三分天下黑道学生 本土厂商同欧日三分天下 中国IGBT不再“一芯难求”
编者按:国内汽车界中,“一芯难求”的现状被打破了。
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。IGBT约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15-20%,也就是说,IGBT占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,也决定了整车的能源效率。
然而,一个不得不提的业内现实是,这样重要的功率器件,却长期来基本被英飞凌、三菱、富士电机、仙童等国外巨头垄断全球市场。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”。
现在,这种“外资寡头垄断”的市场格局正在被逐渐瓦解。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,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。
“我们可以很自豪地说,在IGBT这个领域中国可以与欧洲、日本三分天下。” 比亚迪第六事业部总经理陈刚如是说。
“指甲”般大小,“心脏”般重要
一说起IGBT,有些制造半导体的人内心并不十分重视,他们常想:不就是一个分立器件吗?然而和28nm/16nm集成电路制造一样,IGBT是国家“02专项(《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》项目,因次序排在国家重大专项所列16个重大专项第二位,在业内被称为02专项)”的重点扶持项目。
IGBT芯片只有人的指甲盖那么大小,其上蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路,只有借助显微镜才能看清。然而,就是这个指甲盖大小的东西,却在能源转换与传输中起着心脏般的重要作用,它被称为电力电子装置的“CPU”。
相较于早期的各种电力电子器件相比,IGBT具有高输入阻抗、高速开关特性、导通状态低损耗等特点。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,其高效节能和绿色环保的特点,是解决能源短缺问题和实现低碳排放的关键技术支撑。
IGBT是什么?简单来说,它是一个非通即断的开关:导通时可以看做导线,断开时即为开路。IGBT融合了MOSFET以及BJT两种器件的优点,如驱动功率小,饱和压降低等。
虽然IGBT中文翻译为“绝缘栅双极型晶体管”,但其最常见的形式是模块(Module),并非单管。模块是由多个IGBT芯片并联,电流规格更大。
IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用,它是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。例如,在电动控制系统,大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机;车载空调控制系统,小功率直流/交流(DC/AC)逆变,使用电流较小的IGBT和FRD;智能充电桩中,IGBT模块被作为开关元件使用。
IGBT模块的优势显而易见,然而令人意外的是,全球电动汽车龙头特斯拉却只使用IGBT单管。因为单就价格而言,单管要远低于模块。据了解,全球的新能源车企中,除特斯拉和国内少数低速电动外,大部分品牌的新能源汽车都在使用IGBT模块。
IGBT有望迎来黄金发展期,中国市场却被国外巨头垄断多年
近年来,全球新能源汽车发展如火如荼。业内一致认为,电动化、智能化、网联化、共享化会是未来新能源汽车的发展趋势。电动化平台是这些技术的重要基础。而IGBT作为新能源汽车动力、电源系统中的核心器件,也将迎来黄金发展期。
数据显示,2017年,全球共销售新能源汽车超过120万辆,占全球汽车销量的1.2%。同时,新能源汽车用IGBT的市场规模占IGBT市场的17%,达到7亿美元。
2016年全球电动车销量大约200万辆,共消耗了大约9亿美元的IGBT管,平均每辆车大约450美元,是电动车里除电池外最昂贵的部件。其中,混合动力和PHEV大约77万辆,每辆车需要大约300美元的IGBT,纯电动车大约123万辆,平均每辆车使用540美元的IGBT,大功率的纯电公交车用的IGBT可能超过1000美元。
巨大的市场潜力,吸引了全球各路电子巨头前来淘金。据统计,全球IGBT市场主要竞争者包括德国英飞凌、日本三菱、富士电机、美国安森美、瑞士ABB等,前五大企业的全球市场份额超过70%。
同时,这些国际巨头的兼并重组正在加速。前年,恩智浦与飞思卡尔两大巨头合并,行业集中度进一步提高。此外,高通、英特尔等电子巨头都在竞相进军汽车芯片市场。
有分析称,未来的新能源汽车市场变革中,中国会承担引领者的角色。据BNEF的长期预测显示,随着新能源汽车对内燃机汽车在成本方面逐渐建立起领先优势,到2025年全球新能源汽车的销量有望增至1100万辆。其中,中国占全球市场份额中将接近50%。在新能源汽车快速发展的大势下,GGII预估,国内新能源汽车和充电桩市场将出现200亿IGBT模块的需求量。
然而,一个令人心酸的事实是,在国内市场,中高端IGBT产能严重不足,汽车IGBT市场被英飞凌、意法半导体、瑞萨电子、恩智浦等国际巨头所垄断。“国内用的芯片大多依靠进口,尤其是核心汽车电子控制芯片基本都掌握在外国人手中,国内的汽车电子芯片技术还差得很远。”中国汽车工程学会装备部部长陈长年曾这样感慨。
和中国形成鲜明对比的是日本。以丰田为例,尽管在已有本土IGBT巨头,但其在开发混合动力车时,还是选择将IGBT管完全控制在自己手中,成为了全球唯一能够自产IGBT管的汽车厂家。普锐斯也因此获得强大的生命力,成为目前全球唯一的强混合动力车。
突破技术壁垒,本土厂商发力IGBT市场
浏览器关键词一搜,“中国IGBT技术到底有多落后?”诸如此类的言论总是铺天盖地,仿佛技术落后成了“一芯难求”的最根本因素。
事实上,国内的技术壁垒正在被逐渐打破。知乎上一位高赞答主说:“作为一名IC民工,身处世界前三的储存器工厂,明显感觉近两年业内行情见好,国家开始大力扶持芯片产业了。确实,目前中国半导体技术还处于起步阶段,但是有钱有人,还是能成功的。连我们公司的外国老大都说,中国的半导体行业肯定会起来,但是还需要几年。这几年就是交学费的过程。良品率就是一点一点试出来的。路还是要靠我们这一批半导体工程师自己趟出来”。
这段回答,和陈刚在比亚迪IGBT4.0发布会上的讲的一段话很像。陈刚说,比亚迪的团队经历了十三年的积累,才在2017年开始研发出了IGBT4.0。
目前,新能源车用IGBT方面,比亚迪研发出的全新车规级产品IGBT4.0,其芯片损耗、模块温度循环能力、电流输出能力等关键指标,达到了全球领先水平。具体体现在,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;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%。
瞄准车用IGBT的车企不止比亚迪。2017年年底,江苏宏微科技股份有限公司就与北汽新能源汽车股份公司联合成立宏微-北汽新能源IGBT联合实验室,以实现提高车用IGBT性能;今年3月,上汽集团股份有限公司与英飞凌以51:49股比合资成立的上汽英飞凌汽车功率半导体(上海)有限公司正式开业;今年4月,针对新能源市场,中科君芯推出新能源汽车领域DCS-IGBT芯片。
据分析,2018-2025年期间,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。华虹宏力集成一部研发总监杨继业认为,新能源汽车既是节能环保的迫切需求,也是我国汽车产业转型升级的一个突破口。IGBT作为新能源汽车动力、电源系统中的核心器件,将随之迎来绝佳的发展机遇。
新能源汽车带给国产IGBT的发展机遇不言而喻,挑战也不容小觑。
业内专业人士分析称,从应用的角度出发,车用IGBT对其技术发起了更高的挑战。首先,汽车的大众消费属性对IGBT的使用寿命提出了更高要求,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;其次,汽车需要面临着例如爬坡涉水、频繁启停等更为复杂的工况,这对其装配体积和散热效率都提出了更高的要求。
从行业的角度出发,据了解,目前国际主要的IGBT厂商采用的均为IDM模式。IDM商业模式是国际整合元件制造商模式。IDM厂商的经营范围涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等各个环节,甚至也会延伸到下游电子终端。采用这一模式的一般有美国、日本和欧洲半导体产业。例如,Intel、三星、TI、东芝、意法半导体等。IDM企业注重技术积累,具有领先优势的头马会不断提高技术门槛,后来者追赶难度随之增大。
对此,比亚迪IGBT产品中心产品总监杨钦耀表示,做IGTB的研发团队要多跟下游沟通进行融合,去做适合于应用端的产品实现,这样才能实现IGBT产业化。
“人才培养和产品的标准化也是实现IGBT产业化的必需条件。” 杨钦耀分析。
