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新能源汽车领域的国产IGBT厂商有哪些?
* 来源 :http://www.446123.net * 作者 : * 发表时间 : 2019-10-08 00:18

  近年来,新能源汽车逐渐走进人们的生活,据中国汽车工业协会预测,2019年我国新能源汽车销量将达到160万辆,同比增长30%。与此同时,充电基础设施也将迎来爆发期,据悉,截至2019年6月,全国充电基础设施累计数量为100.2万台,突破百万。

  IGBT模块是新能源汽车电控系统和直流充电桩的核心器件,成本占到新能源整车成本的10%,占到充电桩成本的20%。未来几年,随着新能源汽车及充电桩市场进入爆发期,IGBT作为其核心器件也将迎来黄金发展期,预计未来5年国内新能源汽车和充电桩市场将带动200亿IGBT模块的需求。

  IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品,封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上,当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块。

  新能源汽车中电机驱动控制系统的主要作用在于能量的转换,即从DC(电池直流电)转换到AC(电机交流电)或者从AC(电机交流电)转换到DC(电池直流电),从DC转到AC称为逆变,其中主要用到的功率器件就是IGBT。

  IGBT和我们熟知的MOSFET一样,都是进行功率转换的器件,但不同的是IGBT更常用于高压功率转换。电动汽车在转换过程中,电池电压一般在200V以上,过流能力在300A以上,功率器件的击穿电压在600-1200V左右,开关频率在20KHZ以内,所以需要对高压大电流进行操作,主要通过IGBT模块实现。

  新能源汽车电动控制用IGBT的规格一般在600-1200V/120-800A左右,以比亚迪F3DM为例,其电池的工作电压为330V,驱动电机功率为50KW,加速过程中,输出电流峰峰值在1500A以上,所以采用自制1200V/600A额定电压电流的IGBT模块。

  电动汽车车载空调的工作原理,是通过逆变器将高压电池的直流电转换成交流电后,驱动空调压缩机电机进行工作,其原理与电动驱动相同,只是功率较小。一般电流需求在50A以内,工作频率在20KHz左右。

  以比亚迪BIP60030为例,其车载空调控制系统中存在一个三相全桥智能IGBT模块,内有6颗IGBT,6颗FRD,击穿电压和额定电流分别选定为600V和30A。

  充电桩有直流和交流两种类型。交流充电桩俗称“慢充”,指固定安装在电动汽车外、与交流电网连接,为电动汽车车载充电机(即固定安装在电动汽车上的充电机)提供交流电源的供电装置。交流充电系统相当于一个控制电源,只提供电力输出,没有充电功能,需连接车载充电机为电动汽车充电。

  直流充电桩主要用于公共场所,为电动汽车提供快充服务。其工作原理是通过充电电源系统将输入交流电转化为隔离高压直流电,为电动汽车动力电池充电。这也是功率半导体的用武之地之一。

  上文提到的逆变器是一种DCtoAC的变压器,它其实与转化器是一种电压逆变的过程。转换器是将电网的交流电压转变为稳定的12V直流输出,而逆变器是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电;电动汽车逆变器用于控制汽车主电机为汽车运行提供动力,IGBT功率模块是电动汽车逆变器的核心功率器件,其驱动电路是发挥IGBT性能的关键电路。

  成立于2004年10月,是比亚迪的第六事业部,主要承担着公司集成电路及功率器件的开发、整合性晶圆制造服务的生产任务。事业部现有员工2300余人,在深圳、宁波拥有两大生产基地。

  公司目前产品主要覆盖功率半导体器件、IGBT功率模块、电源管理IC、CMOS图像传感器、传感及控制IC、音视频处理IC等。应用领域覆盖了对光、电、磁及声等信号的感应、处理及控制,提供IC产品及完整的解决方案。相关产品可广泛应用于汽车、能源、工业、通讯和消费类电子领域。

  据介绍,比亚迪的IGBT团队于2005年成立,当时为什么要开始自己研制IGBT呢?深圳比亚迪微电子有限公司高级研发经理吴海平先生曾在一个论坛上表示,“因为我们做电动车做的比较早,当时在市面上几乎找不到针对电动车的IGBT,基本上都是工业级的IGBT。我们也找过一些厂家去谈定制,基本上都不理,所以当时也是被逼的没有办法才做这个事情。”

  成立IGBT团队之后,公司又于2008年收购了宁波中玮,2009年模块厂正式投产,最开始芯片是外购的,不过到2012年,比亚迪开始大批量量产IGBT芯片,2015年,其IGBT模块销售额超过3个亿,2017年底在汽车上累计出货超过50万支。

  目前,比亚迪已经拥有国内首个汽车IGBT打造链条,包括IGBT芯片设计、晶圆制造、模块封装等部分,还有仿真测试以及整车测试。目前比亚迪IGBT芯片晶圆的产能为5万片/月,年供应新能源汽车60万辆。到今年年中,比亚迪IGBT产能有望达到10万片/月,年供应新能源汽车可达120万辆,将很大程度上缓解我国新能源汽车IGBT芯片供应不足问题。

  中车株洲电力机车研究所有限公司(中国中车株洲所)始创于1959年,前身是铁道部株洲电力机车研究所,现为中国中车股份有限公司一级全资子公司。中车株洲所在很早就开始投入研发IGBT技术,并取得重大突破。

  2017年6月26日上午11时05分,两列“复兴号”从京沪两地同时对开首发,这是中国标准动车组的正式亮相。其使用的大功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)技术,正是中车株洲所研发突破,实现的自主国产化,此前,这项技术已经被德国、日本等国把控了30年。

  过去,我国机车车辆用IGBT模块都要从德国、日本进口,特别是在高等级的IGBT器件。2008年,随着高铁建设的加快,需求倍增,一个8列的动车组就需要152个芯片,成本高达200万元。每年中国需要10万只芯片,总金额高达12亿元。中车株洲所IGBT项目的一位研发负责人说,国际产品销售市场中,中国并非优先级,我们买的价格贵,一个模块就高达1万多元,而且只能买成品,产品交货周期很长。

  以7200千瓦大功率交流电力机车用IGBT为例,一块巴掌大小的IGBT模块内共有36块指甲大小的芯片,每块芯片并联摆放5万个被称作为“元胞”的电子单元。这些“元胞”相当于IGBT的“细胞”,它们能够在百万分之一秒的时间内实现电流的快速转化。而要在指甲大小的芯片上均匀加工处理5万个细如发丝的“元胞”,难度无异于在“针尖上绣花”。

  中车株洲所是如何将IGBT技术发展起来的?2007年年末,席卷全球的金融危机为中车株洲所带来了机遇。当时,成立于1956年的英国老牌企业丹尼克斯半导体公司因为金融危机陷入困境。它是世界最早进行IGBT技术研发的厂家,该公司有一条4英寸生产线,因缺少资金和应用平台,发展较为缓慢。2008年10月31日,中国中车株洲所下属的时代电气股份有限公司成功收购英国丹尼克斯半导体公司75%的股权,成为中国轨道交通装备企业首个海外并购项目。

  2010年5月,中车株洲所在英国成立功率半导体研发中心,成为中国轨道交通装备制造企业首个海外研发中心,集中开发新一代IGBT芯片技术、新一代高功率密度IGBT模块技术和下一代碳化硅功率器件技术等前沿基础技术,并从所里派出了多批技术专家前往英国。

  中车株洲所投入巨资,为丹尼克斯建成了多年梦寐以求的6英寸IGBT芯片生产线。随后,更多国内技术人员来到英国,新开发出多个1700伏以上高等级IGBT模块。合作顺利的双方携手进行下一代高功率IGBT芯片技术研究、生产。

  2013年12月,中国企业自主研制的第一款国内最大电压等级、最高功率密度的6500伏高压IGBT芯片诞生。该成果总体技术处于国际领先水平、填补国内行业空白,实现了中国在高端IGBT技术领域与国际先进水平接轨,具有重大战略意义。

  此外,2011年5月,中车株洲所投入约16亿元,建设国内第一条8英寸IGBT芯片生产基地;2014年6月,该生产线建成投产,这是世界上第二条8英寸IGBT专业芯片生产线英寸IGBT芯片的模块在云南昆明地铁成功运行,中车株洲所自主研制生产的8英寸IGBT芯片打破了国外高端IGBT技术垄断,实现从研发、制造到应用的完全国产化。

  2018年10月,在世界智能网联汽车大会上,中车首次在公众面前展示了电机控制器DM3020,该产品采用中车自主研发的汽车级IGBT芯片,这也是中车“芯”在新能源汽车产品上的首次应用。凭借十几年IGBT发展经验和技术积累,中车株洲所进军新能源汽车领域的难度也会有所减少。

  扬杰科技成立于2006年8月2日,2014年1月在深交所创业板挂牌上市,公司专业致力于功率半导体芯片及器件制造、集成电路封装测试等领域的产业发展,主营产品为各类电力电子器件芯片、功率二极管、整流桥、大功率模块、DFN/QFN产品、SGTMOS及碳化硅SBD、碳化硅JBS等。产品广泛应用于消费类电子、安防、工控、本港报马现场开奖结果,汽车电子、新能源等诸多领域。

  目前,公司设有广州、深圳、厦门、宁波、杭州、上海、武汉、成都、青岛、天津等12个境内技术服务站,境外设有台湾、韩国、新加坡、日本、美国、德国、土耳其、意大利、法国、墨西哥等10个国际营销、技术网点。

  2018年6月11日,扬杰科技在互动平台表示,公司于2018年3月控股一条位于宜兴的6寸晶圆线,该生产线目前已能够小批量生产IGBT芯片。公司正在积极规划8寸线寸晶圆、IGBT技术人才。

  从扬杰科技官微上表示,其IGBT模块可应用于变频器、光伏逆变器、风能逆变器、UPS、EPS电源、电焊机、切割机和电动汽车上。公司也曾在互动平台向投资者表示,公司有两款IGBT产品主要用于工控领域,也可运用到电动汽车的充电桩中,切公司电动汽车、变频器等高端通用MPS-FRD芯片与模块封装项目的产品可运用在电动汽车的充电桩中,主要功能为逆变。

  成立于2005年4月,是一家专业从事功率半导体元器件尤其是IGBT模块研发、生产和销售服务的国家级高新技术企业。总部设于浙江嘉兴,占地106亩,注册资金1.2亿元。公司在浙江、上海和欧洲均设有子公司。

  从官网了解到,嘉兴斯达半导体的IGBT模块包含600V、650V、1200V、1700V和3300V。公司专门有新能源汽车的应用方案,从下图可以看出三相PWM转换器和辅助动力源两部分会用到IGBT模块。

  以上提到的是一些电动汽车常用的功率模块,据介绍,嘉兴斯达半导体电动汽车模块不单单包含上述模块型号,只要是公司已有封装,市场上存在的电压电流等级模块,嘉兴斯达半导体都可以生产,例如:GD800HHT65P4S模块的封装,还做GD600HTT65P4S(650V/600A)、GD400HTT120P4S(1200V/400A)等模块,而且该封装可以做带Pin-fin的散热基板,也可以做不带Pin-fin的平面散热基板型模块。

  江苏宏微科技股份有限公司是由一批长期在国内外从事电力电子产品研发和生产,具有多种专项技术的科技人员组建的国家重点高新技术企业。公司具有从600-1700VIGBT芯片设计、模块封装、特性分析及可靠性研究完整的设计研发和生产能力,自产600-1200VIGBT芯片已在工业电机控制器领域大批量应用,打破了国外IGBT芯片长期的垄断地位。研发的车用MOSFET、IGBT模块,已在国内外应用于电动叉车、高尔夫球车、电动物流车及低速电动车;研发的IGBTDCDC电源模块,已大规模应用于电动大巴。

  2017年底与北汽新能源汽车股份公司联合成立宏微-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,江苏宏微与北汽新能源联合打造电机控制器产业链。试验室将建设车用级IGBT模块封装平台、测试平台和可靠性试验平台。深入开展电动汽车控制器使用的高性能、高可靠性IGBT模块研发与应用研究,以实现提高车用IGBT性能,提升电机控制器性价比和可靠性的目的。

  上文提到的多是IGBT模块,而IGBT模块所需的芯片,也是关键技术,据了解,目前多数IGBT芯片大量依赖进口,比亚迪微电子、中车株洲所、扬杰科技可以自产部分IGBT芯片,嘉兴斯达半导体、宏微科技主要提供IGBT模块。

  新能源汽车的快速发展,对于多产功率器件厂商来说,既是机遇也是挑战。机遇是市场空间逐年增多,挑战则是新能源汽车对IGBT模块的要求比工业级的要求更加苛刻,所以功率器件厂商,想要取得新能源汽车这块市场,还需要投入更多精力。

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