IGBT：绿色经济的“核芯”
行业深度报告 2011年2月15日
绿色经济中的新能源、高铁、电动汽车、智能电网这些产业或产品中，无一例外
的出现IGBT（绝缘栅双极型功率管）的身影，IGBT是它们必不可少的功率“芯
脏”。大功率、高耐压、节能效果好等特点决定了IGBT是目前也是未来相当长一
段时间内高端功率半导体的主流技术。
?市场前景广阔
新能源、高铁、电动汽车等绿色经济产业在未来十年甚至更长的时间里将保持每
年20-30%的高速增长，发展绿色经济成为全球各个主要经济体的共识。作为绿
色经济的功率“芯脏”，IGBT市场发展前景一片光明。
?进口替代空间巨大
目前IGBT的国内主要供应商都是外国厂商，它们占到中国IGBT市场的95%以上
的份额。与此同时，由于国内大功率半导体骨干企业技术的进步以及质量水平不
断提高，中国企业在IGBT这个未曾涉足的行业中已经有所突破，初步形成了从
芯片设计到芯片封装、测试的完整产业链。
?政策扶植持续不断
中国很早就认识到IGBT的重要性。早在1996年，当时的国家计委（国家发改委
的前身），即把发展IGBT芯片及模块产业化作为重点项目实施。以此作为起点，
到2010年3月国家发展改革委办公厅提出关于组织实施《2010年新型电力电子器
件产业化专项的通知》，专项重点明确了以IGBT为代表的芯片和器件的设计开发
及产业化、功率模块产业化等。我们认为，这一方面体现中国政府对于IGBT的
重视，另一方面也说明IGBT技术的难度。
?抓住技术突破型公司
我们认为，在IGBT这个以技术为门槛的行业中，谁掌握了技术，谁就掌握了市
场。根据这个标准，我们推荐南车时代电气（3898.HK）、华润微电子（0597.HK），
重点关注中环股份（002129.深交所）、科达股份（600986.上交所）和台基股份
（300046.创业板）。
?风险提示
产品的质量水平与国际先进水平尚有差距。如果产品质量水平不能尽快全面接近
和达到国际先进水品，将在中国高端市场的竞争中处于劣势地位，无法抓住中国
市场发展和全球产业转移的良好机遇。
研发投入和装备投入如不能持续，则将在技术发展、品质提升、创新能力上处于
劣势。
https://www.doczj.com/doc/8012770393.html,
目录
一、IGBT功率半导体行业概述 (5)
1.1、IGBT的介绍 (5)
1.2、IGBT功率半导体发展历程 (5)
1.3、IGBT产业链分析 (6)
二、IGBT功率半导体下游需求旺盛，发展前景看好 (7)
三、绿色经济中，IGBT功率“核芯”作用不可替代 (8)
3.1、风力发电 (8)
3.2、太阳能发电 (12)
3.3、高铁及轨道交通 (15)
3.4、电动汽车 (19)
3.5、智能电网 (22)
四、中国企业技术实现突破，IGBT行业进口替代潜力巨大 (25)
4.1、现有市场基本被外国进口厂商把持 (25)
4.2、中国企业技术实现突破，进口替代指日可待 (27)
4.3、坚强后盾，国家支持 (28)
五、公司分析 (29)
5.1、英飞凌 (29)
5.2、南车时代电气 (31)
六、投资节奏上，重点关注技术突破型公司 (32)
七、风险提示 (32)
图目录
图1、IGBT模块构架示意图 (5)
图2、IGBT外观图 (5)
图3、IGBT能耗演变图 (6)
图4、IGBT制造流程 (7)
图5、IGBT半导体行业产业链 (7)
图6、2003-2020年IGBT市场预测 (8)
图7、IGBT下游应用情况 (8)
图8、2005-2009风力发电市场分析 (9)
图9、2008-2009全球前五大风力发电国家新增装置量 (9)
图10、2000-2009年中国累计风电装机容量 (10)
图11、风力发电原理 (10)
图12、风能成本分布图 (11)
图13、风机成本分布图 (11)
图14、风力发电驱动系统结构 (11)
图15、2000-2009世界太阳能发电市场分析 (12)
图16、2007-2014年中国光伏安装情况的预测 (13)
图17、欧、美太阳能模块价格变化表 (13)
图18、世界光伏逆变器需求量及销售额 (14)
图19、光伏发电示例 (14)
图20、光伏发电系统总体框架 (15)
图21、太阳能逆变器典型框架 (15)
图22、现代交流传动电力机车结构示意图 (16)
图23、交流机车牵引传动系统的构成 (16)
图24、我国大秦线重载用hxd2机车 (17)
图25、hxd2机车主牵引变流器onix实物图 (17)
图26、逆变器palix模块实物图 (18)
图27、新能源汽车销量预测 (19)
图28、串联式 (20)
图29、并联式 (20)
图30、混联式 (20)
图31、不同工作模式中电动机与发动机功率分配图 (20)
图32、混合动力汽车布局示意图 (21)
图33、纯电动汽车布局示意图 (21)
图34、电动机和发电机用逆变器集成模块 (21)
图35、功率主回路示意图 (21)
图36、电能传输面对的问题 (23)
图37、智能电网投资结构 (23)
图38、大功率半导体在电力系统的应用领域 (24)
图39、2004-2012年中国IGBT市场规模及预测 (25)
图40、英飞凌1996-2011年市场增长情况（百万美元） (29)
图41、各个子业务在英飞凌的市场占比 (30)
图42、英飞凌产品在全球的市场份额及地位 (31)
图43、南车时代电气主营业务占比（百万元） (32)
表目录
表1、IGBT技术发展路径 (6)
表2、IGBT中国市场规模估算（亿元） (8)
表3、近期中国轨道交通对IGBT需求量 (15)
表4、机车用IGBT牵引变流器的特殊要求 (17)
表5、palix模块主要构成 (17)
表6、几种常用轨道交通牵引IGBT模块 (18)
表7、电动汽车分类 (20)
表8、IGBT在智能电网中的作用 (24)
表9、中国IGBT市场上主要国外厂商情况 (26)
表10、中国企业IGBT技术实现突破 (27)
表11、国家关于IGBT的扶持政策 (28)
表12、英飞凌主营业务 (30)
表13、南车时代电气主营业务 (31)
一、IGBT功率半导体行业概述
1.1、IGBT的介绍
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。目前广泛应用于电机、变换器（逆变器）、变频器、UPS、EPS 电源、风力发电设备、太阳能发电设备、高铁等工业控制领域。可实现短路保护等优点在600V及以上中压应用领域中竞争力逐步显现，在UPS、开关电源、电车、交流电机控制中已逐步替代GTO、GTR。
图1：IGBT模块构架示意图图2：IGBT外观图
信息来源：湘财证券信息来源：英飞凌，湘财证券
1.2、IGBT功率半导体发展历程
最原始的IGBT概念是在1980年代的前半期就被引出来，它是采用DMOS平面栅技术在两层外延（n+层和n-层）硅片上制成的。此后，IGBT技术的演变不仅是在表面结构上，而且也在重直结构上，并得到加速发展以满足逆变化的功率变换系统的需要。其结果，最新的IGBT技术推演出一种最新的表面结构“CSTBT”器件，这就是“载流子储存的沟槽型双极晶体管”，以及一种最新的重直结构“LPT”器件，即“弱穿通”型IGBT。这两种新结构能够显著地改进通态电压、开关性能及安全工作区（SOA）相互之间的折衷。以IGBT表面结构来区分的话，目前其技术发展一共经历了六代的发展。在技术进步的同时，其能耗也随之大大降低。
图3：IGBT能耗演变图
信息来源：湘财证券
图5：IGBT 半导体行业产业链
信息来源：湘财证券
二、IGBT 功率半导体下游需求旺盛，发展前景看好
我们预计预测2020年IGBT 的全球市场规模将由目前的约20亿美元达到2.5倍的50亿美元以上。其原因是配备逆变器的各种家电产品、混合动力汽车、电动汽车、电车、智能电网相关产品、太阳能电池以及风力发电（可再生能源相关产品）等各种应用产品有望增长。
图6： 2003-2020年IGBT 市场预测
图7：IGBT 下游应用情况
资料来源：iSuppli, 湘财证券资料来源：英飞凌，湘财证券
2009年中国IGBT市场为30亿元左右，我们预计未来几年IGBT市场随着绿色经
济的推进将得到快速发展，增速将达到30%以上，远超过增个功率器件市场。
表2：IGBT中国市场规模估算（亿元）
2008 2009 2010E 2011E 2012E 变频器13.14 14.92 18.73 24.20 31.10 太阳能0.03 0.12 0.45 0.75 0.94
风力发电 4.68 10.31 13.61 17.97 23.72
电动汽车0.03 0.11 3.43 5.71 9.71
大功率机车 4.20 5.17 6.35 8.26 9.91 合计22.09 30.63 42.57 56.89 75.38
（变频器广泛应用于电力、冶金、石油化工、矿山、机床、电梯、家用电器、UPS等行业）
信息来源：湘财证券
三、绿色经济中，IGBT功率“核芯”作用不可替代
3.1、风力发电
2009年中国新增风电发电能力13803MW，是2008年6300MW的两倍多。数据显示，
去年中国约占全球新增风电发电能力的三分之一，而且过去五年的持续发展，使中
国在2009年超过西班牙，成为全球第三大风电提供地。三年以前，中国风电能力
在全球仅排在第10位，发电量为5910MW。
图8：2005-2009风力发电市场分析
信息来源：全球风能协会，湘财证券
图9：2008-2009全球前五大风力发电国家新增装置量
信息来源：全球风能协会，湘财证券
中国风电市场获得的强有力支持来自与本地采购规定。特别是发改委规定，风电场的国产设备采购率必须达到70%才能获准建设。
在该政策影响下，目前国产风力涡轮机占新订单的76%以上，同时占中国总体风电市场的62%。数据显示，2009年中国最大的三家风电厂商—中科宇能、金风科技以及DEC占55%的市场。此外，预计未来三年每年将产生9亿美元以上与该领域相关的新业务。
图10：2000-2009年中国累计风电装机容量
信息来源：湘财证券
接下来我们看一下风力发电的基本原理。见图11
图11：风力发电原理
信息来源：湘财证券
风力发电驱动系统的成本在风机甚至风能的全部成本中占据相当重要的比重，具体情况见图12、图13。
图12：风能成本分布图图13：风机成本分布图
资料来源：中国风力发电网，湘财证券资料来源：中国风力发电网，湘财证券
如图12所示，风机成本占风电固定成本的绝大多数（64%），而在风机中，风力发电驱动系统也占据了相当的比重（15%）。根据以上两图可得，风力发电机驱动系统占据所有固定风电成本的9.6%左右。因此，风力发电机从成本角度考虑，也是风电系统的重要一环。
目前电网的标准工作电压是50Hz的电压。然而风力发电有很大的不确定性。一般双馈电项目，通常产生的频率是-20到+20Hz的三相电。这样就产生了和50Hz不兼容的矛盾。
变频器一般将某一频率的交流电转化为另一种频率的交流电。变频器有两种结构，一种为交交变频器，也就是交流电直接转交流电，但是目前已经退出主流市场。第二种是常用的交直交变频器，它的思路是将交流电首先转化为标准的直流电，然后把直流电转化成目标交流电（240V，50Hz）。
图14：风力发电驱动系统结构
信息来源：湘财证券
IGBT作为变频器的重要零部件，单台高压变频器中IGBT所占成本比重多在4%-15%之间，风机多使用中低压变频器，IGBT占中低压变频器原材料总成本的26%左右。换句话说，其在固定风机成本中占有2.5%左右的比重。
3.2、太阳能发电
太阳能的大规模应用将是21世纪人类社会进步的重要标志，而光伏并网发电系统是光伏系统的发展趋势。光伏并网发电系统的最大优点是不用蓄电池储能，因而
节省了投资，系统简化且易于维护。随着绿色电力运动势头不减，太阳能的应用即光伏发电、太阳能电池等方兴未艾。
图15：2000-2009世界太阳能发电市场分析
数据来源：EPIA，湘财证券
2009年中国光伏（PV）装机发展速度快于政府的规划。原来官方预测是，2010年光伏发电装机容量达到300MW，但预计今年新安装容量将达到500MW，全面超越了当初的目标。2010年8月的国家大型光伏电站特许权招标项目就达到280MW。
图16：2007-2014年中国光伏安装情况的预测
数据来源：EPIA，湘财证券
2010年市场对太阳能需求的增长，推升太阳能制造商以及整条供应链走向规模经济生产，产业的密度也增加，对应的一个结果就是模块成本逐年减少。（如图16）
图17：欧、美太阳能模块价格变化表
信息来源：湘财证券
作为太阳发电的核心设备的太阳能逆变器，它与光伏系统相关的市场关联紧密。其占据系统成本比例在10-15%之间。随着近几年全球光伏安装规模的逐渐扩大，光伏逆变器的市场也急剧发展。
图18：世界光伏逆变器需求量及销售额
信息来源：湘财证券
光伏发电系统主要框架见图18、图19。
图19：光伏发电示例
信息来源：湘财证券
图20：光伏发电系统总体框架
信息来源：湘财证券
太阳能逆变器主要作用是将蓄电池输出的直流电转换为50Hz的SPWM波，再经过滤波电感和工频变压器将其转换成为220V的标准正弦波电压。作为太阳能逆变器的关键功率零件，IGBT更是必不可少。
图21：太阳能逆变器典型框架
信息来源：湘财证券
3.3、高铁及轨道交通
中国铁路“十一五”规划的四纵四横铁路网将会把铁道总里程从2006年的76，000公里提高到2020年的120，000公里，加上未来五年内中国拥有城市轨道交通线路的城市将会达到25个，总里程达到1，000公里。我们预计，这一雄心勃勃的规划加上新增的经济刺激计划，将会有20，000亿元资金用于未来铁道建设中去。并增加5，000辆电力及柴油机车、2，000辆高速动车组以及3，000辆客车厢。还有至少1，000列以上的城轨地铁车辆。这些车辆所使用的主牵引变流器及辅助变流器对IGBT模块的需求是惊人的。举例而言，每节地铁车厢需要50~80个IGBT 模块，每节电力机车则需要100个，每节高速动车的需求量也不低于100个。经过我们初略测算，上述轨道交通市场对IGBT模块需求将超过3百万个。
信息来源：湘财证券
机车车辆是包括电力电子技术、机械科学、材料科学、计算机技术、自动控制及航空等现代技术的集中体现，图22所示为现代交流传动电力机车的结构及主要电
气设备示意图。
图22：现代交流传动电力机车结构示意图
信息来源：北京交通大学，湘财证券
交流机车牵引系统主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器、三相交流牵引电机等组成（见图23）
图23：交流机车牵引传动系统的构成
信息来源：北京交通大学，湘财证券
图23所示系统主要包括3个环节：网侧四象限冲整流器实现功率调节；电机侧变器实现频率变换；异步牵引和机械传动部分实现机电能量转换。
牵引变流器作为列车的心脏，决定了列车的启动、制动和最高运行速度等性能。机车车辆（动车组）技术的发展，很集中的反映到牵引变流器的发展上。铁路和城市轨道车辆用IGBT牵引变流器较其他工业用变流器具有更高的要求，具体要求有以下几个方面：
表4：机车用IGBT牵引变流器的特殊要求
以中国大秦线载重用hx d 2机车为例，其使用的是阿尔斯通公司的onix 系列牵引变流器。图25所示为hx d 2机车一个转向架用牵引变流器柜实物图。
图24：我国大秦线重载用hx d 2机车 图25：hx d 2机车主牵引变流器onix
信息来源：北京交通大学，湘财证券 信息来源：北京交通大学，湘财证券
onix 系统由逆变器palix 模块、滤波电容器、汇流母线及其控制和调节元件组成，其中palix 模块是由固定在一起的几个IGBT 模块集合而成的插入式模块，冷却方式为乙二醇液冷。
图26：逆变器palix 模块实物图
信息来源：北京交通大学，湘财证券
目前IGBT已逐步成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流功率器件，并且6.5KV/600A的高压IGBT器件已经实现商品化。
日本的700系高速列车是第一个采用IGBT技术的高速列车；法国为tgv 东部线研制的agv高速列车也将采用IGBT变流器；上海轨道交通3号线车辆及其辅助系统由电压等级为3300 V的IGBT构成2点式逆变器直接逆变；深圳地铁一期采用6个用作牵引逆变器的IGBT模块和2个用于制动斩波器的IGBT模块完成牵引逆变功能。附表5为几种常用轨道交通牵引IGBT模块的应用情况。
中国南车集团下属的株洲南车时代电器在2008年11月以1.09亿元人民币收购了英国大功率半导体制造商Dynex 75%的股权，成为其控股母公司。
目前Dynex的IGBT产品约占株洲南车时代电气的机车主牵引机及辅助变流器成本的1/3。
表6：几种常用轨道交通牵引IGBT模块
电压定
额电压定
流制造厂家应用领域
1700V 1200A
ABB
MITSUBISHI
英飞凌
DYNEX
DC750供电的地铁、轻轨、磁浮领域
3300V 800A
ABB
MITSUBISHI
英飞凌
TOSHIBA
DYNEX
DC1500供电的地铁、轻轨、磁浮及机车领域
DC1500供电的地铁、轻轨、磁浮及中间电压
为DC1800V机车、动车领域
4500V 900A MITSUBISHI
TOSHIBA
DYNEX
中间电压为DC2500V的机车、动车领域
以目前实用水平最高的混合动力汽车（HEV）为例，按照发动机与电动机的不同组合工作方式，其主要可以分为三类：串联式、并联式和混连式，基本结构如图28～31所示。
图28：串联式图29：并联式
信息来源：湘财证券信息来源：湘财证券
图30：混联式图31：不同工作模式中电动机与发动机功率分配图
信息来源：湘财证券信息来源：湘财证券
以丰田的Prius为例，其混合动力系统使用的就是上面图30所示的混联式。它可以最大限度的发挥串联式与并联式的各自优点。工作时，利用动力分配器分配发动机的动力：一方面直接驱动车轮，另一方面自主地控制发电。由于要利用电能驱动电动机，所以与并联式相比，电动机的使用比率增大了。
图32：混合动力汽车布局示意图图33：纯电动汽车布局示意图