日前,比亞迪在寧波開了一場發(fā)布會,沒發(fā)新車,發(fā)了一款芯片——第四代IGBT,并稱“核心技術(shù)將告別卡脖子”。IGBT究竟是何方神圣?比亞迪真的有打破國外半導(dǎo)體公司壟斷的實例嗎……
12月10日,比亞迪在寧波開了一場發(fā)布會,沒發(fā)新車,發(fā)了一款芯片——第四代IGBT,全拼和中文名是這樣的 Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管芯片。
比亞迪宣布第四代IGBT多項參數(shù)優(yōu)于行業(yè)平均水平,旗下新能源車的電驅(qū)性能,將憑借這一枚自產(chǎn)的控制電流開關(guān)的芯片,而取得優(yōu)勢性能。
此外,比亞迪稱IGBT也將對國內(nèi)新能源車廠開放供應(yīng),并有望打破國外半導(dǎo)體公司壟斷國內(nèi)IGBT市場的情況。
從數(shù)碼 3C 的電池到汽車動力電池,再到整車制造,比亞迪似乎無所不通,而這次不聲不響弄了個芯片,再次再次刷新了坊間對其公司業(yè)務(wù)的認知。
那么,IGBT究竟是何方神圣,引得比亞迪大張旗鼓地介紹,乃至用上了“核心技術(shù)告別卡脖子”這樣的描述?
實際上,IGBT還真就是這樣的核心技術(shù),由于其地位之重要,又有“新能源車電驅(qū)系統(tǒng)CPU”之稱。
IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管,是一種主要應(yīng)用于600V以上電子電力領(lǐng)域的功率半導(dǎo)體。
▲封裝好的IGBT模塊
與計算或存儲用的半導(dǎo)體不同,IGBT的主要作用是“開關(guān)”。它能夠支持在高電壓、高電流負載下,對電路進行每秒數(shù)萬次的開關(guān)。這種能力,使得它可以通過電路設(shè)計,被用于大電流、電壓、頻率、以及直流電與交流電的轉(zhuǎn)換。
應(yīng)用在電動汽車上,它成為了驅(qū)動電機核心中的核心——電動車的電池系統(tǒng)能夠輸出的是總額額定的直流電,而要自由控制汽車的電機,需要功率、頻率可變、可控的交流電,此時IGBT的作用便體現(xiàn)了出來(反過來,電動車需要直流快充時,IGBT同樣也在大功率變電中扮演重要角色)。
電動車之所以不需要設(shè)計復(fù)雜的發(fā)動機與變速箱等機械傳統(tǒng)系統(tǒng),IGBT的存在,可謂大功一件。
這樣的關(guān)鍵部件,也成為電動車電驅(qū)系統(tǒng)成本的大頭——直接占去了一半。而電驅(qū)系統(tǒng)在電動車整車的成本占比約為15-20%。這意味著單單是IGBT,就占去了整車成本的7-10%,因此,IGBT是新能源車產(chǎn)業(yè)鏈細分市場中,份額僅次于動力電池的大蛋糕。
比亞迪在日前宣布自家動力電池業(yè)務(wù)將拆分對外后,再度推出IGBT 4.0并且也將對外,意味著比亞迪在電動車產(chǎn)業(yè)鏈上游最大的兩個領(lǐng)域,都拿到了一張硬通票。
和所有芯片一樣,IGBT 的研發(fā)制造同樣設(shè)計門檻高、制造技術(shù)難、投資大。
我們來看一下官方的「硬核」科普:
芯片要求:
至于加裝到車里還需要考慮到模塊化等等,和數(shù)碼 3C 產(chǎn)品「舒適」的工作環(huán)境不同,車規(guī)級芯片還要應(yīng)對嚴苛的行車工況。
相比市面上的主流產(chǎn)品,比亞迪宣稱自家的 IGBT 4.0 具備以下優(yōu)勢:
另一方面就是成本,比亞迪介紹,目前市面上主流的車載 IGBT 成本占到整車的 5% 左右,短期內(nèi)還在持續(xù)上漲。通過規(guī)?;慨a(chǎn),比亞迪希望進一步降低成本,拉低。
目前比亞迪位于寧波的半導(dǎo)體工廠的月產(chǎn)五萬片晶圓,理論上能夠配備五萬輛新車。按照規(guī)劃,2020 年這家工廠的月產(chǎn)能有望做到十萬片,除了自給自足外,還可以提供給其他主機廠使用。
需要提到的是,IGBT作為一種綜合(集成了MOSFET開關(guān)速度快與GTO耐受電壓高的優(yōu)點,克服了前者耐高壓性能差、后者開關(guān)速度慢的不足)的功率半導(dǎo)體,其技術(shù)壁壘并不低,核心技術(shù)與市場份額此前一直掌握在美、日、德三國半導(dǎo)體巨頭的手中。
目前,在國內(nèi),僅有兩家“造車的”能夠打通產(chǎn)業(yè)鏈,實現(xiàn)IGBT的研發(fā)生產(chǎn)。其中一家,是負責造高鐵的中車,另外一家,便是比亞迪。
中車有突飛猛進的高鐵項目作為堅實的依托,不必多言,那么比亞迪,又是如何掌握這一先進技術(shù)?
比亞迪對IGBT的研發(fā),在十余年前就開始了。
2003年,電池出身的比亞迪進軍汽車市場,新能源車成為其殺入的關(guān)鍵路線。2007年,比亞迪的首款新能源車——F3DM上市,當時國家面向綠色公共出行的“百城百輛”的新能源公交計劃都還未上線。
而在更早的2005年,比亞迪的IGBT研發(fā)團隊便已組建,隸屬比亞迪第六事業(yè)部。這個事業(yè)部承擔著“集成電路及功率器件的開發(fā)、整合性晶圓制造服務(wù)的生產(chǎn)任務(wù)”。
請注意“整合性晶圓制造服務(wù)”。在2008年,比亞迪以1.71億元的價格,收購了寧波中緯的6英寸晶圓產(chǎn)線。當時輿論還認為,比亞迪或?qū)⒔柚芯暤男酒a(chǎn)能力,基于自家的手機、電池業(yè)務(wù)發(fā)展自有的消費電子用半導(dǎo)體。但事實證明這更像是為車載功率半導(dǎo)體所作的準備。
2009年,比亞迪的第一代IGBT芯片,正式研發(fā)成功,通過了中國電器工業(yè)協(xié)會電力電子分會的科技成果鑒定。國外的技術(shù)壟斷,在此時便被比亞迪初步打破了。
▲比亞迪初代IGBT通過科技成果認證的文件
不過,國外早在上世紀80年代便開啟了對IGBT的研究生產(chǎn),要在產(chǎn)品上追上國外先進水平,顯然需要更多時間。
因此,中途比亞迪的IGBT芯片又歷經(jīng)8年,多次迭代,其間,比亞迪還與上海先進半導(dǎo)體在2015年達成了戰(zhàn)略合作,以利用后者的半導(dǎo)體制造技術(shù)。
終于在2017年,比亞迪的第四代IGBT研發(fā)成功、投產(chǎn)、裝車。
IGBT 4.0,便被用于比亞迪新一代主力車型——百公里加速時間達到4.5秒的唐。這輛車每一次狂暴的動力輸出背后,都有這枚比亞迪自研的IGBT的功勞。
▲比亞迪唐DM,百公里加速4.5秒
當然,技術(shù)是不斷進步的。此前,國外IGBT已經(jīng)經(jīng)歷了六次技術(shù)迭代,功率半導(dǎo)體基礎(chǔ)的材料,也從硅(Si)、砷化鎵(GaAs) ,進化到了碳化硅(SiC)。基于碳化硅打造的功率半導(dǎo)體,更能耐高溫,可以承受更高的電壓——這樣,原本耐壓能力不強的MOSFET,在用上碳化硅過后,能夠支持的電壓也能與現(xiàn)今車用的IGBT媲美。
而比亞迪已經(jīng)研發(fā)出了基于碳化硅的MOSFET,明年便會推出搭載這一器件的電動車,車輛的電驅(qū)性能還會提升10%。往后,比亞迪計劃在其新能源車產(chǎn)品中,逐步用碳化硅基的功率半導(dǎo)體替代硅基IGBT。
實際上,比亞迪這樣在新能源車用IGBT上取得突破的選手,在國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)確實是鳳毛麟角。
IGBT芯片按工作電壓,大致分為1700V以下、1700V-3300V、3300V-6500V三類。
其中,工作電壓等級在3300-6500V的IGBT主要對應(yīng)發(fā)電、電力傳輸行業(yè),1700-3300V的IGBT在高鐵等軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用較多。
而1700V以下用途中,發(fā)展勢頭最猛的新興產(chǎn)業(yè),正是新能源車。
然而,目前IGBT的主要生產(chǎn)廠家,無一例外是國外公司,英飛凌、三菱、富士、安森美、德儀、ABB等霸占市場。
其中國內(nèi)新能源車領(lǐng)域的IGBT市場,絕大多數(shù)份額仍然被國外半導(dǎo)體巨頭英飛凌占據(jù)——這一數(shù)據(jù)一度達到70%。
在2016年全球銷量TOP10的新能源車,有8款使用了英飛凌的IGBT,其中有我們無比熟悉的Model S/X,以及通用Bolt EV,甚至包括比亞迪的唐與秦,甚至也使用了英飛凌的晶圓生產(chǎn)。英飛凌憑借壟斷優(yōu)勢,攫取高額利潤,IGBT成本居高不下。
而比亞迪的IGBT 4.0推向市場、應(yīng)用于車型上,則代表了一支重要的國產(chǎn)力量,加入到了這場新能源車核心技術(shù)、核心器件的競賽當中來。
在更早之前,中車集團在2014年,完成了高鐵用IGBT的研發(fā)、生產(chǎn),打破了三菱在這一領(lǐng)域的統(tǒng)治,不僅實現(xiàn)了自產(chǎn)自用,還隨高鐵項目的對外輸出開始向國外供貨。
比亞迪與中車,儼然成為了國產(chǎn)IGBT生產(chǎn)應(yīng)用的雙子星。
在這背后,國內(nèi)的(高壓)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈,在下游急切的應(yīng)用需求下,也開始逐步建立起來,士蘭微、華微、華虹、先進半導(dǎo)體等等一系列IGBT的IC設(shè)計、晶圓制造公司也成長起來,國內(nèi)的IGBT產(chǎn)業(yè)鏈正在初步成型。而比亞迪自身,也表態(tài)將會對外開放其IGBT供貨。
在一個產(chǎn)業(yè)集群形成后,中國的IGBT乃至更多類型的功率半導(dǎo)體,將有更充足的底氣與國外巨頭抗衡。
最后,比亞迪宣布,在材料上進一步突破,有望于 2019 年推出搭載 SiC 電控的電動車。預(yù)計到 2023 年,比亞迪將在旗下的電動車中,實現(xiàn) SiC 基車用功率半導(dǎo)體對硅基 IGBT 的全面替代,將整車性能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提升 10 %。
SiC 具備高耐壓、低損耗、高效率的特性,是替代 Si 的第三代半導(dǎo)體材料