IGBT“驯服”了电动汽车 而比亚迪“驯服”了IGBT
比亚迪近日宣布，已经成功研发了SiC MOSFET，有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代，将整车性能在现有基础上再提升10%。
数据显示，2018年1-10月的全球新能源乘用车销量达到148.3万辆，预计全年将突破200万辆。全球主要国家的新能源乘用车销量中，中国在2018年1-11月新能源乘用车销量就高达88.6万辆，同比增幅84.8%，预计全年将超过100万辆。
随着产销量攀升，新能源汽车的整体配套产业链也在同步迅猛发展。例如我们经常看到的动力电池产能高速扩张、新材料电池研究不断创新以及用于电驱动技术的多级减速器等等。不过，在我们关注这些“明星”技术产业的同时，还有一个始终在后背默默付出、且在整车制造成本中仅次于动力电池的电子元器件显得愈发重要，它就是EV君今天要谈论的主角IGBT。
看起来有些神秘的IGBT到底是什么？
IGBT为英文Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写，中文名称为绝缘栅双极型晶体管。我们知道，电动汽车在取消内燃机和传统变速箱后，尤以电机、电池、电控这三电系统最为重要，而IGBT正是这些高压电驱动系统的关键组件之一。
在一台纯电动汽车中，IGBT约占电机驱动系统成本的一半，而电机驱动系统占整车成本的15-20%，也就是说IGBT占整车成本的7-10%，是除电池之外成本第二高的元件，也决定了整车的能源效率。而且除电驱动系统外，整车包括高压充电机、空调系统等多个电气组件均需使用到IGBT。举例来说，一台特斯拉Model X使用132个IGBT管，由英飞凌公司（Infineon）提供。其中后电机为96个，前电机为36个，每个单管的价格大约为4-5美元，合计大约需650美元。
从功能上来说，IGBT就是一个电路开关，只不过不像家里的电灯、电视等开关由物理按钮控制，它是由计算机控制通过电信号来开关的。对于电动汽车来说，IGBT的作用是交流电和直流电的转换，同时还承担了电压高低转换的功能。充电时是交流电，需要通过IGBT转变成直流电然后输送给电池，过程中需要把220V电压转换成适当的电压后才能给电池组充电；电池放电时，通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电，同时起到对交流电机的变频控制，当然变压是必不可少的。
IGBT是功率半导体器件，是电动车的核心部件之一，IGBT性能的好坏直接影响电动汽车的使用寿命、功率释放速度、能耗表现等。
IGBT的行业现状和发展前景
预计2022年全球新能源汽车年产销量将达到600万辆，2018-2022年年均复合增长率达30%。但同期车规级IGBT市场的年均复合增长率仅为15.7%（IGBT产业整体同期为8.2% ）。可以预见，未来几年全球车规级IGBT市场的供求将愈加紧张。而在中国，这个情况或许会更为严峻。按照此前工信部、发改委、科技部联合发布的《汽车产业中长期发展规划》，2020年单年和2025单年，中国新能源汽车的年产量将分别达到200万辆和700万辆。
由此预测，2018-2020年和2020-2025年间中国新能源汽车的增速将分别达到40%和28.47%。在此背景下，车规级IGBT主要依赖进口的中国面临的供应形势将非常严峻。
制约国内IGBT行业发展的困难主要包括芯片设计难度较高、加工精度要求较高、圆晶制造工艺难度大以及缺乏对应的高新技术设备等。举个例子，在圆晶薄片加工处理上，采用最新的1200V FS技术的IGBT，需要将晶圆减薄到120um的厚度，再进行10余道工序加工。过程中对厂房洁净度要求非常高，需要一级净化，一个零点几微米的微尘掉落在晶圆上，就会造成一颗IGBT芯片失效。
而IGBT芯片仅有人的指甲大小，却要在其上蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路，仅能在50万倍的电子显微镜下查看。因此。IGBT被业内称为电动车核心技术的“珠穆拉玛峰”，长期以来，IGBT的核心技术始终掌握在国外厂商手里。
比亚迪扛起国内车规级IGBT制造大旗
令人欣慰的是，作为国内新能源汽车领导者，一向以技术自居的比亚迪正在努力的攀登这座高峰。十几年前，当外界还不看好电动车的前景、甚至对IGBT还不太了解的情况下，在2003年就开始布局电动车的比亚迪就预见IGBT将会是影响电动车发展的关键技术，在研发团队组建、产线建设等各方面投入重金，默默布局IGBT产业。
▶2005年，比亚迪组建IGBT研发团队，正式进军IGBT领域。
▶2008年10月，比亚迪收购宁波中纬半导体晶圆厂。
▶2009年9月，比亚迪IGBT芯片通过中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定，标志着中国在IGBT芯片技术上实现零的突破，打破了国际巨头的技术垄断。
▶目前，比亚迪是中国唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企：包含IGBT芯片设计和制造、模组设计和制造、大功率器件测试应用平台、电源及电控等。
经过十余年努力，比亚迪目前已成功研发出全新的车规级产品IGBT4.0，在芯片损耗、模块温度循环能力、电流输出能力等关键指标上，比亚迪IGBT4.0产品达到全球领先水平，成为车规级IGBT的标杆。比亚迪IGBT4.0在诸多关键技术指标上都优于当前市场主流产品，包括：
1. 电流输出能力较当前市场主流的IGBT高15%，支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力。
2. 同等工况下，综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%。这意味着电流通过IGBT器件时，受到的损耗降低，使得整车电耗显著降低。以比亚迪全新一代唐EV为例，在其他条件不变的情况下，仅此一项技术，就成功将百公里电耗降低约3%。
3. 温度循环寿命可以做到当前市场主流IGBT的10倍以上。这意味着比亚迪电动车在应对各种极端气候、路况时，能有更高的可靠性和更长的使用寿命。此前，比亚迪电动车就以其优异的性能与稳定的可靠性，完成了从新疆吐鲁番的高温，到北欧的极寒、再到西藏高原的高海拔等全球最严苛自然环境的测试，并在全球300多个市场成功经历了各种气候、路况、驾驶习惯的考验，得到广泛认可。
在工艺指标方面，大规模应用的1200V车规级IGBT芯片的晶圆厚度上，比亚迪处于全球先进水平，可将晶圆厚度减薄到120um（约两根头发丝直径）；为保证产品质量，比亚迪IGBT生产环境的洁净度要求达到最高等级的一级，即指每立方英尺（0.0283立方米）中，直径超过0.5微米的微尘离子不能超过1个；晶圆的制造用水，标准需达到超纯水（也就是几乎去除氧和氢以外所有原子的水），为达到这个标准，需要经过20多层净化；为保证产品品质，晶圆生产所需的光刻机需要保持平稳。
在晶圆工厂，光刻机需要放在特制的防震台上，避免路过的车辆、甚至从旁经过的人的脚步对其的影响。此外，为了防震，晶圆工厂的地基需要打到岩石层。
得益于在IGBT领域的成果，比亚迪电动汽车的超凡性能得以成功落地，并具有持续迭代升级的能力。在比亚迪IGBT对电流准确、有效的控制下，比亚迪全新一代唐EV的百公里加速时间达到行业领先的4.4秒。同时，比亚迪IGBT在芯片损耗、电流输出能力等方面的优异性能，极大提升驱动系统的工作效率，和电池等其他关键技术一起，将比亚迪全新一代唐EV等纯电动车的续航里程提升到了600公里（60KM/小时等速行驶情况下）。
比亚迪提前布局SiC，欲再度引领未来
“驯服”了IGBT，比亚迪又将目光投向了更远的未来。
虽然在未来较长一段时间内，IGBT仍将供不应求。但比亚迪也已预见到，随着电动车性能不断地提升，对功率半导体组件提出了更高的要求，当下的IGBT也将逼近硅材料的性能极限。寻求更低芯片损耗、更强电流输出能力、更耐高温的全新半导体材料，已成为学界和业界的普遍共识。
据悉，比亚迪已投入巨资布局第三代半导体材料SiC，并将整合材料（高纯碳化硅粉）、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体全产业链，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在电动车领域的应用。
比亚迪近日宣布，已经成功研发了SiC MOSFET（汽车功率半导体包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或 MOSFET等），有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代，将整车性能在现有基础上再提升10%。
十多年前，比亚迪打破国际巨头对IGBT的技术垄断，助力我国电动车的快速发展；今天，比亚迪推出了全新的车规级IGBT4.0，为我国汽车产业的换道超车，提供强大的“中国芯”。未来，伴随着SiC的推出与大规模应用，比亚迪立志成为全球最大的车规级功率半导体供应商，使比亚迪功率半导体芯片对于新能源汽车的意义，如高通之于手机、英特尔之于电脑，成为（车规级）功率半导体领域的全球领导者，为“中国芯”腾飞添砖加瓦。
2019中国新能源汽车消费论坛暨“金舆奖”颁奖盛典：
http://www.21cnev.com/html/zt/2018jinyujiang/index.html
投票通道：http://bjfl9v.v.vote8.cn/
往期精彩文章：
巨头在行动！大众汽车到2020年将在华推出不少于10款新能源车