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[原创] 攻克IGBT之后,比亚迪布局SiC谋划未来

李寿鹏 ·2018-12-12 08:52·半导体行业观察
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如果随便问身边一个人,比亚迪是做什么的,大概率他们给出的答案是造车。诚然,乘着近年来兴起的新能源汽车潮流,这家来自深圳的车企已经在汽车领域攒够了足够的名声;那些跟比亚迪有过合作的应该会说出,比亚迪还有代工和电池业务;而对比亚迪有深入了解的朋友则会指出,集成电路业务是比亚迪的另一核心竞争力所在。

“IGBT电动中国芯——比亚迪核心技术解析会

据半导体行业不完全统计显示,比亚迪在CMOS图像传感器、电流传感器、PM2.5传感器、多节保护IC、电容式触摸按键控制芯片、指纹识别芯片和IGBT等领域都有了深厚的积累,尤其是IGBT方面,更成为比亚迪叱咤新能源汽车市场的杀手锏。日前,比亚迪在宁波举办了一场题为“IGBT电动中国芯——比亚迪核心技术解析会”,首次向公众掀开了他们IGBT的神秘面纱。

十三年积累,

成就国内唯一拥有IGBT全产业链的车企

所谓IGBT,也就是 Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写,中文全称是“绝缘栅双极型晶体管”。作为一款结合了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的高电流单栅控制特性及双极性晶体管的低饱和电压的能力的器件,IGBT能被广泛应用到工业和汽车等领域,尤其对于电动车来说,因为IGBT直接控制驱动系统直、交流电的转换,决定了车辆的扭矩和最大输出功率,所以它的重要性不言而喻。

据集邦咨询分析,IGBT模块作为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%。未来新能源汽车将成为IGBT产业扩张的主要驱动力。但在过往,这基本都是被欧美日企业垄断的市场。特别是在中高端IGBT市场,90%的份额被国际巨头垄断,导致“一芯难求”,成为制约我国电动车行业健康、快速发展的主要瓶颈。

2014-2025中国IGBT市场规模(数据来源:集邦咨询)

富昌电子(Future Electronics LTD)的统计显示,2018年,车规级IGBT模块的交货周期最长已经达到52周(IGBT的交货周期正常情况下为8-12周)。而2018-2022年,全球电动车年复合增长率达30%,但同期车规级IGBT市场的年复合增长率仅为15.7%。可以预见,未来几年全球车规级IGBT市场的供应将愈加紧张,发展国产的车用IGBT迫在眉睫。而比亚迪则早在13年前就开始布局这个市场。

比亚迪第六事业部总经理陈刚

比亚迪第六事业部总经理陈刚告诉半导体行业观察记者,他们在2005年就组建了IGBT研发团队,正式布局IGBT产业。在发展早期,比亚迪是通过购买别人的芯片进行IGBT的模组研发,公司也在2007完成了首款电动车IGBT模块样品的组装。但比亚迪不满足于只做一个模组厂,到了2008年,他们斥资两亿人民币收购宁波中纬,正式组建晶圆工厂,切入芯片领域,并在次年推出了其IGBT 1.0芯片。这款产品获得了中国电力电子协会组织的科技成果鉴定,标志着比亚迪自主研发的IGBT芯片达到了国际主流水平。

比亚迪IGBT产品的发展历程

2010年,比亚迪自主研发IGBT产品开始批量供货新能源汽车F3DM;2012年公司更是全球首创将航空航天级AISiC材料大批量用于车用IGBT模块,公司也在这一年宣布成功研发了IGBT 2.0芯片,搭载IGBT 2.0芯片的模块也在次年通过汽车全面认证;2014年,搭载比亚迪IGBT 2.0芯片的模块在e6、K9等新能源车型上批量装车,宣告比亚迪车载IGBT方面的更进一步。

到了2015年,比亚迪推出了其第三代的IGBT2.5芯片,并成功研发出了首款大巴专用的IGBT模块;2016年,搭载IGBT2.5芯片的模块批量装车,公司的模块厂也在这一年经过TS16949标准认证;2017年,比亚迪的IGBT 4.0的芯片宣布研发成功,首款双面水冷IGBT模块也宣告面世。进入今年,比亚迪的IGBT 4.0芯片的模块顺利被顺利应用到其新款的唐里面。

“经过了十三年的发展,比亚迪已经涉足了IGBT的材料研发、芯片设计、晶圆制造、模块设计与制造和整车制造在内的整个IGBT产业链,也成为国内唯一拥有IGBT全产业链的车企。截止今年十一月,公司IGBT的累积装车超50万辆,单车行驶里程也超过50万公里,产品得到了充分的验证”,陈刚说。

“比亚迪依靠自身强大的研发实力、人才的聚集、产业链的配套,在汽车功率半导体领域有了非常核心的突破,这个突破不是今天想,明天投入就能实现的,是积累了十多年的技术、人才和产业链才能实现的。”中国半导体行业协会IC设计分会副理事长周生明在解析会上表示。

这就推动比亚迪的IGBT进入下一个阶段。

挟IGBT 4.0芯片之力, 加紧IGBT对外供货

过去的十三年,是比亚迪IGBT深入研发的十三年,也是公司不断试错的十三年,这也是比亚迪得天独厚的优势。正如比亚迪第六事业部IGBT产品中心产品总监杨钦耀所说:“对一个新推向市场的车载IGBT来说,应用验证非常重要,而本身制造汽车的比亚迪恰好在这方面有自己的平台”。这就使得比亚迪IGBT的研发改进拥有其他竞争对手所没有的机会。而经历重重考验的比亚迪也正在推动他们的IGBT产品、尤其是车载IGBT产品对外供货,这无论是对国内车厂还是比亚迪来说,都是一个双赢的决定。

中国半导体行业协会IC设计分会副理事长周生明(左)与比亚迪第六事业部IGBT产品中心产品总监杨钦耀(右)

其实在之前,比亚迪已经对外供货工业IGBT方面的产品,在2018年,公司搭载IGBT2.5芯片的车用IGBT模组也开始对外供货。现在挟新款的高性能的1200 V IGBT 4.0芯片,比亚迪在深化这些产品在自身汽车应用之余,也在加紧IGBT的对外供货布局。

不同于过往采用平面栅NPT技术,比亚迪在IGBT 4.0上采用了一个改进型的平面栅FS技术。新的技术的引入让产品拥有更小的寄生电容,更小的门极电量、更快的开通速度、更快的关断速度、开关特性易于控制、更低的电耗、应用中更低的温升和世界级的安全工作,所以整体性能和一些Trench FS可以相比较更好。

比亚迪全新一代IGHT 4.0技术介绍

比亚迪第六事业部IGBT芯片产品部高级研发经理吴海平也表示,此次推出的比亚迪IGBT4.0在诸多关键技术指标上都优于当前市场主流产品,例如:

1、电流输出能力较当前市场主流的IGBT高15%,支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力。

2、同等工况下,综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%。这意味着电流通过IGBT器件时,受到的损耗降低,使得整车电耗显著降低。以比亚迪全新一代唐为例,在其他条件不变的情况下,仅此一项技术,就成功将百公里电耗降低约3%。

3、温度循环寿命可以做到当前市场主流IGBT的10倍以上。这意味着比亚迪电动车在应对各种极端气候、路况时,能有更高的可靠性和更长的使用寿命。此前,比亚迪电动车就以其优异的性能与稳定的可靠性,完成了从新疆吐鲁番的高温,到北欧的极寒、再到西藏高原的高海拔等全球最严苛自然环境的测试,并在全球300多个市场成功经历了各种气候、路况、驾驶习惯的考验,得到广泛认可。

比亚迪第六事业部IGBT芯片产品部高级研发经理吴海平

“新的IGBT 4.0芯片的出现,树立了车用IGBT的新标杆”,吴海平表示。基于这个强悍的芯片,比亚迪也将会推出一系列的模块产品。在其支持下,比亚迪新一代的唐EV实现了百公里加速4.4秒、续航里程600公里(60km/小时等速续航下)的超强性能,再度确立了行业领先地位,并获得消费者的高度认可。除了对内,他们同时也强调了对外的供应。

全面搭载IGBT4.0的比亚迪车用模块

据介绍,比亚迪接下来推出750V电压的IGBT 4.0产品,服务外部市场。在他们看来,推动其车载IGBT产品对外供应有几点重要的意义。

“这首先体现在帮助其他车企降低成本;其次能够让他们的供应链安全更受保障; 第三让国内车企与比亚迪一起共同提升; 第四促进新能源汽车市场的发展。”,吴海平说。

提前布局SiC,押宝第三代半导体器件

在持续推进IGBT的同时,比亚迪也开始投入到了SiC方面的布局,瞄准产业下一个未来。

与IGBT这些硅器件相比,宽禁带半导体碳化硅(SiC)器件具备更高的击穿电场强度、高电流密度、高可靠性和导热率以及低损耗的优势,可以制造出远超相应硅基的器件。这不但让你可以轻易实现高功率设计,同时可以实现原本无法企及的效率水平。而比亚迪也在这方面下了不少功夫。

比亚迪SiC晶圆

据悉,比亚迪已投入巨资布局第三代半导体材料SiC,并将整合材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体全产业链,致力于降低SiC器件的制造成本,加快其在电动车领域的应用。

比亚迪宣布,公司已经成功研发了SiC MOSFET(汽车功率半导体包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或 MOSFET等),有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代,将整车性能在现有基础上再提升10%。

陈刚表示:“SiC MOSFET将成为比亚迪电动车性能持续迭代更新的新一代‘杀手锏’,我们期望在加速、续航等性能指标上,为广大消费者带来更多惊喜。”

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