日前，長城汽車森林生態(tài)又一“碩果”落地，長城控股旗下芯動(dòng)半導(dǎo)體自研自產(chǎn)的IGBT實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)裝車，該項(xiàng)目從立項(xiàng)研發(fā)到裝車僅14個(gè)月，再次刷新了長城汽車自主研發(fā)技術(shù)成果落地速度。

IGBT是新能源汽車最核心零部件之一，重要性就相當(dāng)于手機(jī)里的大型芯片，直接影響到整車的性能效率，曾一度是國外“卡脖子”技術(shù)之一，如今長城實(shí)現(xiàn)自研IGBT并量產(chǎn)裝車，標(biāo)志著在自主研發(fā)成果上又一次打破國外技術(shù)壁壘，再上新臺(tái)階。

一直以來，長城汽車堅(jiān)持深耕核心技術(shù)自主研發(fā)，并全面整合上中下游產(chǎn)業(yè)鏈核心資源，構(gòu)建了一套由品類品牌、新能源產(chǎn)業(yè)、科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)制造實(shí)力組成的森林式生態(tài)，全維度推動(dòng)企業(yè)快速發(fā)展。

目前，芯動(dòng)半導(dǎo)體無錫工廠已完成建設(shè)，自今年2月奠基以來，歷時(shí)8個(gè)月，工廠主體封頂，首條模塊產(chǎn)線于10月28日順利通線。工廠擁有國內(nèi)一流測(cè)試環(huán)境，能夠滿足IGBT功率模塊的嚴(yán)苛質(zhì)量管理要求，快速響應(yīng)車型需求，定向開發(fā)產(chǎn)品。

目前，該模塊已經(jīng)在哈弗梟龍MAX上完成裝車。


電動(dòng)汽車IGBT技術(shù)的應(yīng)用

電動(dòng)汽車中，IGBT技術(shù)主要應(yīng)用于電機(jī)控制、充電樁、DC/DC變換器、制動(dòng)能量回收等方面。其中，電機(jī)控制是電動(dòng)汽車中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

電動(dòng)汽車的電機(jī)控制需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行高精度的控制，以達(dá)到最佳的性能和效率。IGBT作為電機(jī)控制中的關(guān)鍵元件，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效控制。其工作原理是通過控制柵極信號(hào)的開關(guān)，控制電流通過晶體管。IGBT的開關(guān)速度和控制能力非常高，可以滿足電動(dòng)汽車電機(jī)的高速、高功率和高效率要求。

除了電機(jī)控制之外，IGBT技術(shù)還應(yīng)用于電動(dòng)汽車的充電樁。充電樁需要對(duì)電池進(jìn)行高效的充電，以保證電池壽命和使用時(shí)間。IGBT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)充電樁的高效能控制，同時(shí)可以保證充電樁的安全性和可靠性。

此外，電動(dòng)汽車中的DC/DC變換器和制動(dòng)能量回收也需要使用IGBT技術(shù)。DC/DC變換器用于將電池的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，以供給汽車內(nèi)部的電子設(shè)備使用。而制動(dòng)能量回收則是通過將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量回收到電池中，提高了電池的使用效率。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都離不開IGBT技術(shù)的支持。


IGBT各世代的技術(shù)差異

回顧功率器件過去幾十年的發(fā)展，1950-60年代雙極型器件SCR,GTR,GTO，該時(shí)段的產(chǎn)品通態(tài)電阻很小；電流控制，控制電路復(fù)雜且功耗大；1970年代單極型器件VD-MOSFET。但隨著終端應(yīng)用的需求，需要一種新功率器件能同時(shí)滿足：驅(qū)動(dòng)電路簡單,以降低成本與開關(guān)功耗、通態(tài)壓降較低，以減小器件自身的功耗。1980年代初,試圖把MOS與BJT技術(shù)集成起來的研究，導(dǎo)致了IGBT的發(fā)明。

1985年前后美國GE成功試制工業(yè)樣品（可惜后來放棄）。自此以后， IGBT主要經(jīng)歷了6代技術(shù)及工藝改進(jìn)。

從結(jié)構(gòu)上講，IGBT主要有三個(gè)發(fā)展方向：

1）IGBT縱向結(jié)構(gòu)：非透明集電區(qū)NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場(chǎng)截止型；

2）IGBT柵極結(jié)構(gòu)：平面柵機(jī)構(gòu)、Trench溝槽型結(jié)構(gòu)；

3）硅片加工工藝：外延生長技術(shù)、區(qū)熔硅單晶；

其發(fā)展趨勢(shì)是：①降低損耗 ②降低生產(chǎn)成本

總功耗＝ 通態(tài)損耗 (與飽和電壓 VCEsat有關(guān))+開關(guān)損耗 (Eoff Eon)。同一代技術(shù)中通態(tài)損耗與開關(guān)損耗兩者相互矛盾,互為消長。

IGBT模塊按封裝工藝來看主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標(biāo)準(zhǔn)焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高， IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)將圍繞 芯片背面焊接固定 與 正面電極互連 兩方面改進(jìn)。模塊技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：

無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術(shù)；

內(nèi)部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路等功能元件，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。


整體IGBT國產(chǎn)化率已提升至約30%-35%

目前全球IGBT市場(chǎng)前五大廠商分別為海外的英飛凌、三菱、富士電機(jī)、安森美和賽米控。國內(nèi)方面，有分析，2021年及以前，我國8、9成IGBT產(chǎn)品均需要進(jìn)口，2022年整體IGBT國產(chǎn)化率提升至約30%-35%，車規(guī)級(jí)IGBT廠商在中國的市場(chǎng)份額已經(jīng)從2021年的32%提升到2022年的45%—50%。目前中國 IGBT 行業(yè)已經(jīng)能夠具備一定的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同能力，士蘭微、斯達(dá)半導(dǎo)、新潔能、時(shí)代電氣、楊杰科技、聞泰科技等國內(nèi)生產(chǎn)廠商已經(jīng)IGBT國產(chǎn)替代方面取得了很大進(jìn)展。士蘭微以IGBT單管和IPM模塊為主，2021年公司在全球IGBT單管/IPM模塊市占率達(dá)2.6%、2.2%，均位列國內(nèi)品類第一。其重點(diǎn)應(yīng)用在工控和家電領(lǐng)域。

值得注意的是，國內(nèi)在IGBT制造工藝水平，模塊封裝的散熱效率上與國外英飛凌等廠商存在一定差距。

目前國產(chǎn)IGBT廠家產(chǎn)品在35KW以內(nèi)的光伏應(yīng)用場(chǎng)景性能指標(biāo)已經(jīng)基本滿足需求，可以應(yīng)用于全球戶用光伏市場(chǎng)，但較大功率的逆變器所需的IGBT模塊仍存在國產(chǎn)替代空間。

從IGBT廠商產(chǎn)品電壓覆蓋范圍來看，英飛凌、三菱電機(jī)、意法半導(dǎo)體、安森美等海外廠商基本覆蓋600V—6500V全系列電壓，在1700V以上中高壓領(lǐng)域具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而國內(nèi)廠商多集中在中低壓領(lǐng)域，產(chǎn)品主要集中在1500V以下的IGBT市場(chǎng)。


IGBT國產(chǎn)迎來換擋加速

近年來受到風(fēng)電、光伏、汽車等新能源優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)加持，中國已經(jīng)是全球最大的IGBT需求市場(chǎng)，但并不是IGBT的供給市場(chǎng)。

從全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局來看，歐美日廠商資金實(shí)力雄厚、技術(shù)水平領(lǐng)先、產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富，憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)搶占了全球功率半導(dǎo)體絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額，并且一直保持較大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。英飛凌、三菱和富士電機(jī)等廠商貢獻(xiàn)了全球八成以上的產(chǎn)能。而國內(nèi)廠商在全球競(jìng)爭(zhēng)中不具備優(yōu)勢(shì)，所占市場(chǎng)份額較低，國產(chǎn)化率低于 20%，且國產(chǎn)IGBT產(chǎn)品主要集中在中低壓市場(chǎng)。

按照使用電壓的情況，IGBT可以分為低壓、中壓和高壓三大類產(chǎn)品，不同的電壓范圍適用不同的應(yīng)用場(chǎng)景。低壓IGBT一般電壓在1200V及以下，且適用于低消耗的消費(fèi)電子和太陽能逆變器領(lǐng)域，中國本土廠商幾乎都有布局低壓領(lǐng)域。

中壓IGBT一般電壓在1200-2500V，適用于新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，由于碳中和計(jì)劃的持續(xù)推行以及新能源領(lǐng)域的高速發(fā)展，該領(lǐng)域是中國IGBT本土廠商未來主要發(fā)力的領(lǐng)域。

高壓IGBT一般電壓大于2500V，主要適用于高鐵、動(dòng)車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，中國本土廠商僅中車時(shí)代和斯達(dá)半導(dǎo)有所布局，中國高鐵里程數(shù)全球第一，需求量大，促進(jìn)中上游技術(shù)發(fā)展，因此該領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)替代。

得益于IGBT產(chǎn)品更新迭代緩慢，給予本土IGBT廠商技術(shù)追趕時(shí)間。在2021-2023年間的IGBT擴(kuò)產(chǎn)將由中國廠商主導(dǎo)，國內(nèi)廠商趁機(jī)透過低售價(jià)、及時(shí)客戶服務(wù)與穩(wěn)定的供應(yīng)鏈，成功打進(jìn)下游客戶，并逐漸拉升產(chǎn)能以提高市占率。

尤其是在車規(guī)級(jí)IGBT領(lǐng)域，由于國際IDM的IGBT交貨時(shí)間很長，國內(nèi)電動(dòng)汽車初創(chuàng)汽車制造商不斷轉(zhuǎn)向本地供應(yīng)商。這導(dǎo)致許多中國IGBT廠商正在積極推進(jìn)產(chǎn)能擴(kuò)張項(xiàng)目，因?yàn)閲鴥?nèi)廠商已經(jīng)從主機(jī)廠獲得了大量IGBT訂單。2022年上半年，斯達(dá)半導(dǎo)和比亞迪分別占據(jù)國內(nèi)車規(guī)級(jí)IGBT市場(chǎng)份額的二、三名。而隨著越來越多的本土新能源車企導(dǎo)入國產(chǎn)IGBT，整個(gè)行業(yè)生態(tài)也有望快速發(fā)展！

而看好光儲(chǔ)高增長市場(chǎng)，賽晶科技、新潔能等功率半導(dǎo)體廠商紛紛加碼研發(fā)新產(chǎn)品，加大市場(chǎng)開拓，并在近期披露了最新進(jìn)展。

在業(yè)績說明會(huì)上，賽晶科技對(duì)記者介紹，瞄準(zhǔn)風(fēng)光儲(chǔ)及工控市場(chǎng)，公司于今年1月正式推出i20系列1700V IGBT芯片、d20二極管芯片及ST封裝IGBT模塊。

新潔能在2022年年報(bào)中披露，公司在2022年推出了全球首款1200V 100A光伏IGBT單管，未來將陸續(xù)推出1200V 150A等大電流系列產(chǎn)品。目前，公司基于650V和1200V平臺(tái)的IGBT光儲(chǔ)模塊有望在2023年4月向客戶送樣，預(yù)計(jì)第三季度實(shí)現(xiàn)IGBT模塊產(chǎn)品的量產(chǎn)。

多家公司也已披露了最新研發(fā)情況。自新能源汽車市場(chǎng)爆發(fā)以來，國內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)直至目前仍然呈現(xiàn)出高端和低價(jià)車兩極分化的局面。相對(duì)而言，國產(chǎn)IGBT產(chǎn)品價(jià)格更低，在低價(jià)車市場(chǎng)上優(yōu)勢(shì)更大。