比亚迪发布全新车规级产品IGBT40 树立标杆

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  近日,比亚迪在宁波发布了车规级领域极具标杆意义的IGBT4.0技术,展现了其电动车领域的领先地位。

  IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)是一种大功率的电力电子器件,主要用于变频器逆变和其他逆变电,将直流电压逆变成频率可调的交流电,俗称电力电子装置的“CPU”。作为主流的新型电力电子器件之一,IGBT在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源装备,以及工业领域(高压大电流场合的交直流电转换和变频控制)等应用极广,是上述应用中的核心技术。

  与工业级IGBT相比,IGBT在电动汽车领域的应用需要面临更多的挑战:一方面,汽车的大众消费属性,对IGBT的寿命要求比较高(设计寿命在20年以上),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。另一方面,汽车面临着更为复杂的适用工况,需频繁启停、爬坡涉水、经历不同况和温度等,高温、高湿、高振动对IGBT是极为严苛的,对装配体积和散热效率的要求都非常严格。此外,电动汽车的操作人员存在相对非专业性的情况,其对IGBT的和性能要求是度、全方位的。但又出于乘用车需面向大众消费市场的原因,要求其价格必须保持在合理区间,因此,车用IGBT要求高性价比前提下的高可靠性。在这些因素的综合影响下,车规级IGBT相较于工业级,无论是技术难度、应用场景,还是可靠性方面,对器件本身的要求都更为严苛。

  相关数据显示,中国IGBT市场一直被国际巨头垄断,90%的份额掌握在英飞凌、三菱等海外巨头手中。但在某些细分领域(如车规级领域),以比亚迪为代表的中国企业的实力能与国际主流水平一较高下。在车规级领域,比亚迪突破了晶圆设计、模块散热、封装工艺和制造等关键技术,打破了国外专利和技术,并首创电机驱动与车载充放电复用IGBT的融合设计技术。此外,比亚迪IGBT模块还广泛应用于包括工业设备、家电、太阳能逆变等行业在内的各类电力电子设备中,主要客户包括博世力士乐、松下、OTC(日本)、美的、时代焊机等。

  长期以来,IGBT的核心技术始终掌握在国外厂商手里。2009年,比亚迪IGBT芯片成功通过中国电器工业协会电力电子分会组织的科技鉴定,标志着中国在IGBT芯片技术上实现零的突破,打破了国际巨头的技术垄断,对于促进我国芯片产业以及新能源汽车产业的发展具有深远影响。

  十几年前,当还不看好电动车的前景、甚至对IGBT还不太了解的情况下,在2003年就开始布局电动车的比亚迪就预见IGBT将会是影响电动车发展的关键技术,在研发团队组建、产线建设等各方面投入重金,默默布局IGBT产业。2005年,比亚迪组建IGBT研发团队,正式进军IGBT领域;2008年10月,比亚迪收购宁波中纬半导体晶圆厂;2009年9月,比亚迪IGBT芯片成功通过中国电器工业协会电力电子分会组织的科技鉴定,标志着中国在IGBT芯片技术上实现零的突破,打破了国际巨头的技术垄断。目前,比亚迪是中国唯一一家拥有完整产业链的车企:包含IGBT芯片设计和制造,模组设计和制造,大功率器件测试应用平台,电源及电控等。专利:截至2018年11月,累计申请IGBT相关专利175件,其中授权专利114件。

  十余年耕耘,比亚迪成功研发出全新的车规级产品IGBT4.0,成为车规级IGBT的标杆。IGBT“驯化”了电,而比亚迪“驯化”了IGBT。技术指标方面:在芯片损耗、模块温度循环能力、电流输出能力等关键指标上,比亚迪IGBT4.0产品达到全球领先水平。芯片损耗:比亚迪 IGBT4.0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。以全新一代唐为例,在其他条件不变的情况下,采用比亚迪 IGBT4.0较采用当前市场主流的IGBT,百公里电耗少约3%。温度循环能力:IGBT4.0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。电流输出能力: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%,支持整车具有更强的加速能力。工艺指标方面,在大规模应用的1200V车规级IGBT芯片的晶圆厚度上,比亚迪处于全球先进水平,可将晶圆厚度减薄到120um(约两根头发丝直径);为产品质量,比亚迪IGBT生产的洁净度要求达到最高等级的一级,即指每立方英尺(0.0283立方米)中,直径超过0.5微米的微尘离子不能超过1个;在晶圆的产品分析中,需要用到倍率高达500,000倍的扫描电子显微镜进行。相比之下,2000倍的倍率就足以使困扰众多城市于“无形”、直径只有人类头发丝1/20的PM2.5细颗粒物显露“真身”;晶圆的制造用水,标准需达到超纯水(也就是几乎去除氧和氢以外所有原子的水)。为达到这个标准,需要经过20多层净化;为产品品质,晶圆生产所需的光刻机需要保持平稳。在晶圆工厂,光刻机需要放在特制的防震台上,避免过的车辆、甚至从旁经过的人的脚步对其的影响。此外,为了防震,晶圆工厂的地基需要打到岩石层。

  得益于在IGBT领域的,比亚迪电动汽车的超凡性能得以成功落地,并具有持续迭代升级的能力。双模“542”黑科技:IGBT为比亚迪电动车提供对电流的准确、有效控制,使得比亚迪全新一代唐DM得以实现百公里加速4.5秒、全时电四驱、百公里油耗2升以内,从超速、全时电四驱、超低油耗三方面重新定义高性能汽车标准。纯电超凡性能:在比亚迪IGBT对电流准确、有效的控制下,比亚迪全新一代唐EV的百公里加速时间达到行业领先的4.4秒。同时,比亚迪IGBT在芯片损耗、电流输出能力等方面的优异性能,极大提升驱动系统的工作效率,和电池等其他关键技术一起,将比亚迪全新一代唐EV等纯电动车的续航里程提升到了600公里(60KM/小时等速行驶情况下)。

  2017年,中国国内的IGBT市场规模约121亿元(含车规级及工业级),约占全球总需求的50%。但我国IGBT起步较晚,国内市场份额主要被国际巨头垄断,国产化率只有11%,进口依赖程度较高,国产替代空间巨大。2018-2020年,中国新能源汽车产量年复合增长率将超过40%:2018年,中国新能源汽车产量有望达到100万辆。按国家制定的“2020年当年销量达到200万辆产销量”的目标,2018-2020年中国新能源汽车产量年复合增长率将超过40%。2018-2025年期间,在中国,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。全球范围内,IGBT供货周期延长,随着新能源汽车的爆发,未来几年供不应求趋势将更加明显。

  比亚迪投巨资布局第三代半导体材料SiC(碳化硅), 目前已大规模用于车载电源, 有望于2019年将推出搭载SiC电控的电动车,预计2023年采用SiC基半导体全面替代硅基半导体(如硅基IGBT),引领下一代电动车芯片变革。

  凭借更加优异的性能,SiC基半导体取代硅基半导体将是大势所趋,预计未来几年硅基IGBT将在汽车领域逐步被淘汰。比亚迪投巨资布局SiC基半导体,整合全产业链:材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延、芯片、封装等。比亚迪已经成功研发了芯片损耗更低、电流输出能力更强的SiC MOSFET(SiC基半导体的一种),目前已大规模用于车载电源,有望于2019年将推出搭载SiC电控的电动车。

  比亚迪立志于使比亚迪功率半导体芯片对于新能源汽车的意义,如高通之于手机、英特尔之于电脑;成为全球最大的车规级功率半导体供应商;成为(车规级)功率半导体领域的全球领导者,为“中国芯”腾飞添砖加瓦。