IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，中文名為絕緣柵雙極型晶體管，是一個(gè)有MOS Gate的BJT晶體管，可以簡單看成一個(gè)非通即斷的開關(guān)。IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷诩矣秒娖鳌⒐I(yè)、交通、電網(wǎng)等領(lǐng)域有重要作用，被稱為電力電子的“CPU”。
IGBT等效電路
IGBT如此重要，長期以來我國卻不得不面對依賴進(jìn)口的尷尬局面，市場主要被英飛凌、三菱、富士電機(jī)為首的國際巨頭壟斷，國產(chǎn)化占比長期處于較低水平。
比亞迪IGBT的崛起
不過，隨著中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了周邊電子元器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國產(chǎn)IGBT迎來了發(fā)展的春天。根據(jù)集邦資訊的分析報(bào)告指出，比亞迪微電子憑借擁有終端的優(yōu)勢，在車用IGBT市場快速崛起，取得中國車用IGBT市場超過兩成的市占率，一躍成為中國銷售額前三的IGBT供應(yīng)商。這樣的成績得益于比亞迪一直以來在IGBT領(lǐng)域的大力研發(fā)投入，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2018年11月，比亞迪累計(jì)申請IGBT相關(guān)專利175件，其中授權(quán)專利114件。
當(dāng)前，比亞迪的新能源汽車業(yè)務(wù)已經(jīng)和燃油車業(yè)務(wù)達(dá)到了平分秋色的地步。根據(jù)比亞迪官方近期發(fā)布的銷售統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在比亞迪2018全年累計(jì)銷售的52.07萬輛車中，其中新能源汽車為24.78萬輛，燃油車為27.29萬輛。比亞迪新能源汽車占比從2017年的27.75%提升至2018年的47.59%。
在新能源汽車制造中，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。新能源汽車銷量逐年走高，比亞迪要想更好的凈利潤表現(xiàn)，不斷攻克IGBT關(guān)鍵技術(shù)是必經(jīng)之路。從2003年進(jìn)入新能源汽車領(lǐng)域起，比亞迪就一直在關(guān)注IGBT等電動(dòng)車核心技術(shù)的自主研發(fā)和創(chuàng)新。
比亞迪進(jìn)入IGBT產(chǎn)業(yè)是在2005年，并于2009年打破國際廠商壟斷，取得了IGBT的核心技術(shù)突破。
目前，比亞迪擁有國內(nèi)首個(gè)汽車IGBT打造鏈條，包括IGBT芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝等部分，還有仿真測試以及整車測試。
2018年年底，比亞迪發(fā)布了在車規(guī)級領(lǐng)域具有標(biāo)桿性意義的IGBT4.0技術(shù)，再一次展示出其在電動(dòng)車領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，進(jìn)一步打破了國際大廠形成的技術(shù)壁壘。
比亞迪的IGBT4.0在綜合損耗方面比主流產(chǎn)品低20%；電流輸出能力較市場當(dāng)前主流產(chǎn)品高15%；溫度循環(huán)壽命做到了同類主流產(chǎn)品的10倍以上。
產(chǎn)品性能不輸國際大廠，這就是比亞迪人員敢稱自己和歐廠、日廠三分天下的底氣。
從長遠(yuǎn)來看，比亞迪將IGBT技術(shù)提升到了國際領(lǐng)先水平對于比亞迪新能源汽車健康發(fā)展有保駕護(hù)航的作用，不至于在核心部件上被“卡脖子”。根據(jù)市場調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2018-2022年，全球電動(dòng)車年復(fù)合增長率達(dá)30%，但同期車規(guī)級IGBT市場的年復(fù)合增長率僅為15.7%。比亞迪是國內(nèi)唯一擁有IGBT技術(shù)的車廠，避免了坐等英飛凌IGBT發(fā)貨導(dǎo)致汽車研發(fā)滯后的尷尬。要知道，目前IGBT的正常供貨周期已經(jīng)達(dá)到8-12周，最長達(dá)到52周。當(dāng)供需關(guān)系進(jìn)一步緊張之后，車廠“斷糧”并非不可能。
目前，比亞迪IGBT芯片晶圓的產(chǎn)能為5萬片/月，年供應(yīng)新能源汽車60萬輛。到今年年中，比亞迪IGBT產(chǎn)能有望達(dá)到10萬片/月，年供應(yīng)新能源汽車可達(dá)120萬輛，將很大程度上緩解我國新能源汽車IGBT芯片供應(yīng)不足問題。
另外，IGBT也是新能源充電樁的核心部件之一，占到充電樁成本的20%。由于未來幾年新能源汽車及充電樁市場將進(jìn)入爆發(fā)期，加上國產(chǎn)替代的大趨勢，比亞迪IGBT的市場份額有望進(jìn)一步提高。
比亞迪在功率器件的其他布局
傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件基于硅基制造，未來的趨勢是采用第三代半導(dǎo)體材料（如 SiC、 GaN），具有寬禁帶特性。
根據(jù)比亞迪微電子高級研發(fā)經(jīng)理吳海平的描述，比亞迪做車用IGBT是被逼迫的，因?yàn)闆]有工業(yè)級IGBT廠商愿意理會當(dāng)時(shí)比亞迪的車用需求，才讓比亞迪走上了自研的道路。比亞迪自研汽車核心功率器件一直堅(jiān)持自主創(chuàng)新，走出自己的特色。
同時(shí)，吳海平也提到，比亞迪的研發(fā)，保持對新技術(shù)的敏感，研發(fā)要有提前量。
IGBT是MOSFET的改進(jìn)版，并不能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓和大電流，高于2KV的功率裝置系統(tǒng)，GTO或IGCT仍然牢牢地占領(lǐng)和控制著市場，IGBT在這一點(diǎn)上望塵莫及。且硅基器件的至命缺點(diǎn)是電壓不高 , 隨電壓升高 , 功耗會迅速增加。而上述所提到的高功率，基于SiC的MOSFET 器件基本都能實(shí)現(xiàn)。比亞迪在車用功率器件的提前量研發(fā)就是SiC器件。
SiC材料制作的MOS器件可在大于200度的高溫環(huán)境下工作，具有極低的開關(guān)損耗和高頻工作能力，減小了模塊的體積和重量，顯著提高了系統(tǒng)的效率，有利于節(jié)能降耗。因此在新能源汽車市場擁有廣闊的應(yīng)用前景。
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)車領(lǐng)域的應(yīng)用。
預(yù)計(jì)到2023年，比亞迪旗下所有電動(dòng)車都將會實(shí)現(xiàn)SiC器件對IGBT的全面替代。
國產(chǎn)IGBT缺口巨大
SiC器件代表著未來，IGBT則是當(dāng)前的剛需。IGBT并不是簡單的分立器件，是目前功率電子器件里技術(shù)最先進(jìn)的產(chǎn)品，是國家“02專項(xiàng)”的重點(diǎn)扶持項(xiàng)目。國務(wù)院在發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出，至2020年，我國純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車年生產(chǎn)能力將達(dá)200萬輛，等效為8英寸IGBT晶圓年需求100萬片，預(yù)計(jì)到2020年，中國IGBT銷售額將達(dá)近200億元。
從當(dāng)期的局勢來看，我國IGBT的產(chǎn)業(yè)格局并不樂觀。首先在產(chǎn)業(yè)鏈布局上就略顯薄弱，目前從事IGBT國產(chǎn)化的廠商主要有以下幾家。
在IDM模式廠商中，除了中國中車和比亞迪分別依靠高鐵和新能源汽車取得了一定的成績，其他廠商在技術(shù)和設(shè)備上較國際大廠有很大的差距。因而，我國IGBT總體市場有90%是依賴進(jìn)口產(chǎn)品的。
其次，國內(nèi)廠商對于IGBT國產(chǎn)化替代的意愿并不強(qiáng)烈，英飛凌、三菱等廠商的IGBT產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過了市場的長期驗(yàn)證，國產(chǎn)IGBT廠商屬于后進(jìn)者，產(chǎn)品在穩(wěn)定性方面較國際大廠有很大的不確定性，設(shè)備廠商更換國產(chǎn)產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)很大，這也是制約國產(chǎn)IGBT產(chǎn)品進(jìn)入高端市場的障礙。
最后是國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)輔助環(huán)節(jié)薄弱。國產(chǎn)IGBT芯片的主要工藝設(shè)備、襯底片都要從國外采購，特別是在大功率模塊封裝方面。
因此，國產(chǎn)IGBT在產(chǎn)品的功率密度、散熱性能、長期可靠性以及模塊設(shè)計(jì)創(chuàng)新方面，較國際大廠差距仍然較大。但國產(chǎn)IGBT替代需求強(qiáng)勁且前景明朗，我們需要更多像比亞迪這樣的廠商，借助我國在清潔能源、新能源汽車和工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，更快和更全面地完成IGBT的國產(chǎn)替代。
本文來自公眾號“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”（ID：icbank）文/吳子鵬
