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新能源汽車是當(dāng)下的熱門話題，隨著國內(nèi)“雙積分”政策出臺，新能源車迎來新一輪發(fā)展高潮。功率半導(dǎo)體占到新能源汽車中半導(dǎo)體用量的 50%，而 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）作為核心功率器件，成為這波紅利下的受益者。
在開發(fā)之初，IGBT 主要應(yīng)用在電機(jī)、變換器（逆變器）、變頻器、UPS、EPS 電源、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等工業(yè)控制領(lǐng)域。IGBT 是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷请娏﹄娮友b置的“CPU”。采用 IGBT 進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是解決能源短缺問題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)。
長期以來，IGBT 技術(shù)主要被歐美、日本等國壟斷。 在新能源、節(jié)能環(huán)?！笆濉币?guī)劃等一系列國家政策措施的支持及市場的推動下，我國 IGBT 產(chǎn)業(yè)投入加大，取得巨大成績，不過我國 IGBT 芯片 90%以上的市場仍被國外企業(yè)所占據(jù)，壟斷格局依然存在。下面我們就來說說 IGBT 的故事。
IGBT 發(fā)展史
電力電子器件起著“信息電子電路”與“電力電子電路”之間的橋梁作用，實(shí)現(xiàn)電能的變換與控制。
盡管 IGBT 已被使用多年，但仍可稱作新型的電力電子器件，由功率二極管、晶閘管、BJT、MOSFET 發(fā)展而來，實(shí)現(xiàn)了從工業(yè)控制到信息電子的應(yīng)用延伸。
1950~60 年代，發(fā)明雙極型器件 SCR，GTR 和 GTO 通態(tài)電阻很小，采用電流控制但控制電路復(fù)雜且功耗大；
1970 年代，推出單極型器件 VD-MOSFET，通態(tài)電阻很大，采用電壓控制，控制電路簡單且功耗??；
1980 年代，MOSFET 與 BJT 被結(jié)合起來進(jìn)行研究，IGBT 被發(fā)明，它集 MOSFET 驅(qū)動簡單及 BJI 電流能力強(qiáng)于一身。
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1985 年前后，美國 GE 成功試制工業(yè)樣品，只可惜后來 GE 放棄了 IGBT 這條路。
從結(jié)構(gòu)上看，IGBT 有縱向結(jié)構(gòu)、柵極結(jié)構(gòu)及硅片加工工藝三種。IGBT 的發(fā)展也經(jīng)歷了 6 代技術(shù)及工藝演進(jìn)，如下圖。
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SiC IGBT 成為重要發(fā)展方向
IGBT 電壓范圍為 600~6500V，600V 以下的 IGBT 產(chǎn)品主要應(yīng)用在消費(fèi)電子領(lǐng)域；600~1200V 范圍的產(chǎn)品應(yīng)用最廣，被純電動 / 混動汽車、電機(jī)控制器、家用電器、太陽能逆變器等采用；1200V 以上的高規(guī)格 IGBT 被應(yīng)用在電力設(shè)備、汽車電子、高鐵及動車中。
IGBT 向更低的開關(guān)損耗、更高的電流密度以及更高的工作溫度發(fā)展。然而隨著數(shù)萬伏高壓、高于 500 度的高溫、高頻、大功率等需求，性能逼近材料特性極限的 Si IGBT 已無法勝任。
隨著第三代半導(dǎo)體走紅，SiC 被視作 IGBT“救世主”。當(dāng)然，SiC 也需要延著 Si 走過的老路逐漸摸索。
盡管 SiC IGBT 還在研發(fā)階段，但可以肯定的是 SiC IGBT 與 SiC MOSFET 相比，由于其電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的存在，在超高壓領(lǐng)域（>10kV）優(yōu)勢明顯。
在 SiC IGBT 的研究上，美國、歐洲與日本先人一步，我國只是剛剛起步。當(dāng)然，在第三代半導(dǎo)體的研究上我過也晚于歐美日。
國內(nèi)外玩家全景圖
前面也提到，盡管我國 IGBT 取得巨大成績，但仍處于被國外廠商壟斷的局面，在中高端 MOSFET 及 IGBT 主流器件市場上尤為突出。IGBT 市場巨大，我國功率半導(dǎo)體市場占世界市場的 50%，下圖為全球 IGBT 市場規(guī)模預(yù)測圖。
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日系方面，全球有近 70%的 IGBT 模塊市場被三菱、東芝及富士等日系企業(yè)控制；德系的英飛凌也是全球 IGBT 龍頭企業(yè)之一，其獨(dú)立式 IGBT 功率晶體以 24.7%的市場占有率位居第一，IGBT 模塊則以 20.5%的市場占有率位居第二；瑞士系的 ABB，長期保持著全球 IGBT 前十的地位，在高電壓等級領(lǐng)域所向披靡；美系的安森美、Fairchild（被安森美收購）、ADI、Vishay 等均為全球功率器件的領(lǐng)頭羊。
據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu) IHS 于 2016 年公布的報告，英飛凌（Infineon）以獨(dú)占全球 24.5%的份額高居榜首，日本三菱電機(jī)（Mitsubishi ）則以 24.4%的全球份額位列第二，另一日系大廠富士電機(jī)（Fuji Electric）以 12.2%的占有率奪得季軍。
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IGBT 全球格局也在半導(dǎo)體收購浪潮中發(fā)生了兩次改變，2014 年，美國 IR 被英飛凌以 30 億美元收購；2016 年，安森美以 26 億美元收購仙童。
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英飛凌是唯一擁有 8inIGBT 器件生產(chǎn)線的廠家，且其技術(shù)已發(fā)展到 12in，其 IGBT 芯片產(chǎn)量居全球首位，一些電力半導(dǎo)體廠家均從英飛凌購買 IGBT 芯片用于封裝 IGBT 模塊。
這里值得提到的是東芝，東芝在 IGBT 領(lǐng)域有一定話語權(quán)，不止閃存業(yè)務(wù)出售之后，IGBT 是否會考慮出售。
當(dāng)然，在此表格中，我們也可以看到嘉興斯達(dá)及中國中車在列。我國 IGBT 產(chǎn)業(yè)已形成了 IDM 模式和代工模式的 IGBT 完整產(chǎn)業(yè)鏈。以下為國內(nèi)部分頂尖的 IGBT 廠商，涵蓋了設(shè)計(jì)到制造：
株洲中車時代電氣，IDM
國內(nèi)最大的 IGBT 生產(chǎn)商，現(xiàn)已建成全球第二條、國內(nèi)首條 8 英寸 IGBT 芯片專業(yè)生產(chǎn)線，具備年產(chǎn) 12 萬片芯片、并配套形成年產(chǎn) 100 萬只 IGBT 模塊的自動化封裝測試能力，芯片與模塊電壓范圍實(shí)現(xiàn)從 650V 到 6500V 的全覆蓋，是國內(nèi)唯一自主掌握了高鐵動力 IGBT 芯片及模塊技術(shù)的企業(yè)。
比亞迪，IDM、模組
與國家電網(wǎng)、上海先進(jìn)半導(dǎo)體牽手，共同打造 IGBT 國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈，主要為工業(yè)級 IGBT 模塊、汽車級 IGBT 模塊、600V IGBT 單管、IGBT 驅(qū)動芯片。
嘉興斯達(dá)，模塊、設(shè)計(jì)
主要產(chǎn)品為 600V-3300V/1800A-3700A 模塊。
西安永電電氣
6500V/600A IGBT 功率模塊已成功下線，為全球第四個、國內(nèi)第一個能夠封裝 6500V 以上電壓等級 IGBT 的廠家。
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華潤上華和華虹宏力基于 6 英寸和 8 英寸的平面型和溝槽型 1700V、2500V 和 3300V IGBT 芯片也已進(jìn)入量產(chǎn)。
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國內(nèi) IGBT 行業(yè)近幾年的發(fā)展大事記：
（1）2011 年 12 月，北車西安永電成為國內(nèi)第一個、世界第四個能夠封裝 6500V 以上 IGBT 產(chǎn)品的企業(yè)。
（2）2013 年 9 月，中車西安永電成功封裝國內(nèi)首件自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 50A/3300V IGBT 芯片；
（3）2014 年 6 月，中車株洲時代推出全球第二條、國內(nèi)首條 8 英寸 IGBT 芯片專業(yè)生產(chǎn)線投入使用；
（4）2015 年 3 月，天津中環(huán)自主研制的 6 英寸 FZ 單晶材料已批量應(yīng)用，8 英寸 FZ 單晶材料也已經(jīng)取得重大突破；
（5）2015 年 8 月，上海先進(jìn)與比亞迪、 國家電網(wǎng)建立戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，正式進(jìn)入比亞迪新能源汽車用 IGBT 供應(yīng)鏈；
（6）2015 年 10 月，中車永電 / 上海先進(jìn)聯(lián)合開發(fā)的國內(nèi)首個具有完全知識產(chǎn)權(quán)的 6500V 高鐵機(jī)車用 IGBT 芯片通過高鐵系統(tǒng)上車試驗(yàn)；
（7）2015 年底，中車株洲時代與北汽新能源簽署協(xié)議，全面啟動汽車級 IGBT 和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)等業(yè)務(wù)的合作；
（8）2016 年 5 月，華潤上華 / 華虹宏力基于 6 英寸和 8 英寸的平面型和溝槽型 1700V、 2500V 和 3300V IGBT 芯片已進(jìn)入量產(chǎn)。
新能源汽車中的 IGBT
純電動汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)主要由電子控制器、驅(qū)動電動機(jī)、電動機(jī)逆變器、各種傳感器、機(jī)械傳動裝置和車輪等組成，其中最關(guān)鍵的是電動機(jī)逆變器，電動機(jī)不同，控制器也有所不同，控制器將蓄電池直流電逆變成交流電后驅(qū)動交流驅(qū)動電動機(jī)，電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輪，使電動汽車行駛。該系統(tǒng)的功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動能，并能夠在汽車減速制動時，將車輪的動能轉(zhuǎn)化為電能充入蓄電池。
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IGBT 在電力驅(qū)動系統(tǒng)中用于逆變器模塊，該模塊將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換交流電驅(qū)動電機(jī)。
IGBT 在電源系統(tǒng)中用于各種交流 / 直流與直流 / 直流變換器中，實(shí)現(xiàn)為蓄電池充電與完成所需電壓等級的電源變換等功能。
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同時，IGBT 也是充電樁的核心部件。
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Strategy Analytics 數(shù)據(jù)顯示，純電動汽車(EV)半導(dǎo)體元器件用量達(dá)到 673 美元，相較于傳統(tǒng)汽車 297 美元的半導(dǎo)體用量增加了 127%，其中大部分新增用量是功率半導(dǎo)體器件。以 HEV(混合動力汽車)為例，新增的半導(dǎo)體元器件用量 367 美元，其中 76%是功率半導(dǎo)體器件，新增的功率半導(dǎo)體用量達(dá)到了 279 美元，已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車半導(dǎo)體元件總用量。
新能源汽車和充電樁帶動百億新需求，IGBT 作為其核心器件也將迎來一輪爆發(fā)。
新能源汽車用 IGBT 模塊一般為 600V~1200V/200A~800A，充電樁需要的 IGBT 模塊功率相對要小。不同功率、不同電機(jī)數(shù)量的新能源汽車所需的 IGBT 模塊差別較大，按照均價來計(jì)算，預(yù)計(jì)未來 5 年新能源汽車和充電樁將帶動我國 IGBT 模塊 200 億的市場需求。
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透過以上內(nèi)容，我們可以看到盡管在高端與 SiC IGBT 方面，我國處于落后狀態(tài)，但是新能源汽車用 IGBT 模塊方面還是有可以滿足市場需求的本土廠商的產(chǎn)品可滿足。
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