在新能源汽車中，IGBT其實是很重要的一部分，它對于一輛汽車的穩(wěn)定性與安全性有著至關(guān)重要的影響。那么，我們就先來看看IGBT是什么。
一、IGBT產(chǎn)生的背景
在半導(dǎo)體領(lǐng)域中功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉(zhuǎn)換等。功率半導(dǎo)體細(xì)分為功率器件（分立器件的一支）和功率IC（集成電路的一支）。從技術(shù)發(fā)展來看，功率分立器件的演進(jìn)路徑基本為二極管到晶閘管到MOSFET再到IGBT，其中，IGBT是功率半導(dǎo)體新一代中的典型產(chǎn)品。
功率器件按照驅(qū)動方式可以分為兩大類，分別是電壓型控制器件和電流型控制器件。電壓型控制器件主要是通過改變調(diào)節(jié)控制端電壓來控制器件的開通與關(guān)斷，而電流型控制器件則主要是通過改變調(diào)節(jié)控制端電流大小來控制器件的開通與關(guān)斷。電流控制型器件的共同特點是導(dǎo)通損耗小，所需驅(qū)動功率小，但是驅(qū)動電路復(fù)雜，工作頻率較低，如晶閘管、二極管、BJT等。而電壓控制型器件的共同特點在于輸入阻抗高、所需驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單、工作頻率高，如IGBT、MOSFET等。
MOSFET主要應(yīng)用于中小功率場合如電腦功率電源、家用電器等，具有門極輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小的特點。但隨著下游應(yīng)用發(fā)展越來越快，MOSFET的電流能力顯然已經(jīng)不能滿足市場需求。為了在保留MOSFET優(yōu)點的前提下降低器件的導(dǎo)通電阻，人們曾經(jīng)嘗試通過提高M(jìn)OSFET襯底的摻雜濃度以降低導(dǎo)通電阻，但襯底摻雜的提高會降低器件的耐壓。如果在MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入一個雙極型BJT結(jié)構(gòu)，就不僅能夠保留MOSFET的原有優(yōu)點，還可以通過BJT結(jié)構(gòu)提高器件的電流能力。
BJT即為雙極型晶體管，俗稱三極管，在三極管中,空穴電子和自由電子都參與導(dǎo)電,稱為雙極型器件;而MOS管只有多子導(dǎo)電,稱為單極型器件。在放大狀態(tài)工作時,三極管發(fā)射結(jié)正偏,有基極電流,相應(yīng)的輸入電阻較小,約為103Ω。由于BJT 是雙極性器件，在工作過程中，器件結(jié)構(gòu)漂移區(qū)中有注入載流子貯存時間，導(dǎo)致其不能在高頻下工作。
在經(jīng)過技術(shù)上的不斷改進(jìn)后，結(jié)合了兩者優(yōu)勢的IGBT應(yīng)運(yùn)而生。目前，IGBT已經(jīng)能夠覆蓋從600V~6500V的電壓范圍，應(yīng)用涵蓋從工業(yè)電源、變頻器、新能源汽車、新能源發(fā)電到軌道交通、國家電網(wǎng)等一系列領(lǐng)域。IGBT憑借其高工作頻率、高電流性能、開關(guān)損耗小等優(yōu)點在龐大的功率器件世界中贏得了自己的一片領(lǐng)域。
IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極結(jié)型晶體管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動式-功率半導(dǎo)體器件,其具有自關(guān)斷的特征。長期以來，IGBT（包括芯片）被壟斷在少數(shù)IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)。由于其在高壓、大電流、高速等方面的優(yōu)勢是其他功率器件無法比擬的，因而在電力電子領(lǐng)域它是較為理想的開關(guān)器件，也被譽(yù)為“電力電子器件里的CPU”。
二、IGBT行業(yè)發(fā)展情況
1、IGBT產(chǎn)業(yè)鏈情況
IGBT產(chǎn)業(yè)鏈上下游與產(chǎn)品的制造流程有很強(qiáng)的聯(lián)系。上游主要為設(shè)計、芯片制造、陶瓷基板制造；中游主要為封裝外殼、覆銅陶瓷基板、散熱底板以及引線框架制作；下游主要是模塊封裝及產(chǎn)品測試。終端應(yīng)用市場則主要集中在白色家電、軌道交通、新能源汽車、智能電網(wǎng)等方面。
2、IGBT市場規(guī)模與應(yīng)用
（1）全球IGBT的市場規(guī)模與應(yīng)用情況
功率半導(dǎo)體中，IGBT、MOSFET、二極管及整流橋是主要的產(chǎn)品類別，三個產(chǎn)品類別約占功率半導(dǎo)體市場的80%左右，其中IGBT約占整個功率半導(dǎo)體市場份額的20%。據(jù)WSTS統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示：2016年全球IGBT市場規(guī)模約為42.9億美元，未來市場規(guī)模還將保持持續(xù)增長的態(tài)勢，預(yù)計到2022年全球IGBT市場規(guī)模將達(dá)到67.2億美元。
從全球市場來看，目前IGBT市場處于一種被歐美日基本壟斷的局面，相比之下國產(chǎn)份額極低。IGBT市場競爭格局較為集中，主要競爭者包括英飛凌、三菱、富士電機(jī)、安森美、瑞士ABB等，2017年全球前五大IGBT廠商的份額超過70%，其中英飛凌占比最大，占到全球市場份額的29%。
從應(yīng)用市場劃分來看，根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全球市場上，工控、新能源和家電市場是IGBT的主要應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是近幾年新能源車（采用電源模塊）的爆發(fā)，極大地促進(jìn)了IGBT市場的發(fā)展。根據(jù)2017年全球IGBT應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，工控領(lǐng)域為IGBT最大市場需求領(lǐng)域，該領(lǐng)域占全球IGBT市場規(guī)模的37%；其次為新能源汽車領(lǐng)域，占比達(dá)28%；新能源發(fā)電及消費(fèi)領(lǐng)域則分別占9%、8%。
以電動汽車為例， 2016年全球電動車銷量約200萬輛，共消耗了大概9億美金的IGBT，平均每輛車450美金。其中，混合動力和PHEV大約77萬輛，每輛車需要大約300美元的IGBT；純電動車大約123萬輛，平均每輛車使用540美元的IGBT，大功率的純電公交車用的IGBT可能超過1000美元。預(yù)計隨著全球電動車的銷量提升，IGBT在電動車領(lǐng)域的市場將在2022年達(dá)到20億美金。此外，隨著新能源汽車的不斷普及，對于充電樁的需求日益增加，也會拉動IGBT的需求。
面對市場的強(qiáng)勁需求，各IGBT廠商加大了投融資和生產(chǎn)布局。2019年4月，安森美半導(dǎo)體收購格芯位于紐約東菲什基爾300mm晶圓廠的所有權(quán)，擴(kuò)大其在MOSFET和IGBT 芯片方面的產(chǎn)能。2020年4月，賽米控對中國增資擴(kuò)產(chǎn)，總投資額超800萬歐元，并引入最新的MiniSKiiP生產(chǎn)線進(jìn)行量產(chǎn)。
三、在新能源汽車領(lǐng)域
IGBT約占電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)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。此外直流充電樁的核心也是IGBT管，直流充電樁30%的原材料成本就是IGBT。作為一種功率半導(dǎo)體，IGBT應(yīng)用非常廣泛，小到家電、大到飛機(jī)、艦船、交通、電網(wǎng)等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。此外，IGBT還是國家“02專項”的重點扶持項目，已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)的Power MOSFET，被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”。
在電動汽車的“三電”方面，TESLA的Model S使用的三相異步驅(qū)動電機(jī)，其中每一相的驅(qū)動控制需要使用28顆塑封的IGBT芯片，三相共需要使用84顆IGBT芯片。算算總量，就可知需求的龐大。此外，充電樁的核心部件也要用到IGBT芯片。
但是，長期以來，被壟斷在少數(shù)IDM（Integrated device manufacturer）手上，比如英飛凌Infineon、富士電機(jī)、三菱等外資企業(yè)。數(shù)據(jù)顯示，2019年期間，英飛凌為國內(nèi)電動乘用車市場供應(yīng)62.8萬套IGBT模塊，市占率達(dá)到58%。而比亞迪供應(yīng)了19.4萬套，市占率達(dá)到18%?？梢哉f，如果沒有比亞迪，中國車規(guī)級IGBT芯片市場國內(nèi)企業(yè)一直被“卡脖子”的局面無法緩解。這是實情。
就IGBT技術(shù)實力來看，比亞迪發(fā)展到了IGBT 4.0（相當(dāng)于國際第五代），而斯達(dá)半導(dǎo)已經(jīng)發(fā)展到了第六代，該公司基于第六代Trench Field Stop技術(shù)的650V/750V IGBT 芯片及配套的快恢復(fù)二極管芯片，已在新能源汽車行業(yè)實現(xiàn)應(yīng)用。從全球看，IGBT目前已經(jīng)發(fā)展到7.5代，第7代由三菱電機(jī)在2012年推出，三菱電機(jī)目前的水平可以看作7.5代，而比亞迪2018年12月12日才發(fā)布IGBT 4.0技術(shù)（也就是國際上第五代技術(shù)），所以說，目前的差距還是很大的。
故而從新能源汽車中的IGBT來看，比亞迪能夠自主研發(fā)出自己的IGBT這點無疑是其重要亮點之一，但目前相對于世界上其他強(qiáng)勁對手還存在差距。
文章來源：800V高壓未來
