背景
2018 年 12 月 10 日，比亞迪釋出了 IGBT4。0 技術
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， 並宣佈 2019 年推出搭載 SiC 電控的電動車。預計到 2023 年，比亞迪旗下的電動車將全面搭載 SiC 電控。比亞迪的 IGBT 4。0 技術在諸多關鍵技術指標上優於當前市場主流產品： 1） 電流輸出能力較當前市場主流的 IGBT 高 15%。 2） 同等工況下，綜合損耗較當前市場主流的 IGBT 降低約 20%。 3） 溫度迴圈壽命可以做到當前市場主流 IGBT 的 10 倍以上。比亞迪成為了國內第一家實現車規級IGBT大規模量產、也是唯一一家擁有IGBT完整產業鏈的車企。
今天就跟大家聊聊IGBT。
圖1：比亞迪IGBT模組
IGBT介紹
定義
IGBT（Insulated gate bipolar transistor）中文稱 ”絕緣柵雙極型電晶體“，其結構示意圖見圖2
［2］
。它由 BJT（雙極結型晶體三極體） 和 MOS（絕緣柵型場效電晶體） 組成的複合全控型-電壓驅動式-功率半導體器件。功率半導體根據載流子型別，可分為雙極型和單極型；根據材料型別，可分為矽基功率半導體器件和寬 禁帶材料功率半導體器件。IGBT最常見的形式其實是模組（Module），而不是單管。模組的3個基本特徵：多個晶片以絕緣方式組裝到金屬基板上；空心塑殼封裝，與空氣的隔絕材料是高壓矽脂或者矽脂，以及其他可能的軟性絕緣材料。
IGBT可以承受高電壓、可以變頻、可以控制交直流轉換、可以變壓。IGBT主要應用於電動汽車領域中以下幾個方面：1。 電控系統，大功率直流變交流（逆變器的功能）後驅動汽車電機；2。 車載空調控制系統，小功率直流/交流逆變；3。 充電樁，智慧充電樁中IGBT模組被作為開關使用；4。 汽車轉向助力。它是自動控制和功率變換的核心器件，是影響電動汽車效能的核心技術。IGBT就是一個控制電能的超級開關。
圖2：IGBT結構圖
分類
按照功率分立器件使用材料，可將其分為三代：1）第 一代為矽（Si）、鍺（Ge）元素半導體材料；2）第二代為砷化鎵（GaAs）等化合物半導 體材料、GaAsAl 等三元化合物半導體、Ge-Si 等固溶半導體、非晶矽等玻璃半導體以及酞 菁等有機半導體；3）第三代為碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體材料。
當下的 IGBT 將逼近矽材料的效能極限。 第三代半導體材料 SiC 是未來電動車 IGBT 的發展方向。 SiC能將新能源車的效率再提高10%，這是新能源車提高效率最有效的技術。相比矽材器件，SiC 功率器件具有三大 優勢：1）高壓特性。SiC 器件是同等 Si 器件耐壓的 10 倍；2）高頻、高效特性，SiC 器 件的工作頻率一般是 Si 器件的 10 倍。3）耐高溫、低損耗，SiC 晶片可在 600°C 下工作， 而一般的 Si 器件最多為 150°C；同時 SiC 功率器件的能量損耗只有 Si 器件的 50%左右， 發熱量也約為其 50%。SiC 和 GaN 材料效能優異，但是由於價格較貴，是普通 Si 材料的 大約 6 倍，暫時應用還只停留在高階產品。
工藝難點
晶圓製造、背板減薄和封裝工藝是 IGBT 製造技術的核心難點
［2］
。IGBT 的加工過程大 致分為三步：襯底加工、器件加工和封裝。國外 IGBT 技術起步較早，在裝置、材料、芯 片設計和晶圓製造上構築起了較高的壁壘。國內公司在大尺寸晶圓生產商工藝仍落後於全球龍頭。IGBT 的正面工藝和標準 BCD 的 LDMOS 區別不大，但背面工藝要求嚴苛。減薄後後續處理工藝難度加大。IGBT 封裝的主要目的在於散熱，而散熱的關鍵是材料。
IGBT目前已經發展到7。5代，第7代由三菱電機在2012年推出，三菱電機目前的水平可以看作7。5代，同時IGBT的下一代SiC技術已經在日本全面普及，對日本廠家來說，SiC基板都沒有絲毫難度，三菱、豐田、羅姆、富士電機、日立、瑞薩、東芝都有能力自己製造，全部是內部開發的技術。意法半導體技術也不錯。我國目前停留在第三代水平上，差距在20年以上。
IGBT在電動車裡的角色
純電動新能源汽車成本結構中，動力電池以 42%的佔比位居第一，緊隨其後的是電控系統，佔比達 11%。在電控 系統成本中，IGBT 佔比高達 41%，是電控系統中最重要的構成器件。根據全球權威研究機構 Yole 的統計，2016 年IGBT 單車價值量約為 450 美元
［3］
。2018-2025年期間，中國新能源汽車及相關產業帶動的IGBT市場規模共計超過1200億元
［4］
。
中國功率半導體市場約佔世界市場份額 50%， 但是中高階的 MOSFET（絕緣柵型場效電晶體）及 IGBT 主流器件市場基本被歐美、日本企業壟斷。我國IGBT產品對外依賴度達到90%。國外IGBT主要製造商包括英飛凌、ABB、三菱、西門子、東芝和富士。此外，豐田汽車是目前全球唯一能夠自產 IGBT 的整 車廠。2016 年，IGBT 全球市場規模達到 42。9 億美元，市場份額排名前三的公司是英飛凌 （25%）、三菱電機（24%）和富士電機（12%）。
總結
比亞迪電子的IGBT和SiC是中國之光。比亞迪是中國的豐田，比亞迪電子是中國的電裝，希望繼續努力超越對手。
參考
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BYD車規級IGBT模組
https：//zhuanlan。zhihu。com/p/52349474
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中信證券：電動車技術皇冠上的明珠——IGBT
http：//xqdoc。imedao。com/167ca59fbb45f9ff3fe1244a。pdf
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長江證券：新能源汽車核心技術梳理之 IGBT
http：//pg。jrj。com。cn/acc/Res/CN_RES/INDUS/2019/3/19/de225acb-503c-48da-8157-df6c1ae44d0e。pdf
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IGBT，電動汽車下一個戰場的制勝法寶？
https：//www。d1ev。com/kol/85934
