以比亚迪为代表的本土IGBT供应商,也在技术日趋成熟的基础上继续深耕布局

来源:经济观察报 作者: 时间:2018-12-17 11:18

比亚迪 IGBT 供应商

  IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)是能源变换与传输的核心器件,采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键技术。

  作为新能源汽车最核心的技术之一,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”,长期以来成为制约新能源汽车的大规模商业化的一道“瓶颈”。

  但一个无法绕开的业界现实是,IGBT技术成熟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。因此,IGBT又被称为电力电子装置的“CPU”——尽管一块IGBT模块只有巴掌大小,却是驾驭一台庞大装备的“命脉”。

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  与此相关的一个产业现状是,在国内市场,中高端IGBT产能严重不足,长期依赖国际巨头,导致“一芯难求”。基于此,国产本土化IGBT的技术成熟度,一度成为关乎中国新能源汽车进一步规模化发展的一道关键的“壁垒”。

  事实上,近年来这道“壁垒”正在逐渐松动。随着以比亚迪为代表的本土新能源汽车厂商在IGBT领域实现技术的突破,中国的新能源汽车配套产业格局正在悄然生变。据了解,作为中国第一个实现车规级IGBT大规模量产的本土企业,截至2018年11月,比亚迪累计申请IGBT相关专利175件,其中授权专利114件。

  业界颇为一致的观点是,随着本土IGBT技术的崛起,有望破除国际寡头在该领域的垄断局面,势必也会影响中国乃至全球新能源汽车产业的竞争格局。

  外资寡头垄断下的IGBT

  随着能源危机、气候变化和环境污染的加剧,世界各主要国家都推出新能源汽车的发展计划,电动化将成为汽车历史最大的变革。中国是最早大规模推广新能源汽车的国家,凭借先发优势,市场规模、产业配套等,中国诞生了一批极具竞争力的新能源汽车民族品牌。但在市场的另一面,IGBT技术却成为长期以来制约中国新能源汽车发展的一个“瓶颈”。

  作为主流的新型电力电子器件之一,IGBT在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源装备,以及工业领域(高压大电流场合的交直流电转换和变频控制)等应用极广,是上述应用中的核心技术。

  但与工业级IGBT相比,IGBT在电动汽车领域的应用则面临更多的挑战。一方面,汽车的大众消费属性,对IGBT的寿命要求比较高(设计寿命在20年以上),需要满足使用寿命内数十万次甚至百万次的功率循环要求。另一方面,汽车面临着更为复杂的适用工况,需频繁启停、爬坡涉水、经历不同路况和环境温度等,高温、高湿、高振动对IGBT是极为严苛的考验,对装配体积和散热效率的要求都非常严格。

  不止于此,电动汽车的操作人员存在相对非专业性的情况,其对IG-BT的考验和性能要求是多维度、全方位的。但又出于乘用车需面向大众消费市场的原因,要求其价格必须保持在合理区间,因此,车用IGBT要求高性价比前提下的高可靠性。在这些因素的综合影响下,车规级IGBT相较于工业级,无论是技术难度、应用场景,还是可靠性方面,对器件本身的要求都更为严苛。

  在此背景下,中国IGBT主流市场一直被国际巨头垄断——90%的份额掌握在英飞凌、三菱等海外巨头手中。由于外资巨头掌握着IGBT的核心技术和定价权,这在一定程度上,成为中国新能源汽车产业实现规模化发展的一大障碍。

  本土企业突破重围

  如何实现本土厂商IGBT技术的突破,有效的破除外资的垄断局面,对中国新能源汽车发展的未来意义重大,但这绝非易事。据了解,IGBT技术存在较多的开发难点,长期以来IGBT的核心技术始终掌握在国外厂商手里。

  首先,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。其次,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。第三,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。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。

  不止于此,IGBT模块设计难度也很大。需要考虑材料匹配、散热、结构、功率密度、外观、重量等多项指标。IGBT模块的制造中,大面积芯片的无空洞焊接(无空洞焊接需要在1mBar <即0.1Kpa>的高真空下进行,高可靠性绑线工艺和测试等都是难点。

  尽管面临困难重重,但早在2003年,以比亚迪为代表的本土新能源汽车企业就预见IGBT将会是影响电动车发展的关键技术,并在研发团队组建、产线建设等各方面投入重金,默默布局IGBT产业。

  经过十余年耕耘,本土厂商在IGBT技术领域的研发可谓进步不俗。以比亚迪为例,2009年9月,比亚迪IGBT芯片成功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,比亚迪研发出全新的车规级产品IGBT4.0,成为车规级IGBT的标杆。其芯片损耗、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。

  具体技术指标体现在,比亚迪IGBT4.0产品的综合损耗相比当前市场主流产品降低了约20%,使得整车电耗降低;IGBT4.0产品模块的温度循环寿命可以做到当前市场主流产品的10倍以上;搭载IGBT4.0的V-315系列模块在同等工况下较当前市场主流产品的电流输出能力提升15%。

  除新能源汽车外,比亚迪IGBT模块还广泛应用于包括工业设备、家电、太阳能逆变等行业在内的各类电力电子设备中,主要客户包括博世力士乐、松下、OTC(日本)、美的、时代焊机等。

  逐力IGBT“风口”

  当前,传统乘用车行业可谓凛冬将至。来自中汽协公布最新产销数据显示,10月汽车产销分别完成233.4万辆和238万辆,同比下降10.1%和11.7%。1-10月,汽车累计产销2282.6万辆和2287.1万辆,同比下降0.4%和0.06%,增速持续回落——传统车市正面临自1990年以来的首次下滑。

  与此形成鲜明对照,新能源汽车市场却是逆势增长。以本土代表性企业比亚迪为例,12月6日,比亚迪汽车公布了其11月份的销量数据,总销量达到49645辆,同比增长9%。其中,新能源汽车销量再创新高,达到28739辆,同比暴增123%,连续四个月销量突破2万辆,全年20万辆的目标已提前达成。

  事实上,比亚迪在新能源市场的强劲业绩,折射的正是中国新能源汽车市场的火爆现状。预测数据显示,2018年中国新能源汽车产量有望达到100万辆。按国家制定的“2020年当年销量达到200万辆产销量”的目标,2018-2020年中国新能源汽车产量年复合增长率将超过40%。

  在新能源汽车销量爆发式增长的背景下,IGBT市场也有望迎来“井喷期”。来自集邦咨询的预测显示,2018-2025年期间,在中国新能源汽车及相关产业带动的IGBT市场规模共计超过1200亿元。其中,2025年单年,中国新能源汽车所用IGBT市场规模将达到210亿元。2018-2025年,中国新能源汽车所用IGBT累计新增市场规模超过900亿元。2025年单年,中国充电桩所用IGBT的市场规模将达到100亿元。2018-2025年,中国充电桩所用IGBT累计新增市场规模达300亿。

  在此背景下,以比亚迪为代表的本土IGBT供应商,有望迎来一个难得的市场机遇“风口”。首先是国产替代市场。来自中信建投的数据显示,2017年,中国国内的IGBT市场规模约121亿元(含车规级及工业级),约占全球总需求的50%。但我国IGBT起步较晚,国内市场份额主要被国际巨头垄断,国产化率只有11%,进口依赖程度较高,国产替代空间巨大。

  此外,全球范围内IGBT供货周期延长,随着新能源汽车的爆发,未来几年供不应求趋势将更加明显。据悉,由于IGBT上游产业投资时间长,即使各大半导体厂商加大投资,近几年也难以满足新能源汽车需求。根据富昌电子(Future Electronics LTD,世界三大电子元器件分销商之一)对2018年上半年IGBT产品交货周期的统计,IGBT交货周期已经大幅延长,且在未来一段时间有延长趋势。英飞凌、ON Semi、IXYS等主要IGBT产品供应商的供货周期均存在延长现象,IG-BT的缺货情况,可见一斑。

  不止于此,未来几年,新能源汽车增速显著高于车规级IGBT增速,两者的增速不匹配,也将导致IGBT供货愈加紧张。来自智研咨询和国金证券的预测数据显示,预计2022年单年,全球新能源汽车的年产销量将达到600万辆,2018-2022年年均复合增长率达30%。但同期车规级IG-BT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、国家发改委、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%。有这样的大背景下,主要依赖进口的中国,车规级IGBT的缺货情况或将较全球市场更甚。

  面对IGBT市场爆发的机遇,以比亚迪为代表的本土IGBT供应商,也在技术日趋成熟的基础上继续深耕布局。据悉,比亚迪投入巨资的第三代半导体材料SiC(碳化硅)项目, 目前已大规模用于车载电源,有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车,预计2023年采用SiC基半导体全面替代硅基半导体(如硅基IGBT),引领下一代电动车芯片变革。



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