比亞迪近日宣布，已經(jīng)成功研發(fā)了SiC MOSFET，有望于2019年推出搭載SiC電控的電動車。預計到2023年，比亞迪將在旗下的電動車中，實現(xiàn)SiC基車用功率半導體對硅基IGBT的全面替代，將整車性能在現(xiàn)有基礎上再提升10%。
數(shù)據(jù)顯示，2018年1-10月的全球新能源乘用車銷量達到148.3萬輛，預計全年將突破200萬輛。全球主要國家的新能源乘用車銷量中，中國在2018年1-11月新能源乘用車銷量就高達88.6萬輛，同比增幅84.8%，預計全年將超過100萬輛。
隨著產銷量攀升，新能源汽車的整體配套產業(yè)鏈也在同步迅猛發(fā)展。例如我們經(jīng)常看到的動力電池產能高速擴張、新材料電池研究不斷創(chuàng)新以及用于電驅動技術的多級減速器等等。不過，在我們關注這些“明星”技術產業(yè)的同時，還有一個始終在后背默默付出、且在整車制造成本中僅次于動力電池的電子元器件顯得愈發(fā)重要，它就是EV君今天要談論的主角IGBT。
看起來有些神秘的IGBT到底是什么？
IGBT為英文Insulated Gate Bipolar Transistor的縮寫，中文名稱為絕緣柵雙極型晶體管。我們知道，電動汽車在取消內燃機和傳統(tǒng)變速箱后，尤以電機、電池、電控這三電系統(tǒng)最為重要，而IGBT正是這些高壓電驅動系統(tǒng)的關鍵組件之一。
在一臺純電動汽車中，IGBT約占電機驅動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅動系統(tǒng)占整車成本的15-20%，也就是說IGBT占整車成本的7-10%，是除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。而且除電驅動系統(tǒng)外，整車包括高壓充電機、空調系統(tǒng)等多個電氣組件均需使用到IGBT。舉例來說，一臺特斯拉Model X使用132個IGBT管，由英飛凌公司（Infineon）提供。其中后電機為96個，前電機為36個，每個單管的價格大約為4-5美元，合計大約需650美元。
從功能上來說，IGBT就是一個電路開關，只不過不像家里的電燈、電視等開關由物理按鈕控制，它是由計算機控制通過電信號來開關的。對于電動汽車來說，IGBT的作用是交流電和直流電的轉換，同時還承擔了電壓高低轉換的功能。充電時是交流電，需要通過IGBT轉變成直流電然后輸送給電池，過程中需要把220V電壓轉換成適當?shù)碾妷汉蟛拍芙o電池組充電；電池放電時，通過IGBT把直流電轉變成交流電機使用的交流電，同時起到對交流電機的變頻控制，當然變壓是必不可少的。
IGBT是功率半導體器件，是電動車的核心部件之一，IGBT性能的好壞直接影響電動汽車的使用壽命、功率釋放速度、能耗表現(xiàn)等。
IGBT的行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展前景
預計2022年全球新能源汽車年產銷量將達到600萬輛，2018-2022年年均復合增長率達30%。但同期車規(guī)級IGBT市場的年均復合增長率僅為15.7%（IGBT產業(yè)整體同期為8.2% ）。可以預見，未來幾年全球車規(guī)級IGBT市場的供求將愈加緊張。而在中國，這個情況或許會更為嚴峻。按照此前工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合發(fā)布的《汽車產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，2020年單年和2025單年，中國新能源汽車的年產量將分別達到200萬輛和700萬輛。
由此預測，2018-2020年和2020-2025年間中國新能源汽車的增速將分別達到40%和28.47%。在此背景下，車規(guī)級IGBT主要依賴進口的中國面臨的供應形勢將非常嚴峻。
制約國內IGBT行業(yè)發(fā)展的困難主要包括芯片設計難度較高、加工精度要求較高、圓晶制造工藝難度大以及缺乏對應的高新技術設備等。舉個例子，在圓晶薄片加工處理上，采用最新的1200V FS技術的IGBT，需要將晶圓減薄到120um的厚度，再進行10余道工序加工。過程中對廠房潔凈度要求非常高，需要一級凈化，一個零點幾微米的微塵掉落在晶圓上，就會造成一顆IGBT芯片失效。
而IGBT芯片僅有人的指甲大小，卻要在其上蝕刻十幾萬乃至幾十萬的微觀結構電路，僅能在50萬倍的電子顯微鏡下查看。因此。IGBT被業(yè)內稱為電動車核心技術的“珠穆拉瑪峰”，長期以來，IGBT的核心技術始終掌握在國外廠商手里。
比亞迪扛起國內車規(guī)級IGBT制造大旗
令人欣慰的是，作為國內新能源汽車領導者，一向以技術自居的比亞迪正在努力的攀登這座高峰。十幾年前，當外界還不看好電動車的前景、甚至對IGBT還不太了解的情況下，在2003年就開始布局電動車的比亞迪就預見IGBT將會是影響電動車發(fā)展的關鍵技術，在研發(fā)團隊組建、產線建設等各方面投入重金，默默布局IGBT產業(yè)。
?2005年，比亞迪組建IGBT研發(fā)團隊，正式進軍IGBT領域。
?2008年10月，比亞迪收購寧波中緯半導體晶圓廠。
?2009年9月，比亞迪IGBT芯片通過中國電器工業(yè)協(xié)會電力電子分會組織的科技成果鑒定，標志著中國在IGBT芯片技術上實現(xiàn)零的突破，打破了國際巨頭的技術壟斷。
?目前，比亞迪是中國唯一一家擁有IGBT完整產業(yè)鏈的車企：包含IGBT芯片設計和制造、模組設計和制造、大功率器件測試應用平臺、電源及電控等。
經(jīng)過十余年努力，比亞迪目前已成功研發(fā)出全新的車規(guī)級產品IGBT4.0，在芯片損耗、模塊溫度循環(huán)能力、電流輸出能力等關鍵指標上，比亞迪IGBT4.0產品達到全球領先水平，成為車規(guī)級IGBT的標桿。比亞迪IGBT4.0在諸多關鍵技術指標上都優(yōu)于當前市場主流產品，包括：
1. 電流輸出能力較當前市場主流的IGBT高15%，支持整車具有更強的加速能力和更大的功率輸出能力。
2. 同等工況下，綜合損耗較當前市場主流的IGBT降低了約20%。這意味著電流通過IGBT器件時，受到的損耗降低，使得整車電耗顯著降低。以比亞迪全新一代唐EV為例，在其他條件不變的情況下，僅此一項技術，就成功將百公里電耗降低約3%。
3. 溫度循環(huán)壽命可以做到當前市場主流IGBT的10倍以上。這意味著比亞迪電動車在應對各種極端氣候、路況時，能有更高的可靠性和更長的使用壽命。此前，比亞迪電動車就以其優(yōu)異的性能與穩(wěn)定的可靠性，完成了從新疆吐魯番的高溫，到北歐的極寒、再到西藏高原的高海拔等全球最嚴苛自然環(huán)境的測試，并在全球300多個市場成功經(jīng)歷了各種氣候、路況、駕駛習慣的考驗，得到廣泛認可。
在工藝指標方面，大規(guī)模應用的1200V車規(guī)級IGBT芯片的晶圓厚度上，比亞迪處于全球先進水平，可將晶圓厚度減薄到120um（約兩根頭發(fā)絲直徑）；為保證產品質量，比亞迪IGBT生產環(huán)境的潔凈度要求達到最高等級的一級，即指每立方英尺（0.0283立方米）中，直徑超過0.5微米的微塵離子不能超過1個；晶圓的制造用水，標準需達到超純水（也就是幾乎去除氧和氫以外所有原子的水），為達到這個標準，需要經(jīng)過20多層凈化；為保證產品品質，晶圓生產所需的光刻機需要保持平穩(wěn)。
在晶圓工廠，光刻機需要放在特制的防震臺上，避免路過的車輛、甚至從旁經(jīng)過的人的腳步對其的影響。此外，為了防震，晶圓工廠的地基需要打到巖石層。
得益于在IGBT領域的成果，比亞迪電動汽車的超凡性能得以成功落地，并具有持續(xù)迭代升級的能力。在比亞迪IGBT對電流準確、有效的控制下，比亞迪全新一代唐EV的百公里加速時間達到行業(yè)領先的4.4秒。同時，比亞迪IGBT在芯片損耗、電流輸出能力等方面的優(yōu)異性能，極大提升驅動系統(tǒng)的工作效率，和電池等其他關鍵技術一起，將比亞迪全新一代唐EV等純電動車的續(xù)航里程提升到了600公里（60KM/小時等速行駛情況下）。
比亞迪提前布局SiC，欲再度引領未來
“馴服”了IGBT，比亞迪又將目光投向了更遠的未來。
雖然在未來較長一段時間內，IGBT仍將供不應求。但比亞迪也已預見到，隨著電動車性能不斷地提升，對功率半導體組件提出了更高的要求，當下的IGBT也將逼近硅材料的性能極限。尋求更低芯片損耗、更強電流輸出能力、更耐高溫的全新半導體材料，已成為學界和業(yè)界的普遍共識。
據(jù)悉，比亞迪已投入巨資布局第三代半導體材料SiC，并將整合材料（高純碳化硅粉）、單晶、外延、芯片、封裝等SiC基半導體全產業(yè)鏈，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在電動車領域的應用。
比亞迪近日宣布，已經(jīng)成功研發(fā)了SiC MOSFET（汽車功率半導體包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或 MOSFET等），有望于2019年推出搭載SiC電控的電動車。預計到2023年，比亞迪將在旗下的電動車中，實現(xiàn)SiC基車用功率半導體對硅基IGBT的全面替代，將整車性能在現(xiàn)有基礎上再提升10%。
十多年前，比亞迪打破國際巨頭對IGBT的技術壟斷，助力我國電動車的快速發(fā)展；今天，比亞迪推出了全新的車規(guī)級IGBT4.0，為我國汽車產業(yè)的換道超車，提供強大的“中國芯”。未來，伴隨著SiC的推出與大規(guī)模應用，比亞迪立志成為全球最大的車規(guī)級功率半導體供應商，使比亞迪功率半導體芯片對于新能源汽車的意義，如高通之于手機、英特爾之于電腦，成為（車規(guī)級）功率半導體領域的全球領導者，為“中國芯”騰飛添磚加瓦。
2019中國新能源汽車消費論壇暨“金輿獎”頒獎盛典：
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