打破“一芯難求”,比亞迪推IGBT4.0征戰新能源市場

時代財經APP記者 李卓玲

今年以來,在整體車市下行的大趨勢下,新能源汽車市場卻保持著十分強勁的增長勢頭。據中汽協數據顯示,今年1-10月我國新能源汽車產銷分別完成87.9萬輛和86萬輛,分別比去年同期增長70%和75.6%。而按國家制定的“2020年當年銷量達到200萬輛產銷量”的目標,2018-2020年中國新能源汽車產量年複合增長率將超過40%,可見,未來幾年新能源市場將繼續成為拉動整體汽車市場增長的重要力量。

在新能源汽車產銷量爆發的大趨勢下,包括動力電池及IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)在內的新能源汽車核心器件將迎來黃金髮展期。不過,相比目前發展較快的電池產業而言,IGBT的發展還較為滯後,中高端IGBT產能相對不足,同時,由於長期依賴國際巨頭,“一芯難求”亦成為制約新能源汽車發展的主要瓶頸之一。

而在此現狀下,包括比亞迪在內的中國本土企業都在尋求破局。

解密車規級IGBT4.0

12月10日,比亞迪IGBT電動中國芯核心技術解析會在寧波舉行,會上,比亞迪重點展示了其自主研發的全新車規級產品IGBT4.0。

打破“一芯難求”,比亞迪推IGBT4.0征戰新能源市場

事實上,IGBT作為新能源汽車最核心的技術之一,其好壞直接影響電動車功率的釋放速度,包括直接控制直、交流電的轉換,同時對交流電機進行變頻控制,決定驅動系統的扭矩(直接影響汽車加速能力)、最大輸出功率(直接影響汽車最高時速)等,被稱為電力電子裝置的“CPU”。

而據比亞迪方面稱,IGBT4.0在技術指標和工藝指標等方面皆達到較為領先的水平。其中,在芯片損耗上,IGBT4.0產品的綜合損耗相比當前市場主流產品降低了約20%,使得整車電耗降低。以全新一代唐為例,在其他條件不變的情況下,採用比亞迪 IGBT4.0較採用當前市場主流的IGBT,百公里電耗少約3%。

同時,IGBT4.0產品模塊的溫度循環壽命可以做到當前市場主流產品的10倍以上。而在電流輸出能力方面,搭載IGBT4.0的V-315系列模塊在同等工況下較當前市場主流產品的電流輸出能力提升15%,支持整車具有更強的加速能力。

車規級產品IGBT4.0的成功研發,助力比亞迪IGBT朝著中高端方向邁進一步,並在一定程度上提升其新能源汽車性能。據介紹稱,IGBT為比亞迪電動車提供對電流的準確、有效控制,使得比亞迪全新一代唐DM得以實現百公里加速4.5秒、全時電四驅、百公里油耗2升以內。此外,在比亞迪IGBT對電流準確、有效的控制下,比亞迪全新一代唐EV的百公里加速時間達到4.4秒。而比亞迪IGBT在芯片損耗、電流輸出能力等方面的性能,則較大程度地提升驅動系統的工作效率。

而事實上,相比工業級IGBT,車規級IGBT的研發及應用目前面臨著不少挑戰。一方面,汽車的大眾消費屬性,對IGBT的壽命要求比較高,如設計壽命在20年以上,並需要滿足使用壽命內數十萬次甚至百萬次的功率循環要求。另一方面,汽車面臨著更為複雜的適用工況,需頻繁啟停、爬坡涉水、經歷不同路況和環境溫度等,高溫、高溼、高振動對IGBT是極為嚴苛的考驗,對裝配體積和散熱效率的要求都非常嚴格。此外,電動汽車的操作人員存在相對非專業性的情況,其對IGBT的考驗和性能要求是多維度、全方位的。但又出於乘用車需面向大眾消費市場的原因,要求其價格必須保持在合理區間,因此,車用IGBT要求高性價比前提下的高可靠性。

在多種因素的綜合影響下,無論是技術難度、應用場景,還是可靠性方面,車規級IGBT對器件本身的要求都較為嚴苛。而比亞迪IGBT4.0的自主研發,在一定程度上亦促成了國產化車規級IGBT技術的突破。

IGBT破局:從0到1

而事實上,作為我國首個實現車規級IGBT規模量產的車企,比亞迪在IGBT的研發及推進中,經歷了“從0到1”的過程。

比亞迪在IGBT的研發投入要追溯到2005年,彼時的比亞迪剛組建IGBT研發團隊,正式進軍IGBT領域。隨後,2008年,比亞迪以1.71億元資金收購寧波中緯六英寸生產線,意在打造其汽車電子功率半導體的產業鏈,這在當時被看做是比亞迪的一場“豪賭”。

然而,事實證明比亞迪押對了“賭注”,在其後的一年,2009年9月,比亞迪IGBT芯片成功通過中國電器工業協會電力電子分會組織的科技成果鑑定,意味著中國在IGBT芯片技術上實現零的突破,打破了國際巨頭的技術壟斷,對於促進我國芯片產業以及新能源汽車產業的發展具有較大的影響。

隨後,2015年10月,深圳比亞迪微電子有限公司與上海先進半導體制造股份有限公司簽訂建立戰略產業聯盟合作協議,共同打造IGBT國產化產業鏈。

打破“一芯難求”,比亞迪推IGBT4.0征戰新能源市場

而時至今日,比亞迪已發展為中國唯一一家擁有完整產業鏈的車企,包含IGBT芯片設計和製造,模組設計和製造,大功率器件測試應用平臺,電源及電控等。同時,據比亞迪方面稱,在車規級領域,比亞迪已突破了晶圓設計、模塊散熱、封裝工藝和製造等關鍵技術,打破了國外專利和技術封鎖,並首創電機驅動與車載充放電覆用IGBT的融合設計技術。

但是,與比亞迪IGBT研發進程的穩步推進不同的是,現時不少相關產業鏈的企業仍不具備大批量自主生產IGBT的能力,這也導致了中國IGBT市場一直被國際巨頭壟斷,近90%的份額掌握在英飛凌、三菱等海外巨頭手中。

不過,IGBT的開發確實存在著不少難點,主要體現在芯片和模塊等要求上。首先,在芯片要求方面,存在芯片微觀結構電路微小繁多、設計難度高、晶圓製造工藝難度大及潔淨度要求非常高等難題;其次,在模塊要求上,IGBT模塊設計難度大,需要考慮材料匹配、散熱、結構、功率密度、外觀、重量等多項指標,同時,IGBT模塊的製造中,大面積芯片的無空洞焊接、高可靠性綁線工藝和測試等都是難點。

而多重難點下,亦在一定程度上制約了IGBT國產化的進程。

“國產芯”借新能源汽車“沃土”發力

據中信建投數據顯示,去年中國國內的IGBT市場規模約121億元(含車規級及工業級),約佔全球總需求的50%。但目前國內市場份額主要被國際巨頭壟斷,國產化率只有11%,進口依賴程度較高。然而,任何事都存在兩面性,目前市場佔有量少,或也就意味著未來國產替代空間巨大。

值得一提的是,12月6日,中國汽車工業協會副祕書長師建華在深圳舉行的2018 APEC起點新能源年會上指出,“今年新能源汽車持續增長,明後年都會成為中國汽車增長的動力。而預計今年年底,可銷售118萬輛新能源汽車,到2020年可完成200萬輛的新能源汽車銷售目標。”而按國家制定的“2020年當年銷量達到200萬輛產銷量”的目標,2018-2020年中國新能源汽車產量年複合增長率將超過40%。

伴隨新能源汽車產銷量爆發,功率半導體需求激增,相關行業將迎來黃金髮展時期。據集邦諮詢數據顯示,2018-2025年期間,在中國,新能源汽車及相關產業帶動的IGBT市場規模共計超過1200億元。

顯然,新能源汽車不僅是節能環保的迫切需求,也是我國汽車產業轉型升級的一個突破口,而IGBT作為新能源汽車動力、電源系統中的核心器件,將隨之迎來絕佳的發展機遇。

同時,由於新能源汽車增速顯著高於車規級IGBT增速,兩者的增速不匹配,將導致IGBT供貨愈加緊張,而此情況在主要依賴進口的中國市場而言,車規級IGBT的缺貨情況將更為嚴峻。不過,IGBT供需缺口亦成為了資本及技術的風口,讓中國企業看到了機會。

微電子分析師周生明對時代財經表示,“隨著新能源市場的發展,電力電子的發展,及傳統電能線的改造等都急需關鍵元器件,IGBT需求大,但現時技術產品滿足不了,因此有待突破,在這方面比亞迪是走在前列的。”

事實上,中國新能源汽車產業的發展離不開關鍵零部件的支持,隨著“中國製造2025”等利好政策和“中國芯”等概念的提出,以及芯片進口替代需求強烈,政府方面也在大力支持國內廠商自主研發芯片。目前,國內出現了一批IGBT方面的公司,並取得了令人欣喜的成績,例如中車時代電氣、比亞迪、華微電子等。

在一眾發力IGBT市場中,不乏有主機廠佈局的身影。不過,與比亞迪自主研發不同,大多主機廠主要通過與有相關技術的零部件企業聯合打造,如去年底北汽新能源汽車聯合江蘇宏微科技股份有限公司成立宏微-北汽新能源IGBT聯合實驗室,計劃從芯片設計到模塊設計與封裝再到電機控制器設計與生產;而今年上半年,上汽集團亦聯合英飛凌成立合資企業上汽英飛凌汽車功率半導體(上海)有限公司,模塊封裝項目計劃在今年下半年量產。

當然,作為掌握功率半導體和電池“雙芯”、電機、電控等電動車全產業鏈核心技術的比亞迪,在推進相關技術革新方面自然是不甘示弱的。比亞迪稱,將投巨資佈局第三代半導體材料SiC(碳化硅), 目前已大規模用於車載電源, 2019年底將推出中國首輛搭載SiC電控的電動車,預計2023年採用SiC基半導體全面替代硅基半導體(如硅基IGBT)。

周生明表示,“現在的國際環境及發展現狀逼迫中國企業必須加快自主創新,滿足自身市場和產品的需要,要不然隨時會受制於人,會很被動。中國市場那麼大,佈局該產業市場空間和前景非常光明,不過一定要加強自主研發,不能直接套用別人的。”

而事實上,伴隨著新能源汽車的發展,無論是功能重要性還是技術發展難度而言,IGBT顯然已成為新能源新能源汽車發展的關鍵因素之一。而在助力中國汽車工業的發展道路上,自主設計製造國產化IGBT芯片,才能不受制於其他外國企業,並進一步在激烈的競爭中搶佔行業高點,助力“彎道超車”。

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