IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體管)是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷捎肐GBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，是解決能源短缺問(wèn)題和降低碳排放的關(guān)鍵技術(shù)。

作為新能源汽車(chē)最核心的技術(shù)之一，IGBT因技術(shù)難、投資大，與動(dòng)力電池一樣，被業(yè)內(nèi)稱(chēng)為新能源汽車(chē)核心技術(shù)的“珠穆拉瑪峰”，長(zhǎng)期以來(lái)成為制約新能源汽車(chē)的大規(guī)模商業(yè)化的一道“瓶頸”。

但一個(gè)無(wú)法繞開(kāi)的業(yè)界現(xiàn)實(shí)是，IGBT技術(shù)成熟的好壞直接影響電動(dòng)車(chē)功率的釋放速度——直接控制直、交流電的轉(zhuǎn)換，同時(shí)對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行變頻控制，決定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩(直接影響汽車(chē)加速能力)、最大輸出功率(直接影響汽車(chē)最高時(shí)速)等。因此，IGBT又被稱(chēng)為電力電子裝置的“CPU”——盡管一塊IGBT模塊只有巴掌大小，卻是駕馭一臺(tái)龐大裝備的“命脈”。

與此相關(guān)的一個(gè)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀是，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，中高端IGBT產(chǎn)能?chē)?yán)重不足，長(zhǎng)期依賴(lài)國(guó)際巨頭，導(dǎo)致“一芯難求”?；诖?，國(guó)產(chǎn)本土化IGBT的技術(shù)成熟度，一度成為關(guān)乎中國(guó)新能源汽車(chē)進(jìn)一步規(guī)?；l(fā)展的一道關(guān)鍵的“壁壘”。

事實(shí)上，近年來(lái)這道“壁壘”正在逐漸松動(dòng)。隨著以比亞迪為代表的本土新能源汽車(chē)廠(chǎng)商在IGBT領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的突破，中國(guó)的新能源汽車(chē)配套產(chǎn)業(yè)格局正在悄然生變。據(jù)了解，作為中國(guó)第一批實(shí)現(xiàn)車(chē)規(guī)級(jí)IGBT大規(guī)模量產(chǎn)的本土企業(yè)，截至2018年11月，比亞迪累計(jì)申請(qǐng)IGBT相關(guān)專(zhuān)利175件，其中授權(quán)專(zhuān)利114件。

業(yè)界頗為一致的觀點(diǎn)是，隨著本土IGBT技術(shù)的崛起，有望破除國(guó)際寡頭在該領(lǐng)域的壟斷局面，勢(shì)必也會(huì)影響中國(guó)乃至全球新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局。

外資寡頭壟斷下的IGBT

隨著能源危機(jī)、氣候變化和環(huán)境污染的加劇，世界各主要國(guó)家都推出新能源汽車(chē)的發(fā)展計(jì)劃，電動(dòng)化將成為汽車(chē)歷史最大的變革。中國(guó)是最早大規(guī)模推廣新能源汽車(chē)的國(guó)家，憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)配套等，中國(guó)誕生了一批極具競(jìng)爭(zhēng)力的新能源汽車(chē)民族品牌。但在市場(chǎng)的另一面，IGBT技術(shù)卻成為長(zhǎng)期以來(lái)制約中國(guó)新能源汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)“瓶頸”。

作為主流的新型電力電子器件之一，IGBT在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)、新能源裝備，以及工業(yè)領(lǐng)域(高壓大電流場(chǎng)合的交直流電轉(zhuǎn)換和變頻控制)等應(yīng)用極廣，是上述應(yīng)用中的核心技術(shù)。

但與工業(yè)級(jí)IGBT相比，IGBT在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用則面臨更多的挑戰(zhàn)。一方面，汽車(chē)的大眾消費(fèi)屬性，對(duì)IGBT的壽命要求比較高(設(shè)計(jì)壽命在20年以上)，需要滿(mǎn)足使用壽命內(nèi)數(shù)十萬(wàn)次甚至百萬(wàn)次的功率循環(huán)要求。另一方面，汽車(chē)面臨著更為復(fù)雜的適用工況，需頻繁啟停、爬坡涉水、經(jīng)歷不同路況和環(huán)境溫度等，高溫、高濕、高振動(dòng)對(duì)IGBT是極為嚴(yán)苛的考驗(yàn)，對(duì)裝配體積和散熱效率的要求都非常嚴(yán)格。

不止于此，電動(dòng)汽車(chē)的操作人員存在相對(duì)非專(zhuān)業(yè)性的情況，其對(duì)IGBT的考驗(yàn)和性能要求是多維度、全方位的。但又出于乘用車(chē)需面向大眾消費(fèi)市場(chǎng)的原因，要求其價(jià)格必須保持在合理區(qū)間，因此，車(chē)用IGBT要求高性?xún)r(jià)比前提下的高可靠性。在這些因素的綜合影響下，車(chē)規(guī)級(jí)IGBT相較于工業(yè)級(jí)，無(wú)論是技術(shù)難度、應(yīng)用場(chǎng)景，還是可靠性方面，對(duì)器件本身的要求都更為嚴(yán)苛。

在此背景下，中國(guó)IGBT主流市場(chǎng)一直被國(guó)際巨頭壟斷——90%的份額掌握在英飛凌、三菱等海外巨頭手中。由于外資巨頭掌握著IGBT的核心技術(shù)和定價(jià)權(quán)，這在一定程度上，成為中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展的一大障礙。

本土企業(yè)突破重圍

如何實(shí)現(xiàn)本土廠(chǎng)商IGBT技術(shù)的突破，有效的破除外資的壟斷局面，對(duì)中國(guó)新能源汽車(chē)發(fā)展的未來(lái)意義重大，但這絕非易事。據(jù)了解，IGBT技術(shù)存在較多的開(kāi)發(fā)難點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)IGBT的核心技術(shù)始終掌握在國(guó)外廠(chǎng)商手里。

首先，IGBT芯片僅有人的指甲大小，但卻要在其上蝕刻十幾萬(wàn)乃至幾十萬(wàn)的微觀結(jié)構(gòu)電路，僅能在顯微鏡下查看。其次，IGBT芯片設(shè)計(jì)難度高。IGBT雖然是一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，但涉及到的參數(shù)多達(dá)十幾個(gè)，很多參數(shù)之間是相互矛盾，需要根據(jù)應(yīng)用折衷考慮。第三，晶圓制造工藝難度大。最主要體現(xiàn)在薄片加工處理上，采用最新的1200VFS技術(shù)的IGBT，需要將晶圓減薄到120um(約兩根頭發(fā)絲直徑)的厚度，再進(jìn)行10余道工序加工。此外，晶圓制造的廠(chǎng)房潔凈度要求非常高，需要一級(jí)凈化。一個(gè)零點(diǎn)幾微米的微塵掉落在晶圓上，就會(huì)造成一顆IGBT芯片失效。

不止于此，IGBT模塊設(shè)計(jì)難度也很大。需要考慮材料匹配、散熱、結(jié)構(gòu)、功率密度、外觀、重量等多項(xiàng)指標(biāo)。IGBT模塊的制造中，大面積芯片的無(wú)空洞焊接(無(wú)空洞焊接需要在1mBar<即0.1Kpa>的高真空下進(jìn)行，高可靠性綁線(xiàn)工藝和測(cè)試等都是難點(diǎn)。

盡管面臨困難重重，但早在2003年，以比亞迪為代表的本土新能源汽車(chē)企業(yè)就預(yù)見(jiàn)IGBT將會(huì)是影響電動(dòng)車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，并在研發(fā)團(tuán)隊(duì)組建、產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)等各方面投入重金，默默布局IGBT產(chǎn)業(yè)。

經(jīng)過(guò)十余年耕耘，本土廠(chǎng)商在IGBT技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)可謂進(jìn)步不俗。以比亞迪為例，2009年9月，比亞迪IGBT芯片成功通過(guò)中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子分會(huì)組織的科技成果鑒定，標(biāo)志著中國(guó)在IGBT芯片技術(shù)上實(shí)現(xiàn)零的突破，打破了國(guó)際巨頭的技術(shù)壟斷。

目前，比亞迪研發(fā)出全新的車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品IGBT4.0，成為車(chē)規(guī)級(jí)IGBT的標(biāo)桿。其芯片損耗、模塊溫度循環(huán)能力、電流輸出能力等關(guān)鍵指標(biāo)上，比亞迪IGBT4.0產(chǎn)品達(dá)到全球領(lǐng)先水平。

具體技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)在，比亞迪IGBT4.0產(chǎn)品的綜合損耗相比當(dāng)前市場(chǎng)主流產(chǎn)品降低了約20%，使得整車(chē)電耗降低;IGBT4.0產(chǎn)品模塊的溫度循環(huán)壽命可以做到當(dāng)前市場(chǎng)主流產(chǎn)品的10倍以上;搭載IGBT4.0的V-315系列模塊在同等工況下較當(dāng)前市場(chǎng)主流產(chǎn)品的電流輸出能力提升15%。

除新能源汽車(chē)外，比亞迪IGBT模塊還廣泛應(yīng)用于包括工業(yè)設(shè)備、家電、太陽(yáng)能逆變等行業(yè)在內(nèi)的各類(lèi)電力電子設(shè)備中，主要客戶(hù)包括博世力士樂(lè)、松下、OTC(日本)、美的、時(shí)代焊機(jī)等。