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打破“一芯难求”,比亚迪推IGBT4.0征战新能源市场
发布时间:2019-06-24
 

时代财经APP记者 李卓玲

今年以来,在整体车市下行的大趋势下,新能源汽车市场却保持着十分强劲的增长势头。据中汽协数据显示,今年1-10月我国新能源汽车产销分别完成87.9万辆和86万辆,分别比去年同期增长70%和75.6%。而按国家制定的“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%,可见,未来几年新能源市场将继续成为拉动整体汽车市场增长的重要力量。

在新能源汽车产销量爆发的大趋势下,包括动力电池及IGBT(绝缘栅双极型晶体管)在内的新能源汽车核心器件将迎来黄金发展期。不过,相比目前发展较快的电池产业而言,IGBT的发展还较为滞后,中高端IGBT产能相对不足,同时,由于长期依赖国际巨头,“一芯难求”亦成为制约新能源汽车发展的主要瓶颈之一。

而在此现状下,包括比亚迪在内的中国本土企业都在寻求破局。

解密车规级IGBT4.0

12月10日,比亚迪IGBT电动中国芯核心技术解析会在宁波举行,会上,比亚迪重点展示了其自主研发的全新车规级产品IGBT4.0。

打破“一芯难求”,比亚迪推IGBT4.0征战新能源市场

事实上,IGBT作为新能源汽车最核心的技术之一,其好坏直接影响电动车功率的释放速度,包括直接控制直、交流电的转换,同时对交流电机进行变频控制,决定驱动系统的扭矩(直接影响汽车加速能力)、最大输出功率(直接影响汽车最高时速)等,被称为电力电子装置的“CPU”。

而据比亚迪方面称,IGBT4.0在技术指标和工艺指标等方面皆达到较为领先的水平。其中,在芯片损耗上,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%。

同时,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。而在电流输出能力方面,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。

车规级产品IGBT4.0的成功研发,助力比亚迪IGBT朝着中高端方向迈进一步,并在一定程度上提升其新能源汽车性能。据介绍称,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。此外,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4.4秒。而比亚迪IGBT在芯片损耗、电流输出能力等方面的性能,则较大程度地提升驱动系统的工作效率。

而事实上,相比工业级IGBT,车规级IGBT的研发及应用目前面临着不少挑战。一方面,汽车的大众消费属性,对IGBT的寿命要求比较高,如设计寿命在20年以上,并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、经历不同路况和环境温度等,高温、高湿、高振动对IGBT是极为严苛的考验,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的考验和性能要求是多维度、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。

在多种因素的综合影响下,无论是技术难度、应用场景,还是可靠性方面,车规级IGBT对器件本身的要求都较为严苛。而比亚迪IGBT4.0的自主研发,在一定程度上亦促成了国产化车规级IGBT技术的突破。

IGBT破局:从0到1

而事实上,作为我国首个实现车规级IGBT规模量产的车企,比亚迪在IGBT的研发及推进中,经历了“从0到1”的过程。

比亚迪在IGBT的研发投入要追溯到2005年,彼时的比亚迪刚组建IGBT研发团队,正式进军IGBT领域。随后,2008年,比亚迪以1.71亿元资金收购宁波中纬六英寸生产线,意在打造其汽车电子功率半导体的产业链,这在当时被看做是比亚迪的一场“豪赌”。

然而,事实证明比亚迪押对了“赌注”,在其后的一年,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成果鉴定,意味着中国在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较大的影响。

随后,2015年10月,深圳比亚迪微电子有限公司与上海先进半导体制造股份有限公司签订建立战略产业联盟合作协议,共同打造IGBT国产化产业链。

打破“一芯难求”,比亚迪推IGBT4.0征战新能源市场

而时至今日,比亚迪已发展为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。同时,据比亚迪方面称,在车规级领域,比亚迪已突破了晶圆设计、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封锁,并首创电机驱动与车载充放电复用IGBT的融合设计技术。

但是,与比亚迪IGBT研发进程的稳步推进不同的是,现时不少相关产业链的企业仍不具备大批量自主生产IGBT的能力,这也导致了中国IGBT市场一直被国际巨头垄断,近90%的份额掌握在英飞凌、三菱等海外巨头手中。

不过,IGBT的开发确实存在着不少难点,主要体现在芯片和模块等要求上。首先,在芯片要求方面,存在芯片微观结构电路微小繁多、设计难度高、晶圆制造工艺难度大及洁净度要求非常高等难题;其次,在模块要求上,IGBT模块设计难度大,需要考虑材料匹配、散热、结构、功率密度、外观、重量等多项指标,同时,IGBT模块的制造中,大面积芯片的无空洞焊接、高可靠性绑线工艺和测试等都是难点。

而多重难点下,亦在一定程度上制约了IGBT国产化的进程。

“国产芯”借新能源汽车“沃土”发力

据中信建投数据显示,去年中国国内的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%。但目前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。然而,任何事都存在两面性,目前市场占有量少,或也就意味着未来国产替代空间巨大。

值得一提的是,12月6日,中国汽车工业协会副秘书长师建华在深圳举行的2018 APEC起点新能源年会上指出,“今年新能源汽车持续增长,明后年都会成为中国汽车增长的动力。而预计今年年底,可销售118万辆新能源汽车,到2020年可完成200万辆的新能源汽车销售目标。”而按国家制定的“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%。

伴随新能源汽车产销量爆发,功率半导体需求激增,相关行业将迎来黄金发展时期。据集邦咨询数据显示,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。

显然,新能源汽车不仅是节能环保的迫切需求,也是我国汽车产业转型升级的一个突破口,而IGBT作为新能源汽车动力、电源系统中的核心器件,将随之迎来绝佳的发展机遇。

同时,由于新能源汽车增速显著高于车规级IGBT增速,两者的增速不匹配,将导致IGBT供货愈加紧张,而此情况在主要依赖进口的中国市场而言,车规级IGBT的缺货情况将更为严峻。不过,IGBT供需缺口亦成为了资本及技术的风口,让中国企业看到了机会。

微电子分析师周生明对时代财经表示,“随着新能源市场的发展,电力电子的发展,及传统电能线的改造等都急需关键元器件,IGBT需求大,但现时技术产品满足不了,因此有待突破,在这方面比亚迪是走在前列的。”

事实上,中国新能源汽车产业的发展离不开关键零部件的支持,随着“中国制造2025”等利好政策和“中国芯”等概念的提出,以及芯片进口替代需求强烈,政府方面也在大力支持国内厂商自主研发芯片。目前,国内出现了一批IGBT方面的公司,并取得了令人欣喜的成绩,例如中车时代电气、比亚迪、华微电子等。

在一众发力IGBT市场中,不乏有主机厂布局的身影。不过,与比亚迪自主研发不同,大多主机厂主要通过与有相关技术的零部件企业联合打造,如去年底北汽新能源汽车联合江苏宏微科技股份有限公司成立宏微-北汽新能源IGBT联合实验室,计划从芯片设计到模块设计与封装再到电机控制器设计与生产;而今年上半年,上汽集团亦联合英飞凌成立合资企业上汽英飞凌汽车功率半导体(上海)有限公司,模块封装项目计划在今年下半年量产。

当然,作为掌握功率半导体和电池“双芯”、电机、电控等电动车全产业链核心技术的比亚迪,在推进相关技术革新方面自然是不甘示弱的。比亚迪称,将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, 2019年底将推出中国首辆搭载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)。

周生明表示,“现在的国际环境及发展现状逼迫中国企业必须加快自主创新,满足自身市场和产品的需要,要不然随时会受制于人,会很被动。中国市场那么大,布局该产业市场空间和前景非常光明,不过一定要加强自主研发,不能直接套用别人的。”

而事实上,伴随着新能源汽车的发展,无论是功能重要性还是技术发展难度而言,IGBT显然已成为新能源新能源汽车发展的关键因素之一。而在助力中国汽车工业的发展道路上,自主设计制造国产化IGBT芯片,才能不受制于其他外国企业,并进一步在激烈的竞争中抢占行业高点,助力“弯道超车”。

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