汽车IGBT研究：电动车IGBT市场份额和发展趋势综述

随着汽车技术由传统汽车向新能源汽车方向发展，功率半导体的用量增长数倍，电机控制系统是新能源汽车产业链的重要环节，电控系统的技术水平直接影响整车的性能和成本。其中，电控系统应用的核心部件——IGBT 拥有高输入阻抗、高速开关和导通损耗低等特点，在高压系统中担负着极其重要角色。IGBT 模块作为核心高压控制开关组件，其成本占据电机控制器成本的约 40%；IGBT 器件占据新能源汽车整车成本的 10%左右，占充电桩成本约 20%。

在新能源汽车上，IGBT 主要应用于电池管理系统、 电机控制系统、电动空调控制系统、充电系统，PTC 等，主要具有以下功能：在主逆变器中，IGBT 将高压电池的直流电转换为驱动三相电机的交流电；在车载充电机（OBC）中， IGBT 参与 220V 交流电转换为直流并为高压电池充电；除此之外，IGBT 也广泛应用在 DC/DC 转换器、PTC、电动空调压缩机等系统中。除了纯电动车型外，插电混动车上，与低压系统相独立的高压系统需要用到 IGBT，部分搭载了 48V 混动系统的燃油车也需要用到少量 IGBT，如 BSG 中的控制模块。

对于电动汽车，电压等级、功率等级、极限工况、可靠性、使用寿命和成本等都对其使用的 IGBT 模块提出了很高的要求，同时也是很大的挑战。

IGBT 的封装技术是实现电机控制器高温运行、高可靠性、高功率密度的关键环节，涉及到芯片表面互连、贴片互连、导电端子引出互连等相关工艺。目前 IGBT 模块封装的研究主要集中在新型互连材料、互连方式等相关工艺参数优化等，主要是为了增强模块的散热能力、减小体积，同时提高可靠性。

市场竞争格局

丹佛斯同时获得了英飞凌、安森美等芯片公司的支持。2020 年 6 月，英飞凌和丹佛斯签订了一份大批量多年合同，英飞凌将向丹佛斯提供 IGBT 和二极管芯片组，用于电动汽车逆变器的功率模块。2020 年 7 月，安森美宣布将为丹佛斯供应大功率 IGBT 和二极管，应用于快速增长的电动汽车市场的逆变器驱动模块。

发展现状和未来趋势

由于汽车电动化的发展，作为关键器件的 IGBT 一直处于供不应求的状态。根据富昌电子的 2020 年 Q1 市场行情报告显示，目前英飞凌、安森美、Microsemi 等 IGBT 供应商的供货周期普遍维持在 13-30 周左右，且交期有延长趋势，而 IGBT 正常的供货周期是在 7-8 周左右，可见 IGBT 供应的紧张态势。

佐思汽研持续跟踪汽车主要芯片的供应关系和供应价格情况。嘉兴斯达的 IGBT 产品 P6 比英飞凌同类产品便宜一半左右。

英飞凌的汽车级 HybridPACK 产品家族分为 HP1－DC6 和 HP-Drive 两个封装平台，HP-Drive 覆盖了 80～180kW 的应用。HP-Drive 模块在 2018 年全球缺货，订单预定周期 39 周，先预定先发货。由于产能紧俏，蔚来汽车预付了 1 亿预定英飞凌的 HP-Drive 2019 年产能。

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，保障中国旺盛的市场需求。

国内企业也不甘寂寞。2020 年 4 月，比亚迪全资子公司深圳比亚迪微电子有限公司重组完成；2020 年 5 月 26 日，比亚迪半导体完成 A 轮融资 19 亿元；2020 年 6 月 15 日，比亚迪半导体完成 A＋轮融资，投资者合计增资人民币 8 亿元。

斯达半导于 2020 年 2 月成功登陆 A 股市场，IPO 募集 5.1 亿元将重点用于支持现有 IGBT 模块的产品性能升级，研发新一代导通压降更低、开关损耗更低的 IGBT 芯片。斯达半导上市后，连续 21 个“一字板”涨停，23 天暴涨 1073%，从 12.7 元左右的发行价，上涨超过 200 元。

技术方面，在电池容量成为电动车瓶颈问题的背景下，提高充电功率和效率，节省行车过程中的能耗等问题是提升电动车续航能力的有效途径，因此，常规车用硅基功率器件均具备被第三代半导体功率器件替代的可能性。

SiC 是第三代半导体材料的代表。由于 SiC 具有高耐压、低损耗、高效率等特性，可以让功率器件突破硅的限制，带来更好的导电性和电力性能。这些特性的提高，正与汽车电子、工业自动化以及新能源等领域的需求相契合。于是，各大厂商纷纷在 SiC 上布局。

Tesla 在 Model 3 的逆变器模组上率先采用了碳化硅 SiC MOSFET。该产品由意法半导体提供，随后英飞凌也成为了特斯拉的 SiC 功率半导体供应商。2019 年 9 月，科锐与德尔福科技宣布开展汽车碳化硅器件合作；2020 年 12 月，科锐成为大众汽车集团 FAST（未来汽车供应链）项目 SiC 独家合作伙伴。

2020 年，比亚迪汉 EV 车型电机控制器首次使用了比亚迪自主研发并制造的 SiC MOSFET 控制模块，大大提高了电机性能。

全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立的态势，其中美国全球独大。全球 SiC 产量的 70%~80%来自美国公司，典型企业是科锐、安森美、Ⅱ-Ⅵ等；欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司是意法半导体、英飞凌等。

虽然 SiC 是长期趋势，但是 SiCMOSFET 短期内难以取代 IGBT。SiC 在磊晶制作上有材料应力的不一致性，造成晶圆尺寸在放大时磊晶层接合面应力会超出拉伸极限，导致晶格损坏，降低了产品良率，故目前 SiC 芯片成品率低，晶圆尺寸主流仍维持 4 寸或 6 寸，无法取得大尺寸晶圆成本优势，生产成本过高。同等级别的 SiC MOSFET，其成本是 Si IGBT 的 8~12 倍，而车用领域 SiC 解决方案的整体成本相比传统 Si IGBT 则高出约 300 美元。

当前制约 SiC 器件发展的主要因素在于其高昂的价格，而成本的主要决定因素是衬底和晶圆尺寸。未来随着技术的发展，衬底的成本将会慢慢下降，晶圆的尺寸也会越做越大，价格也会慢慢下降。

SiC 单晶衬底企业主要有 Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel 等；外延片企业主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon 等；器件方面相关主要企业包括 Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等。

中国企业在单晶衬底方面以 4 英寸为主，目前已经开发出了 6 英寸导电性 SiC 衬底和高纯半绝缘 SiC 衬底。山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成 6 英寸衬底的研发，中电科装备研制出 6 英寸半绝缘衬底。外延片方面，中国瀚天天成、东莞天域半导体、国民天成均可供应 4-6 英寸外延片。