近年來(lái)，新能源汽車(chē)逐漸走進(jìn)人們的生活，據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2019年我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量將達(dá)到160萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)30%。與此同時(shí)，充電基礎(chǔ)設(shè)施也將迎來(lái)爆發(fā)期，據(jù)悉，截至2019年6月，全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì)數(shù)量為100.2萬(wàn)臺(tái)，突破百萬(wàn)。

IGBT模塊是新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)和直流充電樁的核心器件，成本占到新能源整車(chē)成本的10%，占到充電樁成本的20%。未來(lái)幾年，隨著新能源汽車(chē)及充電樁市場(chǎng)進(jìn)入爆發(fā)期，IGBT作為其核心器件也將迎來(lái)黃金發(fā)展期，預(yù)計(jì)未來(lái)5年國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)和充電樁市場(chǎng)將帶動(dòng)200億IGBT模塊的需求。

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過(guò)特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上，當(dāng)前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說(shuō)的IGBT也指IGBT模塊。

新能源汽車(chē)哪些部分會(huì)用到IGBT模塊？

1、汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

新能源汽車(chē)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要作用在于能量的轉(zhuǎn)換，即從DC（電池直流電）轉(zhuǎn)換到AC（電機(jī)交流電）或者從AC（電機(jī)交流電）轉(zhuǎn)換到DC（電池直流電），從DC轉(zhuǎn)到AC稱為逆變，其中主要用到的功率器件就是IGBT。

IGBT和我們熟知的MOSFET一樣，都是進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的器件，但不同的是IGBT更常用于高壓功率轉(zhuǎn)換。電動(dòng)汽車(chē)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電池電壓一般在200V以上，過(guò)流能力在300A以上，功率器件的擊穿電壓在600-1200V左右，開(kāi)關(guān)頻率在20KHZ以內(nèi)，所以需要對(duì)高壓大電流進(jìn)行操作，主要通過(guò)IGBT模塊實(shí)現(xiàn)。

新能源汽車(chē)電動(dòng)控制用IGBT的規(guī)格一般在600-1200V/120-800A左右，以比亞迪F3DM為例，其電池的工作電壓為330V，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為50KW，加速過(guò)程中，輸出電流峰峰值在1500A以上，所以采用自制1200V/600A額定電壓電流的IGBT模塊。

2、車(chē)載空調(diào)控制系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載空調(diào)的工作原理，是通過(guò)逆變器將高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電后，驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)進(jìn)行工作，其原理與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)相同，只是功率較小。一般電流需求在50A以內(nèi)，工作頻率在20KHz左右。

以比亞迪BIP60030為例，其車(chē)載空調(diào)控制系統(tǒng)中存在一個(gè)三相全橋智能IGBT模塊，內(nèi)有6顆IGBT，6顆FRD，擊穿電壓和額定電流分別選定為600V和30A。

3、充電樁

充電樁有直流和交流兩種類型。交流充電樁俗稱“慢充”，指固定安裝在電動(dòng)汽車(chē)外、與交流電網(wǎng)連接，為電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機(jī)（即固定安裝在電動(dòng)汽車(chē)上的充電機(jī)）提供交流電源的供電裝置。交流充電系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)控制電源，只提供電力輸出，沒(méi)有充電功能，需連接車(chē)載充電機(jī)為電動(dòng)汽車(chē)充電。

直流充電樁主要用于公共場(chǎng)所，為電動(dòng)汽車(chē)提供快充服務(wù)。其工作原理是通過(guò)充電電源系統(tǒng)將輸入交流電轉(zhuǎn)化為隔離高壓直流電，為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池充電。這也是功率半導(dǎo)體的用武之地之一。

上文提到的逆變器是一種DCtoAC的變壓器，它其實(shí)與轉(zhuǎn)化器是一種電壓逆變的過(guò)程。轉(zhuǎn)換器是將電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的12V直流輸出，而逆變器是將Adapter輸出的12V直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的高壓交流電；電動(dòng)汽車(chē)逆變器用于控制汽車(chē)主電機(jī)為汽車(chē)運(yùn)行提供動(dòng)力，IGBT功率模塊是電動(dòng)汽車(chē)逆變器的核心功率器件，其驅(qū)動(dòng)電路是發(fā)揮IGBT性能的關(guān)鍵電路。

國(guó)內(nèi)可提供新能源汽車(chē)用的IGBT廠商有哪些？

1、比亞迪微電子

成立于2004年10月，是比亞迪的第六事業(yè)部，主要承擔(dān)著公司集成電路及功率器件的開(kāi)發(fā)、整合性晶圓制造服務(wù)的生產(chǎn)任務(wù)。事業(yè)部現(xiàn)有員工2300余人，在深圳、寧波擁有兩大生產(chǎn)基地。

公司目前產(chǎn)品主要覆蓋功率半導(dǎo)體器件、IGBT功率模塊、電源管理IC、CMOS圖像傳感器、傳感及控制IC、音視頻處理IC等。應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了對(duì)光、電、磁及聲等信號(hào)的感應(yīng)、處理及控制，提供IC產(chǎn)品及完整的解決方案。相關(guān)產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、能源、工業(yè)、通訊和消費(fèi)類電子領(lǐng)域。

據(jù)介紹，比亞迪的IGBT團(tuán)隊(duì)于2005年成立，當(dāng)時(shí)為什么要開(kāi)始自己研制IGBT呢？深圳比亞迪微電子有限公司高級(jí)研發(fā)經(jīng)理吳海平先生曾在一個(gè)論壇上表示，“因?yàn)槲覀冏鲭妱?dòng)車(chē)做的比較早，當(dāng)時(shí)在市面上幾乎找不到針對(duì)電動(dòng)車(chē)的IGBT，基本上都是工業(yè)級(jí)的IGBT。我們也找過(guò)一些廠家去談定制，基本上都不理，所以當(dāng)時(shí)也是被逼的沒(méi)有辦法才做這個(gè)事情。”

成立IGBT團(tuán)隊(duì)之后，公司又于2008年收購(gòu)了寧波中瑋，2009年模塊廠正式投產(chǎn)，最開(kāi)始芯片是外購(gòu)的，不過(guò)到2012年，比亞迪開(kāi)始大批量量產(chǎn)IGBT芯片，2015年，其IGBT模塊銷(xiāo)售額超過(guò)3個(gè)億，2017年底在汽車(chē)上累計(jì)出貨超過(guò)50萬(wàn)支。

目前，比亞迪已經(jīng)擁有國(guó)內(nèi)首個(gè)汽車(chē)IGBT打造鏈條，包括IGBT芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝等部分，還有仿真測(cè)試以及整車(chē)測(cè)試。目前比亞迪IGBT芯片晶圓的產(chǎn)能為5萬(wàn)片/月，年供應(yīng)新能源汽車(chē)60萬(wàn)輛。到今年年中，比亞迪IGBT產(chǎn)能有望達(dá)到10萬(wàn)片/月，年供應(yīng)新能源汽車(chē)可達(dá)120萬(wàn)輛，將很大程度上緩解我國(guó)新能源汽車(chē)IGBT芯片供應(yīng)不足問(wèn)題。

2、中車(chē)株洲所

中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司（中國(guó)中車(chē)株洲所）始創(chuàng)于1959年，前身是鐵道部株洲電力機(jī)車(chē)研究所，現(xiàn)為中國(guó)中車(chē)股份有限公司一級(jí)全資子公司。中車(chē)株洲所在很早就開(kāi)始投入研發(fā)IGBT技術(shù)，并取得重大突破。

2017年6月26日上午11時(shí)05分，兩列“復(fù)興號(hào)”從京滬兩地同時(shí)對(duì)開(kāi)首發(fā)，這是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組的正式亮相。其使用的大功率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）技術(shù)，正是中車(chē)株洲所研發(fā)突破，實(shí)現(xiàn)的自主國(guó)產(chǎn)化，此前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被德國(guó)、日本等國(guó)把控了30年。

過(guò)去，我國(guó)機(jī)車(chē)車(chē)輛用IGBT模塊都要從德國(guó)、日本進(jìn)口，特別是在高等級(jí)的IGBT器件。2008年，隨著高鐵建設(shè)的加快，需求倍增，一個(gè)8列的動(dòng)車(chē)組就需要152個(gè)芯片，成本高達(dá)200萬(wàn)元。每年中國(guó)需要10萬(wàn)只芯片，總金額高達(dá)12億元。中車(chē)株洲所IGBT項(xiàng)目的一位研發(fā)負(fù)責(zé)人說(shuō)，國(guó)際產(chǎn)品銷(xiāo)售市場(chǎng)中，中國(guó)并非優(yōu)先級(jí)，我們買(mǎi)的價(jià)格貴，一個(gè)模塊就高達(dá)1萬(wàn)多元，而且只能買(mǎi)成品，產(chǎn)品交貨周期很長(zhǎng)。

以7200千瓦大功率交流電力機(jī)車(chē)用IGBT為例，一塊巴掌大小的IGBT模塊內(nèi)共有36塊指甲大小的芯片，每塊芯片并聯(lián)擺放5萬(wàn)個(gè)被稱作為“元胞”的電子單元。這些“元胞”相當(dāng)于IGBT的“細(xì)胞”，它們能夠在百萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流的快速轉(zhuǎn)化。而要在指甲大小的芯片上均勻加工處理5萬(wàn)個(gè)細(xì)如發(fā)絲的“元胞”，難度無(wú)異于在“針尖上繡花”。

中車(chē)株洲所是如何將IGBT技術(shù)發(fā)展起來(lái)的？2007年年末，席卷全球的金融危機(jī)為中車(chē)株洲所帶來(lái)了機(jī)遇。當(dāng)時(shí)，成立于1956年的英國(guó)老牌企業(yè)丹尼克斯半導(dǎo)體公司因?yàn)榻鹑谖C(jī)陷入困境。它是世界最早進(jìn)行IGBT技術(shù)研發(fā)的廠家，該公司有一條4英寸生產(chǎn)線，因缺少資金和應(yīng)用平臺(tái)，發(fā)展較為緩慢。2008年10月31日，中國(guó)中車(chē)株洲所下屬的時(shí)代電氣股份有限公司成功收購(gòu)英國(guó)丹尼克斯半導(dǎo)體公司75%的股權(quán)，成為中國(guó)軌道交通裝備企業(yè)首個(gè)海外并購(gòu)項(xiàng)目。

2010年5月，中車(chē)株洲所在英國(guó)成立功率半導(dǎo)體研發(fā)中心，成為中國(guó)軌道交通裝備制造企業(yè)首個(gè)海外研發(fā)中心，集中開(kāi)發(fā)新一代IGBT芯片技術(shù)、新一代高功率密度IGBT模塊技術(shù)和下一代碳化硅功率器件技術(shù)等前沿基礎(chǔ)技術(shù)，并從所里派出了多批技術(shù)專家前往英國(guó)。

中車(chē)株洲所投入巨資，為丹尼克斯建成了多年夢(mèng)寐以求的6英寸IGBT芯片生產(chǎn)線。隨后，更多國(guó)內(nèi)技術(shù)人員來(lái)到英國(guó)，新開(kāi)發(fā)出多個(gè)1700伏以上高等級(jí)IGBT模塊。合作順利的雙方攜手進(jìn)行下一代高功率IGBT芯片技術(shù)研究、生產(chǎn)。

2013年12月，中國(guó)企業(yè)自主研制的第一款國(guó)內(nèi)最大電壓等級(jí)、最高功率密度的6500伏高壓IGBT芯片誕生。該成果總體技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平、填補(bǔ)國(guó)內(nèi)行業(yè)空白，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)在高端IGBT技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平接軌，具有重大戰(zhàn)略意義。

此外，2011年5月，中車(chē)株洲所投入約16億元，建設(shè)國(guó)內(nèi)第一條8英寸IGBT芯片生產(chǎn)基地；2014年6月，該生產(chǎn)線建成投產(chǎn)，這是世界上第二條8英寸IGBT專業(yè)芯片生產(chǎn)線，11月，裝有首批自主8英寸IGBT芯片的模塊在云南昆明地鐵成功運(yùn)行，中車(chē)株洲所自主研制生產(chǎn)的8英寸IGBT芯片打破了國(guó)外高端IGBT技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)從研發(fā)、制造到應(yīng)用的完全國(guó)產(chǎn)化。

2018年10月，在世界智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)大會(huì)上，中車(chē)首次在公眾面前展示了電機(jī)控制器DM3020，該產(chǎn)品采用中車(chē)自主研發(fā)的汽車(chē)級(jí)IGBT芯片，這也是中車(chē)“芯”在新能源汽車(chē)產(chǎn)品上的首次應(yīng)用。憑借十幾年IGBT發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，中車(chē)株洲所進(jìn)軍新能源汽車(chē)領(lǐng)域的難度也會(huì)有所減少。

3、揚(yáng)杰科技

揚(yáng)杰科技成立于2006年8月2日，2014年1月在深交所創(chuàng)業(yè)板掛牌上市，公司專業(yè)致力于功率半導(dǎo)體芯片及器件制造、集成電路封裝測(cè)試等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，主營(yíng)產(chǎn)品為各類電力電子器件芯片、功率二極管、整流橋、大功率模塊、DFN/QFN產(chǎn)品、SGTMOS及碳化硅SBD、碳化硅JBS等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子、安防、工控、汽車(chē)電子、新能源等諸多領(lǐng)域。

目前，公司設(shè)有廣州、深圳、廈門(mén)、寧波、杭州、上海、武漢、成都、青島、天津等12個(gè)境內(nèi)技術(shù)服務(wù)站，境外設(shè)有***、韓國(guó)、新加坡、日本、美國(guó)、德國(guó)、土耳其、意大利、法國(guó)、墨西哥等10個(gè)國(guó)際營(yíng)銷(xiāo)、技術(shù)網(wǎng)點(diǎn)。

2018年6月11日，揚(yáng)杰科技在互動(dòng)平臺(tái)表示，公司于2018年3月控股一條位于宜興的6寸晶圓線，該生產(chǎn)線目前已能夠小批量生產(chǎn)IGBT芯片。公司正在積極規(guī)劃8寸線，儲(chǔ)備8寸晶圓、IGBT技術(shù)人才。

從揚(yáng)杰科技官微上表示，其IGBT模塊可應(yīng)用于變頻器、光伏逆變器、風(fēng)能逆變器、UPS、EPS電源、電焊機(jī)、切割機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)上。公司也曾在互動(dòng)平臺(tái)向投資者表示，公司有兩款I(lǐng)GBT產(chǎn)品主要用于工控領(lǐng)域，也可運(yùn)用到電動(dòng)汽車(chē)的充電樁中，切公司電動(dòng)汽車(chē)、變頻器等高端通用MPS-FRD芯片與模塊封裝項(xiàng)目"的產(chǎn)品可運(yùn)用在電動(dòng)汽車(chē)的充電樁中，主要功能為逆變。

4、嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體

成立于2005年4月，是一家專業(yè)從事功率半導(dǎo)體元器件尤其是IGBT模塊研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售服務(wù)的國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)。總部設(shè)于浙江嘉興，占地106畝，注冊(cè)資金1.2億元。公司在浙江、上海和歐洲均設(shè)有子公司。

從官網(wǎng)了解到，嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體的IGBT模塊包含600V、650V、1200V、1700V和3300V。公司專門(mén)有新能源汽車(chē)的應(yīng)用方案，從下圖可以看出三相PWM轉(zhuǎn)換器和輔助動(dòng)力源兩部分會(huì)用到IGBT模塊。

三相PWM轉(zhuǎn)換器中功率部分模塊包括GD600HFT120C6S_G8（用于商用車(chē)、物流車(chē)），GD900HFT120P1S_G8（用于商用車(chē)、混動(dòng)大巴），GD1400HFT120P2S_G8（純電動(dòng)大巴）、GD400HHT65P3S（乘用車(chē)）、GD800HHT65P4S（乘用車(chē)、商用車(chē)）等等。

以上提到的是一些電動(dòng)汽車(chē)常用的功率模塊，據(jù)介紹，嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體電動(dòng)汽車(chē)模塊不單單包含上述模塊型號(hào)，只要是公司已有封裝，市場(chǎng)上存在的電壓電流等級(jí)模塊，嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體都可以生產(chǎn)，例如：GD800HHT65P4S模塊的封裝，還做GD600HTT65P4S（650V/600A）、GD400HTT120P4S（1200V/400A）等模塊，而且該封裝可以做帶Pin-fin的散熱基板，也可以做不帶Pin-fin的平面散熱基板型模塊。

輔助部分模塊包括GD25PIT120C5S、GD40PIT120C5S、GD50HCT60L2S、GD75HCT60L2S、GD50FSK60L2S、GD50FST60L3S，具體型號(hào)和相應(yīng)電壓、電流和電路如下圖。

5、宏微科技

江蘇宏微科技股份有限公司是由一批長(zhǎng)期在國(guó)內(nèi)外從事電力電子產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)，具有多種專項(xiàng)技術(shù)的科技人員組建的國(guó)家重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)。公司具有從600-1700VIGBT芯片設(shè)計(jì)、模塊封裝、特性分析及可靠性研究完整的設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)能力，自產(chǎn)600-1200VIGBT芯片已在工業(yè)電機(jī)控制器領(lǐng)域大批量應(yīng)用，打破了國(guó)外IGBT芯片長(zhǎng)期的壟斷地位。研發(fā)的車(chē)用MOSFET、IGBT模塊，已在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于電動(dòng)叉車(chē)、高爾夫球車(chē)、電動(dòng)物流車(chē)及低速電動(dòng)車(chē)；研發(fā)的IGBTDCDC電源模塊，已大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)大巴。

2017年底與北汽新能源汽車(chē)股份公司聯(lián)合成立宏微-北汽新能源IGBT聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，計(jì)劃從芯片設(shè)計(jì)到模塊設(shè)計(jì)與封裝再到電機(jī)控制器設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，江蘇宏微與北汽新能源聯(lián)合打造電機(jī)控制器產(chǎn)業(yè)鏈。試驗(yàn)室將建設(shè)車(chē)用級(jí)IGBT模塊封裝平臺(tái)、測(cè)試平臺(tái)和可靠性試驗(yàn)平臺(tái)。深入開(kāi)展電動(dòng)汽車(chē)控制器使用的高性能、高可靠性IGBT模塊研發(fā)與應(yīng)用研究，以實(shí)現(xiàn)提高車(chē)用IGBT性能,提升電機(jī)控制器性價(jià)比和可靠性的目的。

從官網(wǎng)了解到，在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用方案中，IGBT模塊主要應(yīng)用在電機(jī)控制器和輔助動(dòng)力部分，應(yīng)用于電機(jī)控制器的主驅(qū)動(dòng)功率部分模塊有MMG300WE120B6E4N、MMG450WE120B6E4N、MMG600WE120B6E4N、MMG400VB065XEN；輔驅(qū)功率部分模塊型號(hào)有MMG25HD120X6TN、MMG40HD120X6TN、MMG50HD120X6TN、MMG75HD120X6TN。電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用方案和各部分功率模塊如下圖。

總結(jié)

上文提到的多是IGBT模塊，而IGBT模塊所需的芯片，也是關(guān)鍵技術(shù)，據(jù)了解，目前多數(shù)IGBT芯片大量依賴進(jìn)口，比亞迪微電子、中車(chē)株洲所、揚(yáng)杰科技可以自產(chǎn)部分IGBT芯片，嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體、宏微科技主要提供IGBT模塊。

新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，對(duì)于多產(chǎn)功率器件廠商來(lái)說(shuō)，既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。機(jī)遇是市場(chǎng)空間逐年增多，挑戰(zhàn)則是新能源汽車(chē)對(duì)IGBT模塊的要求比工業(yè)級(jí)的要求更加苛刻，所以功率器件廠商，想要取得新能源汽車(chē)這塊市場(chǎng)，還需要投入更多精力。