比亚迪量产IGBT 助新能源大跨步发展

　　[爱卡汽车 科技频道 原创]

　　新能源汽车成为未来发展的必然趋势已毋庸置疑，然而新能源汽车若想完全代替传统燃油车，目前仍需解决诸多问题。例如产品的续航能力、成本、基础设施、电子元件的可靠性、稳定性、安全性、耐用程度等方面。

　　就产品本身来讲，目前制约新能源行业发展的有两大瓶颈，一是动力电池，另一个就是IGBT。电池产业在当下发展较快，2017年国内动力电池产量达44.5GWh，基本可以满足国内市场的需求。而IGBT作为新能源车的“CPU”，国内发展严重滞后，并长期被国际巨头垄断，90%的份额掌握在英飞凌、三菱等海外巨头手中。未来，随着新能源车的快速增长，IGBT的市场供应将更加紧张。

　　什么是IGBT？

　　那么什么是IGBT？IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全称“绝缘栅双极型晶体管”，是影响电动车性能的关键技术，是新能源车的“大脑”，其成本约占整车成本的5%。

生产中的IGBT晶圆

晶圆上的芯片集合在了V-315模块上，此模块将被安装在汽车上。同时，这款V-315模块是目前新能源汽车领域装车量最多的全桥IGBT模块。

　　IGBT的好坏直接影响电动车功率的释放速度：直接控制直、交流电的转换，同时对交流电机进行变频控制，决定驱动系统的扭矩（直接影响汽车加速能力）、最大输出功率（直接影响汽车最高时速）等。所以，可以说IGBT与新能源车的关系就如同CPU与电脑，是新能源汽车最核心的技术。

　　我国IGBT为何发展如此缓慢？

　　IGBT因技术难、投资大，与动力电池一样，被业内称为新能源汽车核心技术的“珠穆拉玛峰”，长期以来制约了新能源汽车的大规模商业化。总结来说，IGBT芯片的难点共有两个方面。

　　一是IGBT需要极其严格的工艺指标。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，它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。并且晶圆制造工艺难度很大，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120μm（约两根头发丝直径）的厚度，再进行10余道工序加工。此外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。

　　二是要想实现IGBT的量产并非朝夕之功。由于IGBT拥有极其高要求的制造工艺，所以需要长时间的大量论证和试验，并且这种核心技术无法从海外购得，只能通过长时间自主研发才可以实现。所以需要企业拥有长远眼光，尽早布局。

　　比亚迪何以实现IGBT的大规模量产？

　　比亚迪能成为国内首家车规级IGBT量产的企业，得益于它在此领域的较早布局。早在2005年，比亚迪便组建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，为将来的量产做好了准备。2009年9月，比亚迪IGBT芯片通过了中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定，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完整IGBT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。

　　此次活动，我们还有幸进入了比亚迪在宁波的半导体晶圆工厂进行参观。亲自感受到了制作IGBT的神奇和严苛的IGBT生产过程。这个工厂为一个洁净度要求为一级的晶圆工厂【即指每立方英尺（0.0283m³）中，直径超过0.5μm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。

　　比亚迪推出IGBT4.0，告别“卡脖子”时代

　　比亚迪此次推出的IGBT4.0，其性能远远高于自家此前使用的IGBT2.5，同时在一些关键指标上也超越了目前市场上使用的主流产品。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产品达到了全球领先水平，使中国的新能源发展告别了国外厂商“卡脖子”的时代。它的领先之处主要表现在三方面。

IGBT4.0拥有更低的能耗、更大的功率输出能力，更加稳定可靠和耐用。表现在汽车上则是更长的续航里程、更强劲的动力水平、以及更高的安全性和更低的故障率。

　　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。

以全新一代唐DM(参数|询价)为例，在其他条件不变的情况下，采用比亚迪 IGBT4.0较采用当前市场主流的IGBT，百公里电耗少约3%。这也就意味着，在不增加电池容量的前提下，唐DM的续航能力会得到提升。

此外，IGBT为比亚迪提供对电流的准确、有效控制，使得比亚迪全新一代唐DM得以实现百公里加速4.5s、全时电四驱、百公里油耗2L以内的表现。

在刚刚结束的2018广州车展上，比亚迪全新一代唐EV(参数|询价)正式对外预售，补贴后预售价格区间为26-36万元。得益于比亚迪IGBT核心技术的加成，新车百公里加速4.4s、综合工况续航里程预计超过500km。

　　放眼未来，布局第三代半导体材料碳化硅

　　IGBT虽然有许多优势，但是随着新能源车性能的不断提升，对功率半导体组件也提出了更高的要求，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。

比亚迪SiC（碳化硅）晶圆

　　比亚迪投巨资布局第三代半导体材料SiC（碳化硅）, 目前已大规模用于车载电源, 预计2023年采用SiC基半导体全面替代硅基半导体（如硅基IGBT），将整车性能在现有基础上再提升10%。

　　凭借更加优异的性能，SiC基半导体取代硅基半导体将是大势所趋，预计未来几年硅基IGBT将在汽车领域逐步被淘汰。 比亚迪投巨资布局SiC基半导体，整合全产业链：材料（高纯碳化硅粉）、单晶、外延、芯片、封装等。比亚迪已经成功研发了芯片损耗更低、电流输出能力更强的SiC MOSFET（SiC基半导体的一种），目前已大规模用于车载电源，2019年底将推出中国首辆SiC电控的电动车。

　　编辑点评：比亚迪从十多年前开始IGBT研发，打破了国外巨头的垄断；到今天领先世界的IGBT4.0发布，为中国汽车工业实现弯道超车提供了强大的中国芯；未来，比亚迪还将通过碳化硅实现产业的再向上。这不由得让人想起拥有海思处理器的华为，核心技术的自主掌握，是企业走向世界、引领世界的必要条件，相信比亚迪在未来会像华为一样，成为引领世界发展的中国的骄傲。