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本土厂商同欧日三分天下,中国IGBT不再“一芯难求”

国内汽车界中,“一芯难求”的现状被打破了。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管),是能源变换与传输的核心器件。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键技术。IGBT约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15-20%,也就是说,IGBT占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,也决定了整车的能源效率。

然而,一个不得不提的业内现实是,这样重要的功率器件,却长期来基本被英飞凌、三菱、富士电机、仙童等国外巨头垄断全球市场。在国内市场,中高端IGBT产能严重不足,长期依赖国际巨头,导致“一芯难求”。

现在,这种“外资寡头垄断”的市场格局正在被逐渐瓦解。随着以比亚迪为代表的本土新能源汽车厂商在IGBT领域实现技术的突破,中国的新能源汽车配套产业格局正在悄然生变。据了解,截至2018年11月,比亚迪累计申请IGBT相关专利175件,其中授权专利114件。

“我们可以很自豪地说,在IGBT这个领域中国可以与欧洲、日本三分天下。” 比亚迪第六事业部总经理陈刚如是说。

本土厂商同欧日三分天下,中国IGBT不再“一芯难求”

“指甲”般大小,“心脏”般重要

一说起IGBT,有些制造半导体的人内心并不十分重视,他们常想:不就是一个分立器件吗?然而和28nm/16nm集成电路制造一样,IGBT是国家“02专项(《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》项目,因次序排在国家重大专项所列16个重大专项第二位,在业内被称为02专项)”的重点扶持项目。

IGBT芯片只有人的指甲盖那么大小,其上蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路,只有借助显微镜才能看清。然而,就是这个指甲盖大小的东西,却在能源转换与传输中起着心脏般的重要作用,它被称为电力电子装置的“CPU”。

相较于早期的各种电力电子器件相比,IGBT具有高输入阻抗、高速开关特性、导通状态低损耗等特点。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,其高效节能和绿色环保的特点,是解决能源短缺问题和实现低碳排放的关键技术支撑。

IGBT是什么?简单来说,它是一个非通即断的开关:导通时可以看做导线,断开时即为开路。IGBT融合了MOSFET以及BJT两种器件的优点,如驱动功率小,饱和压降低等。

虽然IGBT中文翻译为“绝缘栅双极型晶体管”,但其最常见的形式是模块(Module),并非单管。模块是由多个IGBT芯片并联,电流规格更大。

IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用,它是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。例如,在电动控制系统,大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机;车载空调控制系统,小功率直流/交流(DC/AC)逆变,使用电流较小的IGBT和FRD;智能充电桩中,IGBT模块被作为开关元件使用。

IGBT模块的优势显而易见,然而令人意外的是,全球电动汽车龙头特斯拉却只使用IGBT单管。因为单就价格而言,单管要远低于模块。据了解,全球的新能源车企中,除特斯拉和国内少数低速电动外,大部分品牌的新能源汽车都在使用IGBT模块。

IGBT有望迎来黄金发展期,中国市场却被国外巨头垄断多年

近年来,全球新能源汽车发展如火如荼。业内一致认为,电动化、智能化、网联化、共享化会是未来新能源汽车的发展趋势。电动化平台是这些技术的重要基础。而IGBT作为新能源汽车动力、电源系统中的核心器件,也将迎来黄金发展期。

数据显示,2017年,全球共销售新能源汽车超过120万辆,占全球汽车销量的1.2%。同时,新能源汽车用IGBT的市场规模占IGBT市场的17%,达到7亿美元。

2016年全球电动车销量大约200万辆,共消耗了大约9亿美元的IGBT管,平均每辆车大约450美元,是电动车里除电池外最昂贵的部件。其中,混合动力和PHEV大约77万辆,每辆车需要大约300美元的IGBT,纯电动车大约123万辆,平均每辆车使用540美元的IGBT,大功率的纯电公交车用的IGBT可能超过1000美元。

巨大的市场潜力,吸引了全球各路电子巨头前来淘金。据统计,全球IGBT市场主要竞争者包括德国英飞凌、日本三菱、富士电机、美国安森美、瑞士ABB等,前五大企业的全球市场份额超过70%。

同时,这些国际巨头的兼并重组正在加速。前年,恩智浦与飞思卡尔两大巨头合并,行业集中度进一步提高。此外,高通、英特尔等电子巨头都在竞相进军汽车芯片市场。

有分析称,未来的新能源汽车市场变革中,中国会承担引领者的角色。据BNEF的长期预测显示,随着新能源汽车对内燃机汽车在成本方面逐渐建立起领先优势,到2025年全球新能源汽车的销量有望增至1100万辆。其中,中国占全球市场份额中将接近50%。在新能源汽车快速发展的大势下,GGII预估,国内新能源汽车和充电桩市场将出现200亿IGBT模块的需求量。

然而,一个令人心酸的事实是,在国内市场,中高端IGBT产能严重不足,汽车IGBT市场被英飞凌、意法半导体、瑞萨电子、恩智浦等国际巨头所垄断。“国内用的芯片大多依靠进口,尤其是核心汽车电子控制芯片基本都掌握在外国人手中,国内的汽车电子芯片技术还差得很远。”中国汽车工程学会装备部部长陈长年曾这样感慨。

和中国形成鲜明对比的是日本。以丰田为例,尽管在已有本土IGBT巨头,但其在开发混合动力车时,还是选择将IGBT管完全控制在自己手中,成为了全球唯一能够自产IGBT管的汽车厂家。普锐斯也因此获得强大的生命力,成为目前全球唯一的强混合动力车。

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