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IGBT,爱你还是恨你!
  • 2021-07-26 20:53:47
  • 浏览:5855
  • 来自:光伏测试网

  相比9个9到12个9的的硅,你可能并不知道何为IGBT;相比硅料的中国制造,你可能并不知道是谁在垄断IGBT;相比硅料的涨价,你可能并不知道IGBT是否涨价和你又有什么关系。

  然而,IGBT还是出现在了你的眼前。

  

  1. 什么是IGBT?

  IGBT,绝缘栅双极型晶体管芯片(Insulated Gate Bipolar Transistor),被称为电力电子行业“CPU”,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,具有驱动功率小,饱和压降低的特点。

  没听懂?……

  IGBT兼备MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点,本质上可以看成非通即断的开关,根据在电路中接收到的指令来调整电压、电流、频率等……

  还是没听懂?……

  其实你只需要知道IGBT是当前电力电子行业最受欢迎的电子器件,相当于一个开关。以前电子行业用MOSFET或者GTR,但前者导通压降大,载流密度小,后者驱动电流较大,只有IGBT兼具两者的优点,非常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(逆变器)、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

  把IGBT与另一种FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装成IGBT模块化半导体产品,便可直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。

  不仅性能好,同样规格的IGBT价格比MOS已经低40%左右,下游客户出于成本的考虑基本都会用IGBT。除了在某些特定领域可能还会有一定需求,光伏领域基本已经都是IGBT了。

  正因为IGBT有如此大的优势,因而已被公认为世界电力电子产业的第三大革命。

  2. IGBT怎么了?

  当一个产品被产业和资本界广泛关注,大概率是因为利润高。而IGBT的利润高已经不是三两年的事情,但因为全球就那么两三家会做,技术被垄断,因此产业界和投资界早就安安心心地在做IGBT模块。能让产业界和资本界再次关注IGBT的原因,那就是不仅利润高,而且还涨价和缺货!

  和光伏组件、电池、硅片扩产一样,和风电行业扩产一样,和新能源车、充电桩扩产一样,用于这些领域的电力电子设备也在扩产。在功率器件领域,尤其是IGBT行业对应光伏发电、风电这些新能源应用市场,无论是国内国外的市场都非常火。

  以光伏为例,光伏领域的IGBT包括单管和模块,中小功率逆变器主要是IGBT单管,大功率逆变器则是IGBT模块需求旺盛,今年逆变器客户的IGBT出货量增速普遍在50%以上。

  光伏逆变器成本平均为0.15元/W,其中IGBT模块单位成本在2020年初约为0.013元/W,但2021年以来,IGBT涨价迅猛,目前在逆变器中的单位成本已经超过逆变器成本的10%,这还是以逆变器涨价后的价格来计算。在IGBT模块中,IGBT芯片大概占了60%的成本。

  仅在今年二季度,原厂IGBT的涨价幅度普遍在10%以上,英飞凌、安森美对主要客户的提价幅度在10%-20%之间,部分代理商的涨价幅度更高,让下游IGBT模块厂家和终端逆变器厂家承受了巨大的成本压力。

  问题是不仅涨价,还缺货。一方面由于供给端受制于疫情、产能周期影响有所下滑,导致目前IGBT供需高度紧张,各规格产品的交期普遍超过六个月;另一方面新能源产业(光伏、风电、充电桩)的扩产速度实在太快。有消息称,考虑到中国逆变器企业覆盖全球约80%的新增装机需求,预计未来三年光伏行业每年IGBT采购需求将达到20、21、23亿的水平,未来十年光伏新增对应的IGBT采购需求为400亿元。

  和光伏供应链一样,扩产就意味着保供。但在光伏、风电领域,只有阳光电源、华为这样的逆变器巨头在保供、议价能力上优势明显,拿货优先级高,其它逆变器企业,别看固德威、锦浪股价飙升,都只能列入规模、资金有限的中小厂商,如果拿不到货只能去市场上以几倍的价格扫货。

  IGBT厂家的调研显示:预计IGBT缺货至少会延续至明年上半年。

  3. 光伏IGBT供应链

  IGBT模块涉及很多原材料,比如IGBT芯片、电阻、电容、驱动等,但其核心是IGBT芯片。

  制造芯片的重要原料就是硅晶圆,与IGBT成本强相关的主要就是晶圆的尺寸和成本。当光伏硅料价格上涨三倍时,电子行业的硅料也不能独善其身。从某种意义上说,硅料涨价也是IGBT涨价的原因之一。

  光伏领域对IGBT芯片的可靠性、效率、功率密度的要求很高,总体来说英飞凌和安森美处于领先地位,产品比其他厂商领先一代以上。

  加上很多国内逆变器厂商以出口为主,终端客户也对品牌有一定要求,因此在光伏市场,国内IGBT厂商基本没有份额,英飞凌(Infineon)、安森美(Onsemi)占据全球80%以上份额。

  英飞凌总部位于德国,安森美总部位于美国,尽管都在中国设有工厂,但疫情显然会影响其全球供应链。英飞凌和安森美在马来西亚都有产能,今年有差不多一个半月的时间都不能正常生产,而且停线之后的产能恢复也不是马上就能实现的。

  由于目前IGBT整体的缺货比较严重,部分客户也在对国内厂商的产品进行测试,或者在低端机型中进行试用,对于风电、光伏、充电桩等领域,作为“电力产品”的“CPU”,新产品需要一个验证的过程,验证周期可能会长达2-3年,大规模的国产话还没有实现,更没有大规模使用。

  和背板原材料PVDF相似,光伏的IGBT供应也会被其它行业的“抢货”。对于IGBT厂家来说,汽车业务的优先级都是最高的,5G、电池等领域的应用优先级也比光伏高,这些都会抢占现有IGBT的产能。

  由于IGBT的供应基本被英飞凌、安森美垄断,对于这些海外供应商来说,其海外客户如西门子、三星、施耐德的优先级也会更高。即便在光伏行业,SMA、SolarEdge、Emphase、Fronius等海外品牌的规模和实力也不弱,同样比中国逆变器企业更有优先权。同为德国企业,SMA在英飞凌的优先级别中或许更有优势;同为美国企业,SolarEdge、Emphase在安森美的客户目录中也可能更有优势。

  PV Infolink最新发布的☞☞2021年光伏供应链分析及趋势显示,今年全球光伏新增装机将达到155GW左右。

  传统的光伏逆变器三巨头有阳光电源、华为、SMA。此前受美国对华为限供政策的影响,华为一方面提前准备了一部分库存,一方面尝试自己生产IGBT单管或者模块,这一度让其它逆变器厂商看到了拿货的希望。但随着英飞凌和安森美都拿到了太阳能的供货许可,华为也加入到抢货的阵列。

  目前看来,在光伏逆变器领域,英飞凌和安森美的产能也就能满足120GW的需求,和其市占率相对匹配。但对于一个量价齐升的市场来说,考虑到安全库存、中间商囤货等因素,正好匹配就代表着缺货,整体上看光伏领域IGBT的紧张短期内不太能够缓解。

  4. 光伏IGBT的技术迭代

  IGBT的出现,被誉为“电力电子领域的第三代技术革命”,不仅性能好,同样规格的IGBT价格还比MOS产品低40%左右,因此IGBT基本上占据了整个光伏逆变器市场。

  MOS产品性能差,价格高,逆变器等电力电子产品基本上不太可能回到MOS时代,但这并不代表IGBT就是光伏逆变器的唯一选择和未来。

  从技术迭代的角度来看,一种被称为“碳化硅”的产品在光伏领域具有较好的发展前景,对逆变器性能的提升效果非常明显。

  SiC碳化硅的介电击穿强度大约是硅材料的10倍,还有更好的热导率,因此SiC功率器件可提供高耐压和低压降,可以打造出性能远优于硅基材料技术的半导体器件。

  碳化硅在光伏领域有很大的应用前景,因为它可以提升系统的工作频率与效率。如果把硅基的IGBT换成碳化硅,光伏逆变器的性能能够有很大的提升。

  碳化硅也已被开发了几年时间,在某些特殊的场景里已经有应用,比如三相升压MPPT中大家基本已经在用1200V的碳化硅二极管,此外一些混合使用的方案也正在变得普遍,比如硅基IGBT/MOS搭配碳化硅二极管等。

  但影响碳化硅被大量使用的最主要障碍是价格。由于碳化硅晶圆衬底的成本天然较高,碳化硅的成本暂时不可能降到IGBT的水平,就同样规格的产品而言,碳化硅的价格一般是传统硅基的2-3倍,对于光伏这样的“降本至上”行业来说,碳化硅在光伏领域的渗透很少。现在有些国内光伏客户已经在用国内厂商的碳化硅二极管,因为二极管相对来说比较简单,但国产的碳化硅MOS管还没有看到国内客户在用。

  碳化硅是在新的材料上做新的产品,如果能够把可靠性做得好,前景是非常广阔的,在高端、大功率的领域碳化硅的应用会相对快一些,但在户用场景中可能会相对比较慢,很多地方也根本用不到碳化硅这么好的产品。

  IGBT这么多年来都未能被中国企业突破,但碳化硅已经有很多国内企业在引领降本,如果国内企业能在碳化硅降本这条路上走得再快一些,或许不就的将来,碳化硅会成为国内企业替代IGBT实现弯道超车的重要法宝。

【责任编辑:sunnyz】
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