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SiC IGBT红利难及我国IGBT玩家能否拿下

新能源汽车是当下的热门话题,随着国内“双积分”政策出台,新能源车迎来新一轮发展高潮。功率半导体占到新能源汽车中半导体用量的50%,而IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为核心功率器件,成为这波红利下的受益者。

在开发之初,IGBT主要应用在电机、变换器(逆变器)、变频器、UPS、EPS电源、风力发电设备等工业控制领域。IGBT是能源转换与传输的核心器件,是电力电子装置的“CPU”。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能和绿色环保的特点,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。

长期以来,IGBT技术主要被欧美、日本等国垄断。 在新能源、节能环保“十二五”规划等一系列国家政策措施的支持及市场的推动下,我国IGBT产业投入加大,取得巨大成绩,不过我国IGBT芯片90%以上的市场仍被国外企业所占据,垄断格局依然存在。下面我们就来说说IGBT的故事。

IGBT发展史

电力电子器件起着“信息电子电路”与“电力电子电路”之间的桥梁作用,实现电能的变换与控制。

尽管IGBT已被使用多年,但仍可称作新型的电力电子器件,由功率二极管、晶闸管、BJT、MOSFET发展而来,实现了从工业控制到信息电子的应用延伸。

1950~60年代,发明双极型器件SCR,GTR和GTO通态电阻很小,采用电流控制但控制电路复杂且功耗大;

1970年代,推出单极型器件VD-MOSFET,通态电阻很大,采用电压控制,控制电路简单且功耗小;

1980年代,MOSFET与BJT被结合起来进行研究,IGBT被发明,它集MOSFET驱动简单及BJI电流能力强于一身。

1985年前后,美国GE成功试制工业样品,只可惜后来GE放弃了IGBT这条路。

从结构上看,IGBT有纵向结构、栅极结构及硅片加工工艺三种。IGBT的发展也经历了6代技术及工艺演进,如下图。

SiC IGBT成为重要发展方向

IGBT电压范围为600~6500V,600V以下的IGBT产品主要应用在消费电子领域;600~1200V范围的产品应用最广,被纯电动/混动汽车、电机控制器、家用电器、太阳能逆变器等采用;1200V以上的高规格IGBT被应用在电力设备、汽车电子、高铁及动车中。

IGBT向更低的开关损耗、更高的电流密度以及更高的工作温度发展。然而随着数万伏高压、高于500度的高温、高频、大功率等需求,性能逼近材料特性极限的Si IGBT已无法胜任。

随着第三代半导体走红,SiC被视作IGBT“救世主”。当然,SiC也需要延着Si走过的老路逐渐摸索。

尽管SiC IGBT还在研发阶段,但可以肯定的是SiC IGBT与SiC MOSFET相比,由于其电导调制效应的存在,在超高压领域(>10kV)优势明显。

在SiC IGBT的研究上,美国、欧洲与日本先人一步,我国只是刚刚起步。当然,在第三代半导体的研究上我过也晚于欧美日。

国内外玩家全景图

前面也提到,尽管我国IGBT取得巨大成绩,但仍处于被国外厂商垄断的局面,在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上尤为突出。IGBT市场巨大,我国功率半导体市场占世界市场的50%,下图为全球 IGBT 市场规模预测图。

日系方面,全球有近70%的IGBT模块市场被三菱、东芝及富士等日系企业控制;德系的英飞凌也是全球IGBT龙头企业之一,其独立式 IGBT 功率晶体以24.7%的市场占有率位居第一,IGBT 模块则以20.5%的市场占有率位居第二;瑞士系的ABB,长期保持着全球IGBT前十的地位,在高电压等级领域所向披靡;美系的安森美、Fairchild(被安森美收购)、ADI、Vishay等均为全球功率器件的领头羊。

据调研机构IHS于2016年公布的报告,英飞凌(Infineon)以独占全球24.5%的份额高居榜首,日本三菱电机(Mitsubishi )则以24.4%的全球份额位列第二,另一日系大厂富士电机(Fuji Electric)以12.2%的占有率夺得季军。

IGBT全球格局也在半导体收购浪潮中发生了两次改变,2014年,美国IR被英飞凌以30亿美元收购;2016年,安森美以26亿美元收购仙童。

英飞凌是唯一拥有8inIGBT器件生产线的厂家,且其技术已发展到12in,其IGBT芯片产量居全球首位,一些电力半导体厂家均从英飞凌购买IGBT芯片用于封装IGBT模块。

这里值得提到的是东芝,东芝在IGBT领域有一定话语权,不止闪存业务出售之后,IGBT是否会考虑出售。

当然,在此表格中,我们也可以看到嘉兴斯达及中国中车在列。我国IGBT产业已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整产业链。以下为国内部分顶尖的IGBT厂商,涵盖了设计到制造:

株洲中车时代电气,IDM

国内最大的IGBT生产商,现已建成全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线,具备年产12万片芯片、并配套形成年产100万只IGBT模块的自动化封装测试能力,芯片与模块电压范围实现从650V到6500V的全覆盖,是国内唯一自主掌握了高铁动力IGBT芯片及模块技术的企业。

比亚迪,IDM、模组

与国家电网、上海先进半导体牵手,共同打造IGBT国产化产业链,主要为工业级IGBT模块、汽车级IGBT模块、600V IGBT单管、IGBT驱动芯片。

嘉兴斯达,模块、设计

主要产品为600V-3300V/1800A-3700A模块。

西安永电电气

6500V/600A IGBT功率模块已成功下线,为全球第四个、国内第一个能够封装6500V以上电压等级IGBT的厂家。

华润上华和华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、2500V和3300V IGBT芯片也已进入量产。

国内IGBT行业近几年的发展大事记:

(1)2011年12月,北车西安永电成为国内第一个、世界第四个能够封装6500V以上IGBT产品的企业。

(2)2013年9月,中车西安永电成功封装国内首件自主设计生产的50A/3300V IGBT芯片;

(3)2014年6月,中车株洲时代推出全球第二条、国内首条8英寸IGBT芯片专业生产线投入使用;

(4)2015年3月,天津中环自主研制的6英寸FZ单晶材料已批量应用,8英寸FZ单晶材料也已经取得重大突破;

(5)2015年8月,上海先进与比亚迪、 国家电网建立战略产业联盟,正式进入比亚迪新能源汽车用IGBT供应链;

(6)2015年10月,中车永电/上海先进联合开发的国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片通过高铁系统上车试验;

(7)2015年底,中车株洲时代与北汽新能源签署协议,全面启动汽车级IGBT和电机驱动系统等业务的合作;

(8)2016年5月,华润上华/华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、 2500V和3300V IGBT芯片已进入量产。

新能源汽车中的IGBT

纯电动汽车的电力驱动系统主要由电子控制器、驱动电动机、电动机逆变器、各种传感器、机械传动装置和车轮等组成,其中最关键的是电动机逆变器,电动机不同,控制器也有所不同,控制器将蓄电池直流电逆变成交流电后驱动交流驱动电动机,电动机输出的转矩经传动系统驱动车轮,使电动汽车行驶。该系统的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能,并能够在汽车减速制动时,将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。

IGBT在电力驱动系统中用于逆变器模块,该模块将蓄电池的直流电转换交流电驱动电机。

IGBT在电源系统中用于各种交流/直流与直流/直流变换器中,实现为蓄电池充电与完成所需电压等级的电源变换等功能。

同时,IGBT也是充电桩的核心部件。

Strategy Analytics数据显示,纯电动汽车(EV)半导体元器件用量达到673美元,相较于传统汽车297美元的半导体用量增加了127%,其中大部分新增用量是功率半导体器件。以HEV(混合动力汽车)为例,新增的半导体元器件用量367美元,其中76%是功率半导体器件,新增的功率半导体用量达到了279美元,已经接近于传统汽车半导体元件总用量。

新能源汽车和充电桩带动百亿新需求,IGBT作为其核心器件也将迎来一轮爆发。

新能源汽车用IGBT模块一般为600V~1200V/200A~800A,充电桩需要的IGBT模块功率相对要小。不同功率、不同电机数量的新能源汽车所需的IGBT模块差别较大,按照均价来计算,预计未来5年新能源汽车和充电桩将带动我国IGBT模块200亿的市场需求。

透过以上内容,我们可以看到尽管在高端与SiC IGBT方面,我国处于落后状态,但是新能源汽车用IGBT模块方面还是有可以满足市场需求的本土厂商的产品可满足。

作者:新能源司令部