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重庆万国造出自研自产 IGBT 元件,预计今年内实现量产

来源:本站 作者:佚名 时间:03-29 手机版

集微网消息,据重庆日报报道,重庆万国半导体科技有限公司 (以下简称“重庆万国”) 已成功造出西南地区首颗独立开发、设计并自行完成晶圆制造与封装测试的 IGBT 元件。目前该 IGBT 元件通过用户试用,预计今年年内实现量产。 (IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor,即绝缘栅双极型晶体管)

据悉,重庆万国在今年年初启动 IGBT 元件项目研发,该元件具有饱和压降低,开关损耗小,电流短路能力强等特点,可用于消费电器与工业电器的动能转换。

重庆万国市场资深经理李仁果介绍,在过去 12 个月的出货量中,重庆万国做到每 10 亿颗芯片中,不良率只有 3 颗。

目前,重庆万国已启动上市计划,并已引入京东方等行业头部企业或专业投资机构作为战略投资人。下一步,重庆万国将进一步加快半导体芯片及半导体芯片封装的设计、制造、销售,不断推出创新产品。

百科知识

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由(Bipolar Junction Transistor,BJT)双极型三极管和绝缘栅型场效应管(metal Oxide Semiconductor,MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有(metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管(Giant Transistor,GTR)的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT 是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,作为国家战略性新兴产业,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

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。

IGBT 模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点;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;随着节能环保等理念的推进,此类产品在市场上将越来越多见。

它是高铁最核心的部件!也把握着新能源行业的命脉!

大家好,我是电动车公社的社长。

说到高铁,相信大家的第一印象,都是又快、又稳、又安全,坐实了世界第一的名号。

从北京去上海,1200公里自驾要十几个小时,但高铁却只要4个半小时。

如果考一考大家,高铁的核心部件是什么,相信很多人都想象不到。

既不是能让列车达到350km/h极速、功率上万千瓦的电机组,也不是能够源源不断提供电力的高铁输电线路网,而是只有我们指甲大小的IGBT芯片!

简单来说,高铁的加速快慢、最高时速多少、电耗高低、能不能瞬间起跑、能不能舒适行驶、能不能稳定停车,都要看这块小小的IGBT。

然而,自从1988年第一代IGBT芯片诞生以来,其制造的核心技术就一直牢牢掌握在英飞凌、三菱等海外巨头手里。即使是国家级别的高铁列车组,也不得不斥巨资对外采购。

就拿08年来说,随着“基建狂魔”迅速把高铁铺设到全国每一个角落,一趟8节车厢的列车就需要152个芯片,成本高达200万元。

每年10万个芯片的需求,四舍五入就是13个亿!

就拿日本三菱来说,单是垄断了中国高铁的肥单,就已经赚得盆满钵满,甚至战略性地放弃了2500伏的低压市场。反正有中国养着,有恃无恐。

那么,这个小小的零件,到底是什么来头?

这个高铁同款的核心部件,又会对新能源行业产生怎样的影响?

今天,社长就来和大家简单聊一聊IGBT的事情。

01.IGBT,是什么来头?

IGBT,学名绝缘栅双极型晶体管,是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

是不是有点听不懂了?没关系,听社长给大家解释:

我们知道,金属导电性能比较好,属于导体;陶瓷、塑料导电性能不好,属于绝缘体。

导电性能介于二者之间的材料,就是半导体了。

如果能够人为地控制半导体的导电性能,就能在日常生活中发挥想象不到的作用!

咱们今天的主角IGBT,就是这样一种导电性可控的半导体。

简单来说,IGBT就是一个控制电路非通即断的开关。

它导通的时候,可以承受几十到几百安培的电流;

它关断的时候,可以承受几百至几千伏特的电压。

而IGBT最大的特点,就是在这个级别的电流和电压下,一秒钟可以开关近万次(10kHz)!

只要通过脉宽调制,就能轻松地把输入的电流变成人们所需频率的交流电!

这个电,就可以用来驱动高铁的交流电机了。并且,还能通过改变交流电的频率来改变电机的转速,从而达到为高铁变速的目的。是不是很神奇?

IGBT,就是这样一种负责能源转换与传输的核心器件,因此也被称为电力电子装置的“CPU”。

所以,IGBT被列入位居“十二五”期间国家16个重大技术突破专项中的第二位,也就不足为奇了。

02.对一台新能源车来说,IGBT能有多重要?

和高铁一样,IGBT也一样是新能源车上除了电池之外,最核心的零部件。

这一点,从成本上就能看出来:

除了动力电池之外,一台新能源车制造成本第二高的零部件,就是IGBT。

作为电机驱动系统的核心,IGBT的成本,要占到整车制造成本的将近10%!

就更不用说,直流充电桩30%的原材料成本,都要交给IGBT这个烧钱大户了。

IGBT能够把电池输出的大功率直流电逆变成交流电,提供给交流电机,并通过变频、变压改变交流电机的转速,从而精准地改变车辆行驶的速度和加速能力。

在用交流充电桩充电的时候,也同样需要IGBT转变成直流电,并把电压提高到电池组的电压,才能给电池组充电。这也影响了新能源车的充电效率和充电速度。

直流充电桩也一样,只不过把变电的过程放到了充电桩里。

这还没完。

不仅电机驱动要用到IGBT,新能源车的发电机和空调部分,也需要IGBT协同工作。

原理嘛,和电机驱动系统差不多,只不过从大功率逆变变成了小功率逆变,电流会更小一些。

所以,IGBT的好坏,会直接影响功率、效率、能耗等等这些新能源车最直观的性能表现,成本这么高也就可以理解了。

在2016年,全球的电动车(含商用车)销量约200万辆,采购IGBT的成本就要差不多9亿美元,平均下来一台车要花掉450美元,是电动车里除电池外最昂贵的部件。

例如特斯拉Model X,在极致控制成本的思路下,采用了英飞凌提供的132个IGBT单管来进行控制,其中前电机36个,后电机96个,总成本是650美元。

如果使用更加完善的IGBT模块,成本可能会突破到1500美元……

而全球车企市值第一的丰田,早在上世纪90年代开发混合动力车型的时候,就认定电控的核心——IGBT,必须要完全掌握在自己手中。

按照社长丰田章男的说法就是:“IGBT具有与发动机同等的重要性”。

所以,丰田理所当然地成为了当时全球唯一一家自研自产IGBT的车企,还拉上了自己的好基友、御用供应商电装,大家有钱一起赚。

早在2014年,丰田中央研究所就和电装合作,开发出了世界顶尖的新型IGBT芯片。

但这还不够:丰田销量全球第一,产能不足怎么办?

于是乎,丰田借助电装之手,投资德国汽车半导体巨头、也是世界上最重要的车规级IGBT供应商英飞凌。

这样一绑定(绑架),就再也不用担心供应安全问题了。

这也从侧面验证了,IGBT对于一家车企来说,到底有多重要。

03 . IGBT的未来

目前,在世界范围内,IGBT已经发展到了7.5代。

电动车公社为大家整理了一下历代IGBT的发展路线:

1-5代的性能比起上一代都有着较大幅度的提升,但从第六代开始,说是慢慢“挤牙膏”也不为过,20年间的技术并没有太多突飞猛进的增长。

这是因为材料的限制。

IGBT使用的硅(Si)基功率器件驱动系统,已经逼近、甚至触及了材料本身的天花板。

想要进一步突破,必须要有一种新型材料。

这时,性能更强的SiC(碳化硅),出现了。

SiC器件不仅提高了2.5倍的工作频率和10倍的阻断电压、降低了大约80%的工作损耗,还把工作结温从175℃提升到了600℃,功率密度也得到了进一步提升。

说人话,就是能让新能源车获得更长的续航和更快的充电速度。

尽管SiC的成本比普通Si价格贵6倍,但依然凭借强大的性能,获得了众多厂商的青睐。

特斯拉Model 3,就是第一台吃螃蟹的新能源车。

用上SiC以后,腰不酸了腿也不痛了,仅用75kWh的电池包就能跑出664km续航的优异成绩。

V3超充仅需15分钟就能补充250公里续航,同样离不开SiC对升压充电的支持。

可以负责任地说,SiC就是电控系统未来的趋势和绝对的核心。

但SiC也不是没有缺点。

SiC的技术门槛很高,所以产能有限。高昂的成本,也使得只有高端产品才能使用它。

截止到目前,也还在IGBT到SiC的过渡期。

只有技术进步、成本降低以后,才能大规模普及和应用。

04.国内的现状

IGBT在中国的地位,可以说和石油旗鼓相当。

根据著名投行摩根士丹利的预计, 2020年国内的IGBT市场将达到192亿元人民币的规模,占全世界市场份额的35.6%。其中27%的份额、大约51亿元的市场当属新能源汽车,堪称用芯大户。

但国内的技术水平却依然落后,只能贡献不到20%的产能,IGBT芯片依然严重依赖进口。

这时候,是比亚迪率先站了出来。

早在2003年比亚迪还没开始造车的时候,就已经开始着手布局IGBT,2005年研发团队都搭建完毕了。那会别说电动车了,量产的混动车都只有丰田一家。

这里还有个有意思的小插曲。

当时和半导体行业还八竿子打不着的比亚迪,看中了宁波中纬的6英寸半导体生产线专利。

趁着宁波中纬资不抵债、宣布破产的机会,比亚迪仅用了当年投资额的1/10、也就是1.7亿元,趁火打劫般地进行了收购。

按说,无论是从战略布局的角度,还是从经济的角度,这笔交易都堪称教科书级别。

人们却并不买账,业界更是骂声一片。体现在股价上,分分钟就是暴跌30%。

但好在有了人才、又有了产线,潜心钻研后的比亚迪,成功通过了国家级的科技成果鉴定,实现了IGBT芯片从0到1的巨大突破,打破了国际巨头的技术垄断。

后面的故事,你们也知道了。2018年底,比亚迪发布了全面自主研发的“IGBT4.0”技术,也向世界宣告自己和丰田一样,拥有了世界一流的完整IGBT产业链。

这一等,就是将近20年。

至于下一代半导体材料SiC,比亚迪也斥巨资投入生产研发,目前已经在比亚迪唐EV上部分应用,来提高唐EV的充电效率。而且据说,在即将发布的比亚迪汉上,也会全面应用SiC。关注比亚迪汉的小伙伴们,可以好好期待一下汉的续航表现和快充功率了。

除了比亚迪,国内其他的半导体企业也没闲着。

今年年初,全球IGBT市场份额前十的中国企业——嘉兴斯达半导体股份有限公司,正式在主板敲钟上了市。再加上国有控股的株洲中车时代电气股份有限公司,全球IGBT市场份额Top15中,已经挤进了两家中国企业。

其他企业,也在奋起直追,努力抹平和世界一流厂商之间的差距。

社长也相信,未来的Top15里,一定会涌现更多优秀的中国企业。

写 在 最 后

1956年7月13日,中国生产的第一台自主汽车解放正式下线。举国欢腾的同时,也宣告着国内汽车工业新的篇章正式拉开序幕。

在那个属于燃油车的时代,国内的汽车工业却一直被变速箱掣肘,没有发展起来。

变速箱和IGBT一样,都是核心零部件,核心技术也都是掌握在别人手里。

想要?对不起,拿钱来买。利润,自然也要三七分成。

你三,人家七。

在对方眼里,这就是跪着挣钱,生意嘛,不寒碜。

时间拨转到近几年,汽车行业进入了电气化时代。

随着国家一句“弯道超车”的口号,国内各类企业开始加紧对三电系统进行自主研发。

除了自持三电和IGBT的比亚迪以外,

电池巨头宁德时代,站起来了;

赴美上市的蔚来,走出去了;

后面还有小鹏、理想、以及一大批供应商企业,在小步快跑地追赶着……

慢慢地,人们发现,在政策和技术这一文一武的支持下,?就是能站着,还能站着把钱挣了。

腰杆子挺直了,说话也就硬气了。

我很期待,国内的新能源车凭借自己的硬实力,走出国门、走向世界,成为行业佼佼者的那一天。

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