近年來，新能源汽車逐漸走進人們的生活，據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會預測，2019年我國新能源汽車銷量將達到160萬輛，同比增長30%。與此同時，充電基礎設施也將迎來爆發(fā)期，據(jù)悉，截至2019年6月，全國充電基礎設施累計數(shù)量為100.2萬臺，突破百萬。

IGBT模塊是新能源汽車電控系統(tǒng)和直流充電樁的核心器件，成本占到新能源整車成本的10%，占到充電樁成本的20%。未來幾年，隨著新能源汽車及充電樁市場進入爆發(fā)期，IGBT作為其核心器件也將迎來黃金發(fā)展期，預計未來5年國內(nèi)新能源汽車和充電樁市場將帶動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）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產(chǎn)品，封裝后的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上，當前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊。

新能源汽車哪些部分會用到IGBT模塊？

1、汽車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)

新能源汽車中電機驅(qū)動控制系統(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（電機交流電）或者從AC（電機交流電）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。電動汽車在轉(zhuǎn)換過程中，電池電壓一般在200V以上，過流能力在300A以上，功率器件的擊穿電壓在600-1200V左右，開關頻率在20KHZ以內(nèi)，所以需要對高壓大電流進行操作，主要通過IGBT模塊實現(xiàn)。

新能源汽車電動控制用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)動電機功率為50KW，加速過程中，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、車載空調(diào)控制系統(tǒng)

電動汽車車載空調(diào)的工作原理，是通過逆變器將高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電后，驅(qū)動空調(diào)壓縮機電機進行工作，其原理與電動驅(qū)動相同，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，其車載空調(diào)控制系統(tǒng)中存在一個三相全橋智能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”，指固定安裝在電動汽車外、與交流電網(wǎng)連接，為電動汽車車載充電機（即固定安裝在電動汽車上的充電機）提供交流電源的供電裝置。交流充電系統(tǒng)相當于一個控制電源，只提供電力輸出，沒有充電功能，需連接車載充電機為電動汽車充電。

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

上文提到的逆變器是一種DCtoAC的變壓器，它其實與轉(zhuǎn)化器是一種電壓逆變的過程。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；電動汽車逆變器用于控制汽車主電機為汽車運行提供動力，IGBT功率模塊是電動汽車逆變器的核心功率器件，其驅(qū)動電路是發(fā)揮IGBT性能的關鍵電路。

國內(nèi)可提供新能源汽車用的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，主要承擔著公司集成電路及功率器件的開發(fā)、整合性晶圓制造服務的生產(chǎn)任務。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。應用領域覆蓋了對光、電、磁及聲等信號的感應、處理及控制，提供IC產(chǎn)品及完整的解決方案。相關產(chǎn)品可廣泛應用于汽車、能源、工業(yè)、通訊和消費類電子領域。

據(jù)介紹，比亞迪的IGBT團隊于2005年成立，當時為什么要開始自己研制IGBT呢？深圳比亞迪微電子有限公司高級研發(fā)經(jīng)理吳海平先生曾在一個論壇上表示，“因為我們做電動車做的比較早，當時在市面上幾乎找不到針對電動車的IGBT，基本上都是工業(yè)級的IGBT。我們也找過一些廠家去談定制，基本上都不理，所以當時也是被逼的沒有辦法才做這個事情?！?/p>

成立IGBT團隊之后，公司又于2008年收購了寧波中瑋，2009年模塊廠正式投產(chǎn)，最開始芯片是外購的，不過到2012年，比亞迪開始大批量量產(chǎn)IGBT芯片，2015年，其IGBT模塊銷售額超過3個億，2017年底在汽車上累計出貨超過50萬支。

目前，比亞迪已經(jīng)擁有國內(nèi)首個汽車IGBT打造鏈條，包括IGBT芯片設計、晶圓制造、模塊封裝等部分，還有仿真測試以及整車測試。目前比亞迪IGBT芯片晶圓的產(chǎn)能為5萬片/月，年供應新能源汽車60萬輛。到今年年中，比亞迪IGBT產(chǎn)能有望達到10萬片/月，年供應新能源汽車可達120萬輛，將很大程度上緩解我國新能源汽車IGBT芯片供應不足問題。

2、中車株洲所

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

2017年6月26日上午11時05分，兩列“復興號”從京滬兩地同時對開首發(fā)，這是中國標準動車組的正式亮相。其使用的大功率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）技術(shù)，正是中車株洲所研發(fā)突破，實現(xiàn)的自主國產(chǎn)化，此前，這項技術(shù)已經(jīng)被德國、日本等國把控了30年。

過去，我國機車車輛用IGBT模塊都要從德國、日本進口，特別是在高等級的IGBT器件。2008年，隨著高鐵建設的加快，需求倍增，一個8列的動車組就需要152個芯片，成本高達200萬元。每年中國需要10萬只芯片，總金額高達12億元。中車株洲所IGBT項目的一位研發(fā)負責人說，國際產(chǎn)品銷售市場中，中國并非優(yōu)先級，我們買的價格貴，一個模塊就高達1萬多元，而且只能買成品，產(chǎn)品交貨周期很長。

以7200千瓦大功率交流電力機車用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5萬個被稱作為“元胞”的電子單元。這些“元胞”相當于IGBT的“細胞”，它們能夠在百萬分之一秒的時間內(nèi)實現(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5萬個細如發(fā)絲的“元胞”，難度無異于在“針尖上繡花”。

中車株洲所是如何將IGBT技術(shù)發(fā)展起來的？2007年年末，席卷全球的金融危機為中車株洲所帶來了機遇。當時，成立于1956年的英國老牌企業(yè)丹尼克斯半導體公司因為金融危機陷入困境。它是世界最早進行IGBT技術(shù)研發(fā)的廠家，該公司有一條4英寸生產(chǎn)線，因缺少資金和應用平臺，發(fā)展較為緩慢。2008年10月31日，中國中車株洲所下屬的時代電氣股份有限公司成功收購英國丹尼克斯半導體公司75%的股權(quán)，成為中國軌道交通裝備企業(yè)首個海外并購項目。

2010年5月，中車株洲所在英國成立功率半導體研發(fā)中心，成為中國軌道交通裝備制造企業(yè)首個海外研發(fā)中心，集中開發(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)等前沿基礎技術(shù)，并從所里派出了多批技術(shù)專家前往英國。

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

2013年12月，中國企業(yè)自主研制的第一款國內(nèi)最大電壓等級、最高功率密度的6500伏高壓IGBT芯片誕生。該成果總體技術(shù)處于國際領先水平、填補國內(nèi)行業(yè)空白，實現(xiàn)了中國在高端IGBT技術(shù)領域與國際先進水平接軌，具有重大戰(zhàn)略意義。

此外，2011年5月，中車株洲所投入約16億元，建設國內(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行，中車株洲所自主研制生產(chǎn)的8英寸IGBT芯片打破了國外高端IGBT技術(shù)壟斷，實現(xiàn)從研發(fā)、制造到應用的完全國產(chǎn)化。

2018年10月，在世界智能網(wǎng)聯(lián)汽車大會上，中車首次在公眾面前展示了電機控制器DM3020，該產(chǎn)品采用中車自主研發(fā)的汽車級IGBT芯片，這也是中車“芯”在新能源汽車產(chǎn)品上的首次應用。憑借十幾年IGBT發(fā)展經(jīng)驗和技術(shù)積累，中車株洲所進軍新能源汽車領域的難度也會有所減少。

3、揚杰科技

揚杰科技成立于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)致力于功率半導體芯片及器件制造、集成電路封裝測試等領域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，主營產(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)品廣泛應用于消費類電子、安防、工控、汽車電子、新能源等諸多領域。

目前，公司設有廣州、深圳、廈門、寧波、杭州、上海、武漢、成都、青島、天津等12個境內(nèi)技術(shù)服務站，境外設有***、韓國、新加坡、日本、美國、德國、土耳其、意大利、法國、墨西哥等10個國際營銷、技術(shù)網(wǎng)點。

2018年6月11日，揚杰科技在互動平臺表示，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，儲備8寸晶圓、IGBT技術(shù)人才。

從揚杰科技官微上表示，其IGBT模塊可應用于變頻器、光伏逆變器、風能逆變器、UPS、EPS電源、電焊機、切割機和電動汽車上。公司也曾在互動平臺向投資者表示，公司有兩款IGBT產(chǎn)品主要用于工控領域，也可運用到電動汽車的充電樁中，切公司電動汽車、變頻器等高端通用MPS-FRD芯片與模塊封裝項目"的產(chǎn)品可運用在電動汽車的充電樁中，主要功能為逆變。

4、嘉興斯達半導體

成立于2005年4月，是一家專業(yè)從事功率半導體元器件尤其是IGBT模塊研發(fā)、生產(chǎn)和銷售服務的國家級高新技術(shù)企業(yè)?？偛吭O于浙江嘉興，占地106畝，注冊資金1.2億元。公司在浙江、上海和歐洲均設有子公司。

從官網(wǎng)了解到，嘉興斯達半導體的IGBT模塊包含600V、650V、1200V、1700V和3300V。公司專門有新能源汽車的應用方案，從下圖可以看出三相PWM轉(zhuǎn)換器和輔助動力源兩部分會用到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、物流車），GD900HFT120P1S_G8（用于商用車、混動大巴），GD1400HFT120P2S_G8（純電動大巴）、GD400HHT65P3S（乘用車）、GD800HHT65P4S（乘用車、商用車）等等。

以上提到的是一些電動汽車常用的功率模塊，據(jù)介紹，嘉興斯達半導體電動汽車模塊不單單包含上述模塊型號，只要是公司已有封裝，市場上存在的電壓電流等級模塊，嘉興斯達半導體都可以生產(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，具體型號和相應電壓、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期在國內(nèi)外從事電力電子產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)，具有多種專項技術(shù)的科技人員組建的國家重點高新技術(shù)企業(yè)。公司具有從600-1700VIGBT芯片設計、模塊封裝、特性分析及可靠性研究完整的設計研發(fā)和生產(chǎn)能力，自產(chǎn)600-1200VIGBT芯片已在工業(yè)電機控制器領域大批量應用，打破了國外IGBT芯片長期的壟斷地位。研發(fā)的車用MOSFET、IGBT模塊，已在國內(nèi)外應用于電動叉車、高爾夫球車、電動物流車及低速電動車；研發(fā)的IGBTDCDC電源模塊，已大規(guī)模應用于電動大巴。

2017年底與北汽新能源汽車股份公司聯(lián)合成立宏微-北汽新能源IGBT聯(lián)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(chǎn)，江蘇宏微與北汽新能源聯(lián)合打造電機控制器產(chǎn)業(yè)鏈。試驗室將建設車用級IGBT模塊封裝平臺、測試平臺和可靠性試驗平臺。深入開展電動汽車控制器使用的高性能、高可靠性IGBT模塊研發(fā)與應用研究，以實現(xiàn)提高車用IGBT性能,提升電機控制器性價比和可靠性的目的。

從官網(wǎng)了解到，在電動汽車應用方案中，IGBT模塊主要應用在電機控制器和輔助動力部分，應用于電機控制器的主驅(qū)動功率部分模塊有MMG300WE120B6E4N、MMG450WE120B6E4N、MMG600WE120B6E4N、MMG400VB065XEN；輔驅(qū)功率部分模塊型號有MMG25HD120X6TN、MMG40HD120X6TN、MMG50HD120X6TN、MMG75HD120X6TN。電動汽車應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，也是關鍵技術(shù)，據(jù)了解，目前多數(shù)IGBT芯片大量依賴進口，比亞迪微電子、中車株洲所、揚杰科技可以自產(chǎn)部分IGBT芯片，嘉興斯達半導體、宏微科技主要提供IGBT模塊。

新能源汽車的快速發(fā)展，對于多產(chǎn)功率器件廠商來說，既是機遇也是挑戰(zhàn)。機遇是市場空間逐年增多，挑戰(zhàn)則是新能源汽車對IGBT模塊的要求比工業(yè)級的要求更加苛刻，所以功率器件廠商，想要取得新能源汽車這塊市場，還需要投入更多精力。