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(dòng)車(chē)。預(yù)計(jì)到2023年，比亞迪將在旗下的電動(dòng)車(chē)中，實(shí)現(xiàn)SiC基車(chē)用功率半導(dǎo)體對(duì)硅基IGBT的全面替代，將整車(chē)性能在現(xiàn)有基礎(chǔ)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(chē)銷(xiāo)量達(dá)到148.3萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)全年將突破200萬(wàn)輛。全球主要國(guó)家的新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量中，中國(guó)在2018年1-11月新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量就高達(dá)88.6萬(wàn)輛，同比增幅84.8%，預(yù)計(jì)全年將超過(guò)100萬(wàn)輛。
隨著產(chǎn)銷(xiāo)量攀升，新能源汽車(chē)的整體配套產(chǎn)業(yè)鏈也在同步迅猛發(fā)展。例如我們經(jīng)?？吹降膭?dòng)力電池產(chǎn)能高速擴(kuò)張、新材料電池研究不斷創(chuàng)新以及用于電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的多級(jí)減速器等等。不過(guò)，在我們關(guān)注這些“明星”技術(shù)產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，還有一個(gè)始終在后背默默付出、且在整車(chē)制造成本中僅次于動(dòng)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?wù)摰闹鹘荌GBT。
看起來(lái)有些神秘的IGBT到底是什么？
IGBT為英文Insulated Gate Bipolar Transistor的縮寫(xiě)，中文名稱(chēng)為絕緣柵雙極型晶體管。我們知道，電動(dòng)汽車(chē)在取消內(nèi)燃機(jī)和傳統(tǒng)變速箱后，尤以電機(jī)、電池、電控這三電系統(tǒng)最為重要，而IGBT正是這些高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一。
在一臺(tái)純電動(dòng)汽車(chē)中，IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車(chē)成本的15-20%，也就是說(shuō)IGBT占整車(chē)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(chē)的能源效率。而且除電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外，整車(chē)包括高壓充電機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)等多個(gè)電氣組件均需使用到IGBT。舉例來(lái)說(shuō)，一臺(tái)特斯拉Model X使用132個(gè)IGBT管，由英飛凌公司（Infineon）提供。其中后電機(jī)為96個(gè)，前電機(jī)為36個(gè)，每個(gè)單管的價(jià)格大約為4-5美元，合計(jì)大約需650美元。
從功能上來(lái)說(shuō)，IGBT就是一個(gè)電路開(kāi)關(guān)，只不過(guò)不像家里的電燈、電視等開(kāi)關(guān)由物理按鈕控制，它是由計(jì)算機(jī)控制通過(guò)電信號(hào)來(lái)開(kāi)關(guān)的。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，IGBT的作用是交流電和直流電的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還承擔(dān)了電壓高低轉(zhuǎn)換的功能。充電時(shí)是交流電，需要通過(guò)IGBT轉(zhuǎn)變成直流電然后輸送給電池，過(guò)程中需要把220V電壓轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷汉蟛拍芙o電池組充電；電池放電時(shí)，通過(guò)IGBT把直流電轉(zhuǎn)變成交流電機(jī)使用的交流電，同時(shí)起到對(duì)交流電機(jī)的變頻控制，當(dāng)然變壓是必不可少的。
IGBT是功率半導(dǎo)體器件，是電動(dòng)車(chē)的核心部件之一，IGBT性能的好壞直接影響電動(dòng)汽車(chē)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(yù)計(jì)2022年全球新能源汽車(chē)年產(chǎn)銷(xiāo)量將達(dá)到600萬(wàn)輛，2018-2022年年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)30%。但同期車(chē)規(guī)級(jí)IGBT市場(chǎng)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率僅為15.7%（IGBT產(chǎn)業(yè)整體同期為8.2% ）。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)幾年全球車(chē)規(guī)級(jí)IGBT市場(chǎng)的供求將愈加緊張。而在中國(guó)，這個(gè)情況或許會(huì)更為嚴(yán)峻。按照此前工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合發(fā)布的《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，2020年單年和2025單年，中國(guó)新能源汽車(chē)的年產(chǎn)量將分別達(dá)到200萬(wàn)輛和700萬(wàn)輛。
由此預(yù)測(cè)，2018-2020年和2020-2025年間中國(guó)新能源汽車(chē)的增速將分別達(dá)到40%和28.47%。在此背景下，車(chē)規(guī)級(jí)IGBT主要依賴進(jìn)口的中國(guó)面臨的供應(yīng)形勢(shì)將非常嚴(yán)峻。
制約國(guó)內(nèi)IGBT行業(yè)發(fā)展的困難主要包括芯片設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的高新技術(shù)設(shè)備等。舉個(gè)例子，在圓晶薄片加工處理上，采用最新的1200V FS技術(shù)的IGBT，需要將晶圓減薄到120um的厚度，再進(jìn)行10余道工序加工。過(guò)程中對(duì)廠房潔凈度要求非常高，需要一級(jí)凈化，一個(gè)零點(diǎn)幾微米的微塵掉落在晶圓上，就會(huì)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(wàn)乃至幾十萬(wàn)的微觀結(jié)構(gòu)電路，僅能在50萬(wàn)倍的電子顯微鏡下查看。因此。IGBT被業(yè)內(nèi)稱(chēng)為電動(dòng)車(chē)核心技術(shù)的“珠穆拉瑪峰”，長(zhǎng)期以來(lái)，IGBT的核心技術(shù)始終掌握在國(guó)外廠商手里。
比亞迪扛起國(guó)內(nèi)車(chē)規(guī)級(jí)IGBT制造大旗
令人欣慰的是，作為國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)領(lǐng)導(dǎo)者，一向以技術(shù)自居的比亞迪正在努力的攀登這座高峰。十幾年前，當(dāng)外界還不看好電動(dòng)車(chē)的前景、甚至對(duì)IGBT還不太了解的情況下，在2003年就開(kāi)始布局電動(dòng)車(chē)的比亞迪就預(yù)見(jiàn)IGBT將會(huì)是影響電動(dòng)車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，在研發(fā)團(tuán)隊(duì)組建、產(chǎn)線建設(shè)等各方面投入重金，默默布局IGBT產(chǎn)業(yè)。
?2005年，比亞迪組建IGBT研發(fā)團(tuán)隊(duì)，正式進(jìn)軍IGBT領(lǐng)域。
?2008年10月，比亞迪收購(gòu)寧波中緯半導(dǎo)體晶圓廠。
?2009年9月，比亞迪IGBT芯片通過(guò)中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子分會(huì)組織的科技成果鑒定，標(biāo)志著中國(guó)在IGBT芯片技術(shù)上實(shí)現(xiàn)零的突破，打破了國(guó)際巨頭的技術(shù)壟斷。
?目前，比亞迪是中國(guó)唯一一家擁有IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈的車(chē)企：包含IGBT芯片設(shè)計(jì)和制造、模組設(shè)計(jì)和制造、大功率器件測(cè)試應(yīng)用平臺(tái)、電源及電控等。
經(jīng)過(guò)十余年努力，比亞迪目前已成功研發(fā)出全新的車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)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(guān)鍵指標(biāo)上，比亞迪IGBT4.0產(chǎn)品達(dá)到全球領(lǐng)先水平，成為車(chē)規(guī)級(jí)IGBT的標(biāo)桿。比亞迪IGBT4.0在諸多關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上都優(yōu)于當(dāng)前市場(chǎng)主流產(chǎn)品，包括：
1. 電流輸出能力較當(dāng)前市場(chǎng)主流的IGBT高15%，支持整車(chē)具有更強(qiáng)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(dāng)前市場(chǎng)主流的IGBT降低了約20%。這意味著電流通過(guò)IGBT器件時(shí)，受到的損耗降低，使得整車(chē)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(xiàng)技術(shù)，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(dāng)前市場(chǎng)主流IGBT的10倍以上。這意味著比亞迪電動(dòng)車(chē)在應(yīng)對(duì)各種極端氣候、路況時(shí)，能有更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。此前，比亞迪電動(dòng)車(chē)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(yán)苛自然環(huán)境的測(cè)試，并在全球300多個(gè)市場(chǎng)成功經(jīng)歷了各種氣候、路況、駕駛習(xí)慣的考驗(yàn)，得到廣泛認(rèn)可。
在工藝指標(biāo)方面，大規(guī)模應(yīng)用的1200V車(chē)規(guī)級(jí)IGBT芯片的晶圓厚度上，比亞迪處于全球先進(jìn)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(chǎn)品質(zhì)量，比亞迪IGBT生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度要求達(dá)到最高等級(jí)的一級(jí)，即指每立方英尺（0.0283立方米）中，直徑超過(guò)0.5微米的微塵離子不能超過(guò)1個(gè)；晶圓的制造用水，標(biāo)準(zhǔn)需達(dá)到超純水（也就是幾乎去除氧和氫以外所有原子的水），為達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，需要經(jīng)過(guò)20多層凈化；為保證產(chǎn)品品質(zhì)，晶圓生產(chǎn)所需的光刻機(jī)需要保持平穩(wěn)。
在晶圓工廠，光刻機(jī)需要放在特制的防震臺(tái)上，避免路過(guò)的車(chē)輛、甚至從旁經(jīng)過(guò)的人的腳步對(duì)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(lǐng)域的成果，比亞迪電動(dòng)汽車(chē)的超凡性能得以成功落地，并具有持續(xù)迭代升級(jí)的能力。在比亞迪IGBT對(duì)電流準(zhǔn)確、有效的控制下，比亞迪全新一代唐EV的百公里加速時(shí)間達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先的4.4秒。同時(shí)，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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率，和電池等其他關(guān)鍵技術(shù)一起，將比亞迪全新一代唐EV等純電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程提升到了600公里（60KM/小時(shí)等速行駛情況下）。
比亞迪提前布局SiC，欲再度引領(lǐng)未來(lái)
“馴服”了IGBT，比亞迪又將目光投向了更遠(yuǎn)的未來(lái)。
雖然在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，IGBT仍將供不應(yīng)求。但比亞迪也已預(yù)見(jiàn)到，隨著電動(dòng)車(chē)性能不斷地提升，對(duì)功率半導(dǎo)體組件提出了更高的要求，當(dāng)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(qiáng)電流輸出能力、更耐高溫的全新半導(dǎo)體材料，已成為學(xué)界和業(yè)界的普遍共識(shí)。
據(jù)悉，比亞迪已投入巨資布局第三代半導(dǎo)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(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用。
比亞迪近日宣布，已經(jīng)成功研發(fā)了SiC MOSFET（汽車(chē)功率半導(dǎo)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(dòng)車(chē)。預(yù)計(jì)到2023年，比亞迪將在旗下的電動(dòng)車(chē)中，實(shí)現(xiàn)SiC基車(chē)用功率半導(dǎo)體對(duì)硅基IGBT的全面替代，將整車(chē)性能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提升10%。
十多年前，比亞迪打破國(guó)際巨頭對(duì)IGBT的技術(shù)壟斷，助力我國(guó)電動(dòng)車(chē)的快速發(fā)展；今天，比亞迪推出了全新的車(chē)規(guī)級(jí)IGBT4.0，為我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的換道超車(chē)，提供強(qiáng)大的“中國(guó)芯”。未來(lái)，伴隨著SiC的推出與大規(guī)模應(yīng)用，比亞迪立志成為全球最大的車(chē)規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體供應(yīng)商，使比亞迪功率半導(dǎo)體芯片對(duì)于新能源汽車(chē)的意義，如高通之于手機(jī)、英特爾之于電腦，成為（車(chē)規(guī)級(jí)）功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，為“中國(guó)芯”騰飛添磚加瓦。
2019中國(guó)新能源汽車(chē)消費(fèi)論壇暨“金輿獎(jiǎng)”頒獎(jiǎng)盛典：
http://www.21cnev.com/html/zt/2018jinyujiang/index.html
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