盟 ACEA 汽车温室气体排放协议规定，到 2030年前汽车二氧化碳排放量需要低于每公里 59 克，排放量需要减少 37.5%，预计到 2030 年欧盟新能源汽车渗透率将达到 40%。中国方面， 中汽协在发布的《新能源汽车产业发展规划》 报告中指出，至 2025 年，我国新能源汽车占新车总销量占比将达到 20%。同时欧洲各国逐步出台燃油车禁售时间表，荷兰、挪威 2025 年禁售燃油车， 德国、 英国 2030 年禁售燃油车， 美国未公布确切时间， 预计2035 年或 2040 年开始。

在全球各主要地区积极推动碳中和的背景下，全球新能源汽车销量将迎来快速增长。根据 EvTank 数据，2021 年全球新能源汽车销量将达到750 万辆（实际数据销量为675万辆），预计 2025 年全球新能源汽车销量将达到 1800 万辆，到 2030 年将达到 4000 万辆， 2021-2030 年 CAGR 达到 20.44%。

而我国新能源汽车发展处于领先地位，预计2025 年我国新能源汽车销量或将达到 900 万辆。根据 GGII 预测，2021 年中国新能源汽车销量将达到 300 万辆， 同比增长约 120%，2016-2021 年 CAGR 达到 42.7%（实际国内新能源汽车销量为352辆，同比增长160%，远超于预期）。根据中汽协发布的《中国汽车市场中长期预测（2020-2035） 》 报告，预计 2025 年中国汽车销量有望达到 3000 万辆，2025 年规划的新能源汽车渗透率目标为 20%，目前来看新能源汽车渗透率进展超预期，市场预期普遍在20%-35%之间，若2025 年新能源汽车渗透率将达到30%，则2025 年我国新能源汽车销量将达到 900 万辆。

图19：新能源汽车销量（万辆）

资料来源：EvTank  山东神光研究所

图20：中国新能源汽车销量（万辆）

资料来源：中汽协  GGII  山东神光研究所

电池、电机、电控新能源汽车的三大核心系统。IGBT 模块在新能源汽车领域中发挥着至关重要的作用，是新能源汽车电机控制器、车载空调、充电桩等设备的核心元器件，IGBT 模块相当于汽车动力系统的“CPU”。

根据 Digitimes Research 的估计，新能源汽车成本结构中最大者为电池，占比约 42%，其次就是包含电机、电控在内的驱动系统，其中电机占比约为10%，而 IGBT 占驱动系统成本约 37%，再加上空调等使用的 IGBT，因此 IGBT 占整车成本超过4%.根据英飞凌的报告，新能源汽车中半导体用量显著增长，从轻度混动车型到纯电动车型，半导体用量从 531 美元增长到了 775美元，而其增量几乎全部来自功率半导体。

图21：GBT在新能源汽车结构中的占比

资料来源：英飞凌  山东神光研究所

根据上文EvTank 数据，预计 2025 年全球新能源汽车销量将达到1800万辆，到 2030 年将达到4000万辆，2021-2030 年 CAGR 达到 20.44%；而根据国际清洁交通委员会预测， 2025 年新能源汽车成本平均保持在 13800-17600 美元之间（取均值 16150 美元），2030 年新能源汽车成本平均保持在 12100-16500 美元之间（取均值14300 美元）。按照IGBT模块占整车成本约4%计算，则2025年全球新能源汽车用IGBT市场规模为116亿美元，2030年全球新能源汽车用IGBT市场规模229亿美元。

而国内市场规模上，预计2025 年我国新能源汽车 IGBT 市场规模或将达到 385 亿元， 2019-2025 年 CAGR 达 33.8%。2030 年我国新能源汽车 IGBT 市场规模或将达到 575 亿元， 2019-2030 年CAGR 达 21.6%。

3.3、风光储，IGBT市场的另一增长极

除了新能源汽车，降低碳排放量的另一个关键举措就是大力发展光伏、风电等绿色能源的发展，而由于光伏、风电等绿色能源容易受到天气变化影响，储能可以起到削峰填谷，提高风、光等可再生能源的消纳水平的作用，实现发电稳定、提高电网品质，因此储能电站成为绿色能源的配套和补充，在碳中和背景下，风光储将迎来爆发增长。

光伏

光伏逆变器（风电变频器同理），是将光伏太阳能板产生的可变直流电压（DC）转换为市电频率交流电（AC） 的变频器，其稳定性与安全性可直接影响光伏发电系统的运行与发电效率。而IGBT可直接影响光伏逆变器在下游端的光伏发电效率，是光伏逆变器提高光伏能力转化率的核心器件。

据中国光伏行业协会统计，2025 年全球光伏市场新增装机将介于270 和 330GW 之间。2020-2025 年 CAGR 在 15.74%-20.48%之间。中国市场方面，2025 年我国光伏市场新增装机将介于 90 和 110GW之间，2020-2025 年 CAGR 在 13.30%-17.94%之间。

同时，据中国光伏行业协会测算，2020 年中国光伏逆变器加权平均成本约为 0.2 元/W， 随着成本下降速度逐渐放缓，预计 2025 年成本将会降至 0.15 元/W。根据 IMS Research 数据，在光伏逆变器中，功率模块及分立器件成本合计占比约为 9%，测算出 2025 年光伏逆变器中功率器件单位成本约为1350 万元/GW。

据此，按照2025年全球新增光伏装机300GW，中国新增光伏装机100GW计算，预计2025 年全球光伏逆变器IGBT市场规模将达到 40.5 亿元，国内光伏逆变器IGBT市场规模为13.5亿元。

图22：全球及中国光伏逆变器功率器件新增市场规模及预测（单位：亿元）

资料来源：中国光伏工业协会  国家统计局  山东神光研究所

风电

根据全球风能协会预计，2025年全球新增风电装机量为112GW，中国新增风电装机量为45GW；同时，预计风电装机成本随着技术推进逐年下降，风电变频器在风机中成本占比约 6.5%，IGBT 在变频器中成本占比约 10%，则预计 2025 年全球风电变频器 IGBT 新增市场规模达到 59.3 亿元，中国风电变频器 IGBT 新增市场规模达到23.78亿元。

图23：全球及中国风电变频器 IGBT 新增市场规模及预测（单位：亿元）

储能

储能的话，目前整体的装机量还比较小，但是增长迅速。2020 年全球储能逆变器需求达到4.5GW 左右，保持 20%以上的增速增长，2022 年，全球光伏储能逆变器出货量预计达到7.1GW。IHS Markit 报告显示，2025 年新增并网型光伏储能逆变器规模将有望增至 10.6GW。Wood Mackenzie 预测，到2024 年，中国将成为亚太地区最大的储能市场，累计储能容量预计将从 2017 年的 489MW/843MWh 增长到 2024 年的 12.5GW/32.1GWh。

虽然相对光伏和风能发电的绝对数量还比较低，但是将会是强有力的补充，预计随着储能装机容量的不断提升，储能逆变器用IGBT也将迎来高速增长。

杨红训（执业编号：A0430617080001）

参考资料：中信证券 《IGBT行业全球供需格局测算》 徐涛 2022.3.17

天风证券 《新能源的新风口：IGBT、4680、换电以及复合集流体拉动的投资机遇》 李鲁靖 2021.11.28

东亚前海证券《电子行业IGBT专题周报》 赵翼 2021.12.21

头豹研究院 《2021年中国IGBT概述：国产替代进度加快》 鲍金玲 2021.12

安信证券 《新能源发电持续景气，光伏IGBT市场前景广阔》 马良 2022.3.8