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比亚迪发布第四代IGBT芯片,称“核心技术将告别卡脖子”

日前,比亚迪在宁波开了一场发布会,没发新车,发了一款芯片——第四代IGBT,并称“核心技术将告别卡脖子”。IGBT究竟是何方神圣?比亚迪真的有打破国外半导体公司垄断的实例吗……

12月10日,比亚迪在宁波开了一场发布会,没发新车,发了一款芯片——第四代IGBT,全拼和中文名是这样的 Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管芯片。

比亚迪宣布第四代IGBT多项参数优于行业平均水平,旗下新能源车的电驱性能,将凭借这一枚自产的控制电流开关的芯片,而取得优势性能。

此外,比亚迪称IGBT也将对国内新能源车厂开放供应,并有望打破国外半导体公司垄断国内IGBT市场的情况。

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从数码 3C 的电池到汽车动力电池,再到整车制造,比亚迪似乎无所不通,而这次不声不响弄了个芯片,再次再次刷新了坊间对其公司业务的认知。

IGBT是啥?

那么,IGBT究竟是何方神圣,引得比亚迪大张旗鼓地介绍,乃至用上了“核心技术告别卡脖子”这样的描述?

实际上,IGBT还真就是这样的核心技术,由于其地位之重要,又有“新能源车电驱系统CPU”之称。

IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管,是一种主要应用于600V以上电子电力领域的功率半导体。

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▲封装好的IGBT模块

与计算或存储用的半导体不同,IGBT的主要作用是“开关”。它能够支持在高电压、高电流负载下,对电路进行每秒数万次的开关。这种能力,使得它可以通过电路设计,被用于大电流、电压、频率、以及直流电与交流电的转换。

应用在电动汽车上,它成为了驱动电机核心中的核心——电动车的电池系统能够输出的是总额额定的直流电,而要自由控制汽车的电机,需要功率、频率可变、可控的交流电,此时IGBT的作用便体现了出来(反过来,电动车需要直流快充时,IGBT同样也在大功率变电中扮演重要角色)。

电动车之所以不需要设计复杂的发动机与变速箱等机械传统系统,IGBT的存在,可谓大功一件。

这样的关键部件,也成为电动车电驱系统成本的大头——直接占去了一半。而电驱系统在电动车整车的成本占比约为15-20%。这意味着单单是IGBT,就占去了整车成本的7-10%,因此,IGBT是新能源车产业链细分市场中,份额仅次于动力电池的大蛋糕。

比亚迪在日前宣布自家动力电池业务将拆分对外后,再度推出IGBT 4.0并且也将对外,意味着比亚迪在电动车产业链上游最大的两个领域,都拿到了一张硬通票。

比亚迪发布的 IGBT 4.0 有什么特点

和所有芯片一样,IGBT 的研发制造同样设计门槛高、制造技术难、投资大。

我们来看一下官方的「硬核」科普:

芯片要求:

  • IGBT 芯片仅有人的指甲大小,但却要在其上蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路,仅能在显微镜下查看。
  • IGBT 芯片设计难度高:IGBT 虽然是一个开关器件,但涉及到的参数多达十几个,很多参数之间是相互矛盾,需要根据应用折衷考虑。
  • 晶圆制造工艺难度大:最主要体现在薄片加工处理上。采用最新的 1200V FS 技术的 IGBT,需要将晶圆减薄到 120um(约两根头发丝直径)的厚度,再进行 10 余道工序加工。
  • 晶圆制造的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。

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至于加装到车里还需要考虑到模块化等等,和数码 3C 产品「舒适」的工作环境不同,车规级芯片还要应对严苛的行车工况。

相比市面上的主流产品,比亚迪宣称自家的 IGBT 4.0 具备以下优势:

  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%,整车电耗显著降低。
  3. 温度循环寿命可以做到当前市场主流 IGBT 的 10 倍以上。

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另一方面就是成本,比亚迪介绍,目前市面上主流的车载 IGBT 成本占到整车的 5% 左右,短期内还在持续上涨。通过规模化量产,比亚迪希望进一步降低成本,拉低。

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目前比亚迪位于宁波的半导体工厂的月产五万片晶圆,理论上能够配备五万辆新车。按照规划,2020 年这家工厂的月产能有望做到十万片,除了自给自足外,还可以提供给其他主机厂使用。

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比亚迪研发IGBT历经13年

需要提到的是,IGBT作为一种综合(集成了MOSFET开关速度快与GTO耐受电压高的优点,克服了前者耐高压性能差、后者开关速度慢的不足)的功率半导体,其技术壁垒并不低,核心技术与市场份额此前一直掌握在美、日、德三国半导体巨头的手中。

目前,在国内,仅有两家“造车的”能够打通产业链,实现IGBT的研发生产。其中一家,是负责造高铁的中车,另外一家,便是比亚迪。

中车有突飞猛进的高铁项目作为坚实的依托,不必多言,那么比亚迪,又是如何掌握这一先进技术?

比亚迪对IGBT的研发,在十余年前就开始了。

2003年,电池出身的比亚迪进军汽车市场,新能源车成为其杀入的关键路线。2007年,比亚迪的首款新能源车——F3DM上市,当时国家面向绿色公共出行的“百城百辆”的新能源公交计划都还未上线。

而在更早的2005年,比亚迪的IGBT研发团队便已组建,隶属比亚迪第六事业部。这个事业部承担着“集成电路及功率器件的开发、整合性晶圆制造服务的生产任务”。

请注意“整合性晶圆制造服务”。在2008年,比亚迪以1.71亿元的价格,收购了宁波中纬的6英寸晶圆产线。当时舆论还认为,比亚迪或将借助中纬的芯片生产能力,基于自家的手机、电池业务发展自有的消费电子用半导体。但事实证明这更像是为车载功率半导体所作的准备。

2009年,比亚迪的第一代IGBT芯片,正式研发成功,通过了中国电器工业协会电力电子分会的科技成果鉴定。国外的技术垄断,在此时便被比亚迪初步打破了。

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▲比亚迪初代IGBT通过科技成果认证的文件

不过,国外早在上世纪80年代便开启了对IGBT的研究生产,要在产品上追上国外先进水平,显然需要更多时间。

因此,中途比亚迪的IGBT芯片又历经8年,多次迭代,其间,比亚迪还与上海先进半导体在2015年达成了战略合作,以利用后者的半导体制造技术。

终于在2017年,比亚迪的第四代IGBT研发成功、投产、装车。

IGBT 4.0,便被用于比亚迪新一代主力车型——百公里加速时间达到4.5秒的唐。这辆车每一次狂暴的动力输出背后,都有这枚比亚迪自研的IGBT的功劳。

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▲比亚迪唐DM,百公里加速4.5秒

当然,技术是不断进步的。此前,国外IGBT已经经历了六次技术迭代,功率半导体基础的材料,也从硅(Si)、砷化镓(GaAs) ,进化到了碳化硅(SiC)。基于碳化硅打造的功率半导体,更能耐高温,可以承受更高的电压——这样,原本耐压能力不强的MOSFET,在用上碳化硅过后,能够支持的电压也能与现今车用的IGBT媲美。

而比亚迪已经研发出了基于碳化硅的MOSFET,明年便会推出搭载这一器件的电动车,车辆的电驱性能还会提升10%。往后,比亚迪计划在其新能源车产品中,逐步用碳化硅基的功率半导体替代硅基IGBT。

中国如何突破国外巨头统治的IGBT市场?

实际上,比亚迪这样在新能源车用IGBT上取得突破的选手,在国内IGBT产业确实是凤毛麟角。

IGBT芯片按工作电压,大致分为1700V以下、1700V-3300V、3300V-6500V三类。

其中,工作电压等级在3300-6500V的IGBT主要对应发电、电力传输行业,1700-3300V的IGBT在高铁等轨道交通领域应用较多。

而1700V以下用途中,发展势头最猛的新兴产业,正是新能源车。

然而,目前IGBT的主要生产厂家,无一例外是国外公司,英飞凌、三菱、富士、安森美、德仪、ABB等霸占市场。

其中国内新能源车领域的IGBT市场,绝大多数份额仍然被国外半导体巨头英飞凌占据——这一数据一度达到70%。

在2016年全球销量TOP10的新能源车,有8款使用了英飞凌的IGBT,其中有我们无比熟悉的Model S/X,以及通用Bolt EV,甚至包括比亚迪的唐与秦,甚至也使用了英飞凌的晶圆生产。英飞凌凭借垄断优势,攫取高额利润,IGBT成本居高不下。

而比亚迪的IGBT 4.0推向市场、应用于车型上,则代表了一支重要的国产力量,加入到了这场新能源车核心技术、核心器件的竞赛当中来。

在更早之前,中车集团在2014年,完成了高铁用IGBT的研发、生产,打破了三菱在这一领域的统治,不仅实现了自产自用,还随高铁项目的对外输出开始向国外供货。

比亚迪与中车,俨然成为了国产IGBT生产应用的双子星。

在这背后,国内的(高压)IGBT产业链,在下游急切的应用需求下,也开始逐步建立起来,士兰微、华微、华虹、先进半导体等等一系列IGBT的IC设计、晶圆制造公司也成长起来,国内的IGBT产业链正在初步成型。而比亚迪自身,也表态将会对外开放其IGBT供货。

在一个产业集群形成后,中国的IGBT乃至更多类型的功率半导体,将有更充足的底气与国外巨头抗衡。

比亚迪将在材料上进一步突破

最后,比亚迪宣布,在材料上进一步突破,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 %。

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SiC 具备高耐压、低损耗、高效率的特性,是替代 Si 的第三代半导体材料

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