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SiC IGBT红利难及,我国IGBT玩家能否拿下新能源汽车带来的百亿市场

2017/10/13
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新能源汽车是当下的热门话题,随着国内“双积分”政策出台,新能源车迎来新一轮发展高潮。功率半导体占到新能源汽车中半导体用量的 50%,而 IGBT绝缘栅双极晶体管)作为核心功率器件,成为这波红利下的受益者。

在开发之初,IGBT 主要应用在电机、变换器(逆变器)、变频器UPS、EPS 电源、风力发电设备等工业控制领域。IGBT 是能源转换与传输的核心器件,是电力电子装置的“CPU”。采用 IGBT 进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能和绿色环保的特点,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。


长期以来,IGBT 技术主要被欧美、日本等国垄断。 在新能源、节能环保“十二五”规划等一系列国家政策措施的支持及市场的推动下,我国 IGBT 产业投入加大,取得巨大成绩,不过我国 IGBT 芯片 90%以上的市场仍被国外企业所占据,垄断格局依然存在。下面我们就来说说 IGBT 的故事。

IGBT 发展史
电力电子器件起着“信息电子电路”与“电力电子电路”之间的桥梁作用,实现电能的变换与控制。

尽管 IGBT 已被使用多年,但仍可称作新型的电力电子器件,由功率二极管晶闸管、BJT、MOSFET 发展而来,实现了从工业控制到信息电子的应用延伸。


1950~60 年代,发明双极型器件 SCR,GTR 和 GTO 通态电阻很小,采用电流控制但控制电路复杂且功耗大;

1970 年代,推出单极型器件 VD-MOSFET,通态电阻很大,采用电压控制,控制电路简单且功耗小;

1980 年代,MOSFET 与 BJT 被结合起来进行研究,IGBT 被发明,它集 MOSFET 驱动简单及 BJI 电流能力强于一身。

 

1985 年前后,美国 GE 成功试制工业样品,只可惜后来 GE 放弃了 IGBT 这条路。

从结构上看,IGBT 有纵向结构、栅极结构及硅片加工工艺三种。IGBT 的发展也经历了 6 代技术及工艺演进,如下图。
 

 

SiC IGBT 成为重要发展方向

IGBT 电压范围为 600~6500V,600V 以下的 IGBT 产品主要应用在消费电子领域;600~1200V 范围的产品应用最广,被纯电动 / 混动汽车、电机控制器、家用电器、太阳能逆变器等采用;1200V 以上的高规格 IGBT 被应用在电力设备、汽车电子、高铁及动车中。

IGBT 向更低的开关损耗、更高的电流密度以及更高的工作温度发展。然而随着数万伏高压、高于 500 度的高温、高频、大功率等需求,性能逼近材料特性极限的 Si IGBT 已无法胜任。

随着第三代半导体走红,SiC 被视作 IGBT“救世主”。当然,SiC 也需要延着 Si 走过的老路逐渐摸索。

尽管 SiC IGBT 还在研发阶段,但可以肯定的是 SiC IGBT 与 SiC MOSFET 相比,由于其电导调制效应的存在,在超高压领域(>10kV)优势明显。

在 SiC IGBT 的研究上,美国、欧洲与日本先人一步,我国只是刚刚起步。当然,在第三代半导体的研究上我过也晚于欧美日。

国内外玩家全景图
前面也提到,尽管我国 IGBT 取得巨大成绩,但仍处于被国外厂商垄断的局面,在中高端 MOSFET 及 IGBT 主流器件市场上尤为突出。IGBT 市场巨大,我国功率半导体市场占世界市场的 50%,下图为全球 IGBT 市场规模预测图。

 

日系方面,全球有近 70%的 IGBT 模块市场被三菱、东芝及富士等日系企业控制;德系的英飞凌也是全球 IGBT 龙头企业之一,其独立式 IGBT 功率晶体以 24.7%的市场占有率位居第一,IGBT 模块则以 20.5%的市场占有率位居第二;瑞士系的 ABB,长期保持着全球 IGBT 前十的地位,在高电压等级领域所向披靡;美系的安森美、Fairchild(被安森美收购)、ADI、Vishay 等均为全球功率器件的领头羊。


据调研机构 IHS 于 2016 年公布的报告,英飞凌(Infineon)以独占全球 24.5%的份额高居榜首,日本三菱电机(Mitsubishi )则以 24.4%的全球份额位列第二,另一日系大厂富士电机(Fuji Electric)以 12.2%的占有率夺得季军。
 

IGBT 全球格局也在半导体收购浪潮中发生了两次改变,2014 年,美国 IR 被英飞凌以 30 亿美元收购;2016 年,安森美以 26 亿美元收购仙童。
 

英飞凌是唯一拥有 8inIGBT 器件生产线的厂家,且其技术已发展到 12in,其 IGBT 芯片产量居全球首位,一些电力半导体厂家均从英飞凌购买 IGBT 芯片用于封装 IGBT 模块。

这里值得提到的是东芝,东芝在 IGBT 领域有一定话语权,不止闪存业务出售之后,IGBT 是否会考虑出售。
当然,在此表格中,我们也可以看到嘉兴斯达及中国中车在列。我国 IGBT 产业已形成了 IDM 模式和代工模式的 IGBT 完整产业链。以下为国内部分顶尖的 IGBT 厂商,涵盖了设计到制造:

株洲中车时代电气,IDM
国内最大的 IGBT 生产商,现已建成全球第二条、国内首条 8 英寸 IGBT 芯片专业生产线,具备年产 12 万片芯片、并配套形成年产 100 万只 IGBT 模块的自动化封装测试能力,芯片与模块电压范围实现从 650V 到 6500V 的全覆盖,是国内唯一自主掌握了高铁动力 IGBT 芯片及模块技术的企业。

比亚迪,IDM、模组
与国家电网、上海先进半导体牵手,共同打造 IGBT 国产化产业链,主要为工业级 IGBT 模块、汽车级 IGBT 模块、600V IGBT 单管、IGBT 驱动芯片


嘉兴斯达,模块、设计
主要产品为 600V-3300V/1800A-3700A 模块。

西安永电电气
6500V/600A IGBT 功率模块已成功下线,为全球第四个、国内第一个能够封装 6500V 以上电压等级 IGBT 的厂家。

 

华润上华和华虹宏力基于 6 英寸和 8 英寸的平面型和沟槽型 1700V、2500V 和 3300V IGBT 芯片也已进入量产。
 

国内 IGBT 行业近几年的发展大事记:

(1)2011 年 12 月,北车西安永电成为国内第一个、世界第四个能够封装 6500V 以上 IGBT 产品的企业。

(2)2013 年 9 月,中车西安永电成功封装国内首件自主设计生产的 50A/3300V IGBT 芯片;

(3)2014 年 6 月,中车株洲时代推出全球第二条、国内首条 8 英寸 IGBT 芯片专业生产线投入使用;

(4)2015 年 3 月,天津中环自主研制的 6 英寸 FZ 单晶材料已批量应用,8 英寸 FZ 单晶材料也已经取得重大突破;

(5)2015 年 8 月,上海先进与比亚迪、 国家电网建立战略产业联盟,正式进入比亚迪新能源汽车用 IGBT 供应链;

(6)2015 年 10 月,中车永电 / 上海先进联合开发的国内首个具有完全知识产权的 6500V 高铁机车用 IGBT 芯片通过高铁系统上车试验;

(7)2015 年底,中车株洲时代与北汽新能源签署协议,全面启动汽车级 IGBT 和电机驱动系统等业务的合作;

(8)2016 年 5 月,华润上华 / 华虹宏力基于 6 英寸和 8 英寸的平面型和沟槽型 1700V、 2500V 和 3300V IGBT 芯片已进入量产。


新能源汽车中的 IGBT
纯电动汽车电力驱动系统主要由电子控制器、驱动电动机、电动机逆变器、各种传感器、机械传动装置和车轮等组成,其中最关键的是电动机逆变器,电动机不同,控制器也有所不同,控制器将蓄电池直流电逆变成交流电后驱动交流驱动电动机,电动机输出的转矩传动系统驱动车轮,使电动汽车行驶。该系统的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能,并能够在汽车减速制动时,将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。
 

IGBT 在电力驱动系统中用于逆变器模块,该模块将蓄电池的直流电转换交流电驱动电机。


IGBT 在电源系统中用于各种交流 / 直流与直流 / 直流变换器中,实现为蓄电池充电与完成所需电压等级的电源变换等功能。
 

同时,IGBT 也是充电桩的核心部件。
 

Strategy Analytics 数据显示,纯电动汽车(EV)半导体元器件用量达到 673 美元,相较于传统汽车 297 美元的半导体用量增加了 127%,其中大部分新增用量是功率半导体器件。以 HEV(混合动力汽车)为例,新增的半导体元器件用量 367 美元,其中 76%是功率半导体器件,新增的功率半导体用量达到了 279 美元,已经接近于传统汽车半导体元件总用量。


新能源汽车和充电桩带动百亿新需求,IGBT 作为其核心器件也将迎来一轮爆发。


新能源汽车用 IGBT 模块一般为 600V~1200V/200A~800A,充电桩需要的 IGBT 模块功率相对要小。不同功率、不同电机数量的新能源汽车所需的 IGBT 模块差别较大,按照均价来计算,预计未来 5 年新能源汽车和充电桩将带动我国 IGBT 模块 200 亿的市场需求。
 

透过以上内容,我们可以看到尽管在高端与 SiC IGBT 方面,我国处于落后状态,但是新能源汽车用 IGBT 模块方面还是有可以满足市场需求的本土厂商的产品可满足。

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英飞凌科技股份公司是全球领先的半导体科技公司,我们让人们的生活更加便利、安全和环保。英飞凌的微电子产品和解决方案将带您通往美好的未来。2022财年(截止9月30日),公司的销售额达142.18亿欧元,在全球范围内拥有约56,200名员工。2020年4月,英飞凌正式完成了对赛普拉斯半导体公司的收购,成功跻身全球十大半导体制造商之一。 英飞凌在法兰克福证券交易所(股票代码:IFX)和美国柜台交易市场 OTCQX International Premier(股票代码:IFNNY)挂牌上市。更多信息,请访问: www.infineon.com

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