車規(guī)級IGBT的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢綜述

袁博

（河南省社會科學院工業(yè)經(jīng)濟研究所，鄭州 450000）

主題詞：IGBT NEV 半導體 材料

1 IGBT相關概念綜述

1.1 IGBT基本概念

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），是由MOS(金屬氧化物半導體材料)和BJT(雙級型三極管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體開關電路。通過IGBT實現(xiàn)電壓切換，從而控制能源傳輸。IGBT結合了金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）和電力晶體管(Giant Transistor，GTR)的優(yōu)點，即驅動功率小、壓降低和載流密度小的特點，適合應用于交直流電機、變頻器、開關電源和新能源汽車牽引傳動等領域[1]。

1.2 IGBT的發(fā)展歷史

20世紀50～60年代發(fā)展起來的雙極性器件（SCR,GTR,GTO）,其由電流控制，通態(tài)電阻較小，但控制電路結構復雜且功耗大。70年代發(fā)展起來的單極性器件（VD-MOSFET），其由電壓控制，控制電路結構簡單且功耗小，但通態(tài)電阻較大，這兩種功率控制器件都無法令人滿意，于是業(yè)界開始尋求一種低功耗、低通態(tài)電阻、電路結構簡單這三者兼具的半導體控制器件。80年代初由幾位不同結構的不同研究者幾乎同時分別提出了一種同時兼具三種特性的開關，電子元件電子器件工程聯(lián)合委員會（Joint Electron Device Engineering Council）提出統(tǒng)一的名稱Insulated Gate Bipolar Transistor（IGBT），直到1988年，工業(yè)和學術界才一致采用這一名稱[2]。

IGBT吸收了之前單極性器件和雙極型器件的優(yōu)點，同時去除了缺陷，其通態(tài)電阻和工作頻率位于兩者之間，此外控制電路結構更加簡單，功耗更小，是電器設備理想的功率控制器件，Xianjin Huang[3]認為IGBT經(jīng)過30年的發(fā)展，性能得到了很大的提升，目前已經(jīng)向市場推出了7代產品，2016年3月瑞薩電子宣布推出第8代IGBT產品，但由于尚處于研發(fā)和量產初期，穩(wěn)定性還有待提高，需要時間進行完善和普及推廣[3]。

2 車規(guī)級IGBT的發(fā)展現(xiàn)狀綜述

IGBT的特性使它幾乎可以適用于任何電器產品上，同樣可以應用于汽車的起動機、點火系統(tǒng)、照明及信號裝置、儀表盤及報警裝置以及空調、雨刷、電動車窗等輔助電氣設備，但由于早期汽車的主要驅動來源是發(fā)動機，電氣設備的使用比例不高，導致IGBT在燃油車時代的作用有限，地位不高，車規(guī)級IGBT產業(yè)發(fā)展相對緩慢，隨著近年來新能源汽車數(shù)量的快速增多，作為新能源汽車核心部件之一的IGBT開始受到重視，同時車規(guī)級IGBT產業(yè)快速發(fā)展，已經(jīng)成為了新能源汽車產業(yè)鏈上的重要一環(huán)。

2.1 車規(guī)級IGBT概念綜述

車規(guī)級IGBT主要是指在電氣化車輛種使用的IGBT，包括新能源汽車、軌道交通、電動摩托車、電動三輪車等，其中新能源汽車由于其結構復雜，價格較高，推廣迅速，是目前車規(guī)級IGBT重點發(fā)展的領域，車規(guī)級IGBT是電機驅動的一部分，IGBT約占電機驅動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅動系統(tǒng)占整車成本的15～20%，也就是說IGBT占整車成本的7～10%，是除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。IGBT主要分為工業(yè)級、軍用級、車規(guī)級三大類，其中工業(yè)級IGBT主要用于工業(yè)生產，軍用級IGBT主要用于武器研制，車規(guī)級IGBT主要集中在各種民用車輛的使用方面，與百姓日常生活的關系最為密切，是目前最常見的IGBT。

車規(guī)級IGBT在新能源汽車中主要對驅動電機的性能和效率進行控制和管理，而在混合動力汽車中還需要對驅動電機和發(fā)動機進行動力和效能方面的匹配，使車輛在混合動力模式達到理想的行駛狀態(tài)，由于新能源汽車的內部結構較其他電器產品更加復雜，對車規(guī)級IGBT各項指標的要求較其他電器產品更高，例如車規(guī)級IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級IGBT要高得多，逆變器內溫度最高可達120℃，同時還要考慮強振動條件，車規(guī)級IGBT的性能指標遠在工業(yè)級IGBT之上[4]。

2.2 車規(guī)級IGBT產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

得益于新能源汽車和高速鐵路產業(yè)的快速發(fā)展，車規(guī)級IGBT近年來保持快速發(fā)展的態(tài)勢，2017年全球車規(guī)級IGBT市場規(guī)模達到52.55億美元，同比增長16.5%，2018年達到58.36億美元，同比增長11.1%，近兩年的增長率都保持在10%以上，其中2017年英飛凌集團（Infineon）占全球市場份額的27.1%；三菱（Mitsubishi）市場占有率為16.4%；日本富士電機（Fuji Electric）市場占有率為10.7%，全球前五大生產商占據(jù)市場總量的67.5%，車規(guī)級IGBT產業(yè)呈現(xiàn)出企業(yè)高度集中的現(xiàn)狀。

中國車規(guī)級IGBT產業(yè)也在同期快速發(fā)展，2010年中國IGBT功率電器模塊產量為190萬只，2018年增長至1 115萬只。2017年市場規(guī)模達到132.5億元，同比增長25.7%。2018年市場規(guī)模達161.9億元，同比增長22.2%[5]。近兩年的同期增長率均高于全球增長率，其中，2015年10月中國中車集團發(fā)布具有完全自主知識產權的6 500 V/200 A高壓大功率IGBT模塊，標志著中國高鐵列車正式實現(xiàn)了車規(guī)級IGBT的完全自主研發(fā)[6]。2018年9月比亞迪汽車集團首次展示了其自主研發(fā)的車規(guī)級IGBT，成為中國第一家實現(xiàn)新能源汽車IGBT完全國產化的汽車企業(yè)[7]，這一突破對中國汽車行業(yè)具有重大意義，中國在大功率軌道交通和新能源汽車兩大領域均實現(xiàn)了車規(guī)級IGBT的完全自主研發(fā)。

雖然中國車規(guī)級IGBT產業(yè)發(fā)展迅速，并且已經(jīng)實現(xiàn)了完全國產化，但技術水平和在全球的整體市場占有率依然不高，與新能源整車制造的發(fā)展水平嚴重不符，需要進一步加大研發(fā)投入，追趕世界先進水平。

2.3 車規(guī)級IGBT的發(fā)展特點

全球車規(guī)級IGBT產業(yè)在高速發(fā)展的同時呈現(xiàn)出3大特點，主要表現(xiàn)在地區(qū)發(fā)展失衡、產品需求集中度高和新興市場發(fā)展迅速。

2.3.1 行業(yè)集中度高，地區(qū)發(fā)展不平衡

縱觀當今全球車規(guī)級IGBT產業(yè)發(fā)展格局，市場份額主要集中在德國、日本、美國等半導體產業(yè)發(fā)達國家的少數(shù)幾家企業(yè)之中，由于車規(guī)級IGBT是技術密集型產品，進入產業(yè)的門檻較高，并且需要發(fā)達和成熟的本國汽車產業(yè)支撐，因此，在今后相當長的時期內，車規(guī)級IGBT產業(yè)的地域和企業(yè)分布不會出現(xiàn)重大改變和調整，基本保持現(xiàn)有格局。

2.3.2 產品類型需求集中度過高

早期的車規(guī)級IGBT主要應用在小型電動車輛上，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，后來更多地應用在高鐵列車上，隨著近年來新能源汽車產業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車已經(jīng)成為車規(guī)級IGBT最主要的應有車輛類型，目前占據(jù)了90%以上的車規(guī)級IGBT市場份額，與此同時，高速鐵路建設趨近于飽和，發(fā)展速度放緩，小型電動車輛的市場份額常年保持穩(wěn)定，增長微弱，而隨著新能源汽車數(shù)量的進一步增長，未來汽車市場對車規(guī)級IGBT的需求會更加旺盛，市場份額持續(xù)提高。

2.3.3 新興市場發(fā)展迅速

雖然目前全球車規(guī)級IGBT產業(yè)的發(fā)展格局相對穩(wěn)固，但是近年來以中國企業(yè)為代表的新興市場的發(fā)展迅速，其中中車時代和比亞迪已經(jīng)完全實現(xiàn)了整套車規(guī)級IGBT的自主研發(fā)和生產，而背后依托于中國蓬勃發(fā)展的高速鐵路和新能源汽車產業(yè)，中國的車規(guī)級IGBT產業(yè)發(fā)展迅速，近兩年的增長率大幅度領先全球整體表現(xiàn)，已經(jīng)成為車規(guī)級IGBT發(fā)展最快的國家，除此之外，韓國、俄羅斯、加拿大等國同樣快速發(fā)展，逐漸成為全球車規(guī)級IGBT產業(yè)不可或缺的組成部分。

3 車規(guī)級IGBT的發(fā)展趨勢

IGBT雖然只有短短30年發(fā)展歷史，但由于其技術含量高、用途廣泛、實用性強，得以快速發(fā)展，車規(guī)級IGBT目前已經(jīng)推出第8代產品，各項性能趨向于成熟，與此同時，對新能源汽車性能和續(xù)航的更高要求使其發(fā)展過程中逐漸開始遇到阻礙和瓶頸，新材料的出現(xiàn)和新能源汽車技術的革新成為車規(guī)級IGBT產業(yè)新的發(fā)展方向，促使相關企業(yè)加快技術的更新迭代，以保持其在產業(yè)內持續(xù)耐久的競爭力，近年來車規(guī)級IGBT產業(yè)在新材料、新技術、新結構等方面出現(xiàn)了以下3大發(fā)展趨勢，即呈現(xiàn)出碳化硅材料、氮化鎵材料同步發(fā)展和IGBT集成化發(fā)展趨勢。

3.1 碳化硅（SiC）材料與IGBT同步發(fā)展

金剛砂又名碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅又稱碳硅石，在大自然是罕見存在的礦物，稱莫桑石。在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中，碳化硅是應用最廣泛、最經(jīng)濟的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂[8]。

碳化硅相比硅基半導體主要有以下3個優(yōu)勢，即高性能、低損耗和低成本。高性能包括功率密度高、耐高溫、高壓、高頻和高速。高功率密度則對于同樣的電流，設備的尺寸可以做得更小，溝槽型的技術可以使失效率更低。頻率提高，同時電容、電感體積的要求可大大減少，系統(tǒng)尺寸也會大大減少。由于高壓和系統(tǒng)體積減少，能耗損失也減小。由于簡化了控制和系統(tǒng)體積的減少，也降低了系統(tǒng)成本。碳化硅目前在高鐵列車、電動汽車充電系統(tǒng)等需要1 200 V以上的高電壓功率模塊領域已經(jīng)開始應用，并取得不錯效果，很好地彌補了IGBT在大功率高電壓方面的不足，碳化硅未來的發(fā)展方向是更低電壓和更小功率的乘用車領域，可以將新能源汽車的效率至少提高10%以上，是IGBT的理想替代品[9]。

目前英飛凌、三菱、日立、中車時代等全球各大IGBT生產商都在積極研發(fā)新能源汽車的碳化硅（SiC）功率模塊系統(tǒng)，但由于目前還處在早期開發(fā)階段，碳化硅相比IGBT成本比較高，兩者還將同步發(fā)展，較長時期內共存，目前已有廠商在研發(fā)SiC和IGBT混合材料的功率模塊，既可以提高工作效率，同時可以降低量產難度和成本，不過碳化硅的高頻、散熱性能可以提高，電容電感尺寸要求可大大減少，因此可以降低系統(tǒng)的整體成本，相信在不遠的將來，碳化硅（SiC）器件終將會取代IGBT，成為新能源汽車新一代功率模塊[10]。

3.2 第三代半導體材料GaN快速發(fā)展

GaN即氮化鎵，屬第三代半導體材料，具有六角纖鋅礦結構特征。王立[11]研究認為GaN具有禁帶寬度大、熱導率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特性，是目前工業(yè)領域最感興趣的半導體材料之一。GaN基材料在高亮度藍、綠、紫和白光二極管,藍、紫色激光器以及抗輻射、高溫大功率微波器件等領域有著廣泛的應用潛力和良好的市場前景。

除了碳化硅（Sic）之外，GaN也是近年來快速發(fā)展的功率模塊新型材料，基于GaN材料制成的晶體管是高頻和超高效電源轉換的核心，具有對比硅基半導體器件更卓越的性能，能夠提供更高效，更緊湊的電源適配器設計。從技術角度看，氮化鎵器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市場主流的硅基半導體器件均有顯著數(shù)量級的提升。例如，相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化鎵器件的開關頻率可以高出1 000倍；能量損耗可以降低50%～90%;每瓦尺寸和重量降至原先的1/4，系統(tǒng)成本可以大幅降低[12]。

盡管性能優(yōu)勢明顯，應用前景廣闊，而且近兩年相關行業(yè)巨頭也紛紛增加對氯化鉀器件的研發(fā)和商業(yè)化進行了投入，但是由于目前技術不夠成熟，研發(fā)成本和量產難度較高，目前全球范圍內能將氯化鉀晶體管器件推進到商業(yè)化規(guī)?；慨a的公司仍然屈指可數(shù)，僅包括EPC，英飛凌，Transphorm等，不過相信在不久的將來，GaN和SiC一樣成為新一代功率模塊的核心材料[13]。

3.3 集成式車規(guī)級IGBT模塊

近年來輪轂電機的研發(fā)成為新能源汽車電機系統(tǒng)未來的主要發(fā)展方向之一，輪轂電機是指驅動電機直接放置在車輛的輪轂內，不再放置于車身當中，電機輸出的動力直接傳送給輪胎，驅動車輛行駛，輪轂電機極大地提高了電機輸出效率，最大程度地降低了能量損耗和簡化了新能源汽車的內部結構，是未來電機系統(tǒng)的理想發(fā)展方向，目前全球各大主要新能源汽車和電機生產企業(yè)都在積極研發(fā)輪轂電機，作為驅動電機核心部件的IGBT，在結構、體積、性能等方面都要根據(jù)輪轂電機進行相應的調整和優(yōu)化。

車規(guī)級IGBT在未來輪轂電機中最主要的變化是提高集成度，由于輪轂電機放置在汽車各個輪轂內，各自獨立工作，所以需要多個車規(guī)級IGBT模塊單獨控制，而輪轂內的空間相對于車身更小，車規(guī)級IGBT模塊能夠放置在有限的空間內，需要其結構更加緊湊、體積更小、重量更輕，同時由于放置在輪轂內，抗震性和穩(wěn)定性方面的標準也大大提高，需要高度集成化的車規(guī)級IGBT設計。

目前全球各大IGBT生產商正在研發(fā)輪轂電機專用IGBT，其中新能源客車生產企業(yè)宇通、比亞迪等已經(jīng)開始在其量產產品上使用輪邊電機，并為電機系統(tǒng)開發(fā)專用的車規(guī)級IGBT，在輪轂電機量產普及之后，新一代高集成車規(guī)級IGBT將大量投入市場。

4 結語

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，作為國家?zhàn)略性新興產業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣，與之相關的產業(yè)同樣關乎國計民生，產業(yè)的發(fā)展趨勢同樣深刻影響著國民經(jīng)濟的發(fā)展，中國目前雖仍然需要大量進口車規(guī)級IGBT，但同時自主IGBT產業(yè)也在快速發(fā)展。相信在不遠的未來，借助車規(guī)級IGBT產業(yè)的崛起，中國會從新能源汽車大國成為新能源汽車強國。