简述IGBT在新能源汽车中的地位

日期:2022-10-28 阅读:254
核心提示:在新能源汽车中,IGBT其实是很重要的一部分,它对于一辆汽车的稳定性与安全性有着至关重要的影响。那么,我们就先来看看IGBT是什

在新能源汽车中,IGBT其实是很重要的一部分,它对于一辆汽车的稳定性与安全性有着至关重要的影响。那么,我们就先来看看IGBT是什么。

一、IGBT产生的背景

在半导体领域中功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。功率半导体细分为功率器件(分立器件的一支)和功率IC(集成电路的一支)。从技术发展来看,功率分立器件的演进路径基本为二极管到晶闸管到MOSFET再到IGBT,其中,IGBT是功率半导体新一代中的典型产品。

功率器件按照驱动方式可以分为两大类,分别是电压型控制器件和电流型控制器件。电压型控制器件主要是通过改变调节控制端电压来控制器件的开通与关断,而电流型控制器件则主要是通过改变调节控制端电流大小来控制器件的开通与关断。电流控制型器件的共同特点是导通损耗小,所需驱动功率小,但是驱动电路复杂,工作频率较低,如晶闸管、二极管、BJT等。而电压控制型器件的共同特点在于输入阻抗高、所需驱动功率小、驱动电路简单、工作频率高,如IGBT、MOSFET等。

MOSFET主要应用于中小功率场合如电脑功率电源、家用电器等,具有门极输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快、开关损耗小的特点。但随着下游应用发展越来越快,MOSFET的电流能力显然已经不能满足市场需求。为了在保留MOSFET优点的前提下降低器件的导通电阻,人们曾经尝试通过提高MOSFET衬底的掺杂浓度以降低导通电阻,但衬底掺杂的提高会降低器件的耐压。如果在MOSFET结构的基础上引入一个双极型BJT结构,就不仅能够保留MOSFET的原有优点,还可以通过BJT结构提高器件的电流能力。

BJT即为双极型晶体管,俗称三极管,在三极管中,空穴电子和自由电子都参与导电,称为双极型器件;而MOS管只有多子导电,称为单极型器件。在放大状态工作时,三极管发射结正偏,有基极电流,相应的输入电阻较小,约为103Ω。由于BJT 是双极性器件,在工作过程中,器件结构漂移区中有注入载流子贮存时间,导致其不能在高频下工作。

在经过技术上的不断改进后,结合了两者优势的IGBT应运而生。目前,IGBT已经能够覆盖从600V~6500V的电压范围,应用涵盖从工业电源、变频器、新能源汽车、新能源发电到轨道交通、国家电网等一系列领域。IGBT凭借其高工作频率、高电流性能、开关损耗小等优点在庞大的功率器件世界中赢得了自己的一片领域。

IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极结型晶体管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。长期以来,IGBT(包括芯片)被垄断在少数IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)。由于其在高压、大电流、高速等方面的优势是其他功率器件无法比拟的,因而在电力电子领域它是较为理想的开关器件,也被誉为“电力电子器件里的CPU”。

二、IGBT行业发展情况

1、IGBT产业链情况

IGBT产业链上下游与产品的制造流程有很强的联系。上游主要为设计、芯片制造、陶瓷基板制造;中游主要为封装外壳、覆铜陶瓷基板、散热底板以及引线框架制作;下游主要是模块封装及产品测试。终端应用市场则主要集中在白色家电、轨道交通、新能源汽车、智能电网等方面。

2、IGBT市场规模与应用

(1)全球IGBT的市场规模与应用情况

功率半导体中,IGBT、MOSFET、二极管及整流桥是主要的产品类别,三个产品类别约占功率半导体市场的80%左右,其中IGBT约占整个功率半导体市场份额的20%。据WSTS统计的数据显示:2016年全球IGBT市场规模约为42.9亿美元,未来市场规模还将保持持续增长的态势,预计到2022年全球IGBT市场规模将达到67.2亿美元。

从全球市场来看,目前IGBT市场处于一种被欧美日基本垄断的局面,相比之下国产份额极低。IGBT市场竞争格局较为集中,主要竞争者包括英飞凌、三菱、富士电机、安森美、瑞士ABB等,2017年全球前五大IGBT厂商的份额超过70%,其中英飞凌占比最大,占到全球市场份额的29%。

从应用市场划分来看,根据Yole的数据统计,全球市场上,工控、新能源和家电市场是IGBT的主要应用领域,尤其是近几年新能源车(采用电源模块)的爆发,极大地促进了IGBT市场的发展。根据2017年全球IGBT应用数据显示,工控领域为IGBT最大市场需求领域,该领域占全球IGBT市场规模的37%;其次为新能源汽车领域,占比达28%;新能源发电及消费领域则分别占9%、8%。

以电动汽车为例, 2016年全球电动车销量约200万辆,共消耗了大概9亿美金的IGBT,平均每辆车450美金。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。预计随着全球电动车的销量提升,IGBT在电动车领域的市场将在2022年达到20亿美金。此外,随着新能源汽车的不断普及,对于充电桩的需求日益增加,也会拉动IGBT的需求。

面对市场的强劲需求,各IGBT厂商加大了投融资和生产布局。2019年4月,安森美半导体收购格芯位于纽约东菲什基尔300mm晶圆厂的所有权,扩大其在MOSFET和IGBT 芯片方面的产能。2020年4月,赛米控对中国增资扩产,总投资额超800万欧元,并引入最新的MiniSKiiP生产线进行量产。

三、在新能源汽车领域

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。此外直流充电桩的核心也是IGBT管,直流充电桩30%的原材料成本就是IGBT。作为一种功率半导体,IGBT应用非常广泛,小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业。此外,IGBT还是国家“02专项”的重点扶持项目,已经全面取代了传统的Power MOSFET,被称为电力电子行业里的“CPU”。

在电动汽车的“三电”方面,TESLA的Model S使用的三相异步驱动电机,其中每一相的驱动控制需要使用28颗塑封的IGBT芯片,三相共需要使用84颗IGBT芯片。算算总量,就可知需求的庞大。此外,充电桩的核心部件也要用到IGBT芯片。

但是,长期以来,被垄断在少数IDM(Integrated device manufacturer)手上,比如英飞凌Infineon、富士电机、三菱等外资企业。数据显示,2019年期间,英飞凌为国内电动乘用车市场供应62.8万套IGBT模块,市占率达到58%。而比亚迪供应了19.4万套,市占率达到18%。可以说,如果没有比亚迪,中国车规级IGBT芯片市场国内企业一直被“卡脖子”的局面无法缓解。这是实情。

就IGBT技术实力来看,比亚迪发展到了IGBT 4.0(相当于国际第五代),而斯达半导已经发展到了第六代,该公司基于第六代Trench Field Stop技术的650V/750V IGBT 芯片及配套的快恢复二极管芯片,已在新能源汽车行业实现应用。从全球看,IGBT目前已经发展到7.5代,第7代由三菱电机在2012年推出,三菱电机目前的水平可以看作7.5代,而比亚迪2018年12月12日才发布IGBT 4.0技术(也就是国际上第五代技术),所以说,目前的差距还是很大的。

故而从新能源汽车中的IGBT来看,比亚迪能够自主研发出自己的IGBT这点无疑是其重要亮点之一,但目前相对于世界上其他强劲对手还存在差距。

文章来源:800V高压未来

 

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