袁博

（河南省社會(huì)科學(xué)院工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所，鄭州 450000）

主題詞：IGBT NEV 半導(dǎo)體 材料

1 IGBT相關(guān)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(dǎo)體材料)和BJT(雙級(jí)型三極管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體開關(guān)電路。通過(guò)IGBT實(shí)現(xiàn)電壓切換，從而控制能源傳輸。IGBT結(jié)合了金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）和電力晶體管(Giant Transistor，GTR)的優(yōu)點(diǎn)，即驅(qū)動(dòng)功率小、壓降低和載流密度小的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于交直流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源和新能源汽車牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域[1]。

1.2 IGBT的發(fā)展歷史

20世紀(jì)50～60年代發(fā)展起來(lái)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(jié)構(gòu)復(fù)雜且功耗大。70年代發(fā)展起來(lái)的單極性器件（VD-MOSFET），其由電壓控制，控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且功耗小，但通態(tài)電阻較大，這兩種功率控制器件都無(wú)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單這三者兼具的半導(dǎo)體控制器件。80年代初由幾位不同結(jié)構(gòu)的不同研究者幾乎同時(shí)分別提出了一種同時(shí)兼具三種特性的開關(guān)，電子元件電子器件工程聯(lián)合委員會(huì)（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(xué)術(shù)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(diǎn)，同時(shí)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(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，功耗更小，是電器設(shè)備理想的功率控制器件，Xianjin Huang[3]認(rèn)為IGBT經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，性能得到了很大的提升，目前已經(jīng)向市場(chǎng)推出了7代產(chǎn)品，2016年3月瑞薩電子宣布推出第8代IGBT產(chǎn)品，但由于尚處于研發(fā)和量產(chǎn)初期，穩(wěn)定性還有待提高，需要時(shí)間進(jìn)行完善和普及推廣[3]。

2 車規(guī)級(jí)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(chǎn)品上，同樣可以應(yīng)用于汽車的起動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)、照明及信號(hào)裝置、儀表盤及報(bào)警裝置以及空調(diào)、雨刷、電動(dòng)車窗等輔助電氣設(shè)備，但由于早期汽車的主要驅(qū)動(dòng)來(lái)源是發(fā)動(dòng)機(jī)，電氣設(shè)備的使用比例不高，導(dǎo)致IGBT在燃油車時(shí)代的作用有限，地位不高，車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)緩慢，隨著近年來(lái)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(shí)車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，已經(jīng)成為了新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈上的重要一環(huán)。

2.1 車規(guī)級(jí)IGBT概念綜述

車規(guī)級(jí)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(dòng)摩托車、電動(dòng)三輪車等，其中新能源汽車由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，推廣迅速，是目前車規(guī)級(jí)IGBT重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域，車規(guī)級(jí)IGBT是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一部分，IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車成本的15～20%，也就是說(shuō)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(jí)、軍用級(jí)、車規(guī)級(jí)三大類，其中工業(yè)級(jí)IGBT主要用于工業(yè)生產(chǎn)，軍用級(jí)IGBT主要用于武器研制，車規(guī)級(jí)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(guān)系最為密切，是目前最常見(jiàn)的IGBT。

車規(guī)級(jí)IGBT在新能源汽車中主要對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能和效率進(jìn)行控制和管理，而在混合動(dòng)力汽車中還需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力和效能方面的匹配，使車輛在混合動(dòng)力模式達(dá)到理想的行駛狀態(tài)，由于新能源汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較其他電器產(chǎn)品更加復(fù)雜，對(duì)車規(guī)級(jí)IGBT各項(xiàng)指標(biāo)的要求較其他電器產(chǎn)品更高，例如車規(guī)級(jí)IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級(jí)IGBT要高得多，逆變器內(nèi)溫度最高可達(dá)120℃，同時(shí)還要考慮強(qiáng)振動(dòng)條件，車規(guī)級(jí)IGBT的性能指標(biāo)遠(yuǎn)在工業(yè)級(jí)IGBT之上[4]。

2.2 車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

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

中國(guó)車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)也在同期快速發(fā)展，2010年中國(guó)IGBT功率電器模塊產(chǎn)量為190萬(wàn)只，2018年增長(zhǎng)至1 115萬(wàn)只。2017年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到132.5億元，同比增長(zhǎng)25.7%。2018年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)161.9億元，同比增長(zhǎng)22.2%[5]。近兩年的同期增長(zhǎng)率均高于全球增長(zhǎng)率，其中，2015年10月中國(guó)中車集團(tuán)發(fā)布具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的6 500 V/200 A高壓大功率IGBT模塊，標(biāo)志著中國(guó)高鐵列車正式實(shí)現(xiàn)了車規(guī)級(jí)IGBT的完全自主研發(fā)[6]。2018年9月比亞迪汽車集團(tuán)首次展示了其自主研發(fā)的車規(guī)級(jí)IGBT，成為中國(guó)第一家實(shí)現(xiàn)新能源汽車IGBT完全國(guó)產(chǎn)化的汽車企業(yè)[7]，這一突破對(duì)中國(guó)汽車行業(yè)具有重大意義，中國(guó)在大功率軌道交通和新能源汽車兩大領(lǐng)域均實(shí)現(xiàn)了車規(guī)級(jí)IGBT的完全自主研發(fā)。

雖然中國(guó)車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完全國(guó)產(chǎn)化，但技術(shù)水平和在全球的整體市場(chǎng)占有率依然不高，與新能源整車制造的發(fā)展水平嚴(yán)重不符，需要進(jìn)一步加大研發(fā)投入，追趕世界先進(jìn)水平。

2.3 車規(guī)級(jí)IGBT的發(fā)展特點(diǎn)

全球車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)在高速發(fā)展的同時(shí)呈現(xiàn)出3大特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在地區(qū)發(fā)展失衡、產(chǎn)品需求集中度高和新興市場(chǎng)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(dāng)今全球車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局，市場(chǎng)份額主要集中在德國(guó)、日本、美國(guó)等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的少數(shù)幾家企業(yè)之中，由于車規(guī)級(jí)IGBT是技術(shù)密集型產(chǎn)品，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)的門檻較高，并且需要發(fā)達(dá)和成熟的本國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)支撐，因此，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)的地域和企業(yè)分布不會(huì)出現(xiàn)重大改變和調(diào)整，基本保持現(xiàn)有格局。

2.3.2 產(chǎn)品類型需求集中度過(guò)高

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

2.3.3 新興市場(chǎng)發(fā)展迅速

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

3 車規(guī)級(jí)IGBT的發(fā)展趨勢(shì)

IGBT雖然只有短短30年發(fā)展歷史，但由于其技術(shù)含量高、用途廣泛、實(shí)用性強(qiáng)，得以快速發(fā)展，車規(guī)級(jí)IGBT目前已經(jīng)推出第8代產(chǎn)品，各項(xiàng)性能趨向于成熟，與此同時(shí)，對(duì)新能源汽車性能和續(xù)航的更高要求使其發(fā)展過(guò)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(shù)的革新成為車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展方向，促使相關(guān)企業(yè)加快技術(shù)的更新迭代，以保持其在產(chǎn)業(yè)內(nèi)持續(xù)耐久的競(jìng)爭(zhēng)力，近年來(lái)車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)在新材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)等方面出現(xiàn)了以下3大發(fā)展趨勢(shì)，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(shì)。

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(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽）等原料通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅又稱碳硅石，在大自然是罕見(jiàn)存在的礦物，稱莫桑石。在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅是應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂[8]。

碳化硅相比硅基半導(dǎo)體主要有以下3個(gè)優(yōu)勢(shì)，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(duì)于同樣的電流，設(shè)備的尺寸可以做得更小，溝槽型的技術(shù)可以使失效率更低。頻率提高，同時(shí)電容、電感體積的要求可大大減少，系統(tǒng)尺寸也會(huì)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(jiǎn)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(dòng)汽車充電系統(tǒng)等需要1 200 V以上的高電壓功率模塊領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用，并取得不錯(cuò)效果，很好地彌補(bǔ)了IGBT在大功率高電壓方面的不足，碳化硅未來(lái)的發(fā)展方向是更低電壓和更小功率的乘用車領(lǐng)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(shí)代等全球各大IGBT生產(chǎn)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(zhǎng)時(shí)期內(nèi)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(shí)可以降低量產(chǎn)難度和成本，不過(guò)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(yuǎn)的將來(lái)，碳化硅（SiC）器件終將會(huì)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(dǎo)體材料GaN快速發(fā)展

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

除了碳化硅（Sic）之外，GaN也是近年來(lái)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(zhuǎn)換的核心，具有對(duì)比硅基半導(dǎo)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(shè)計(jì)。從技術(shù)角度看，氮化鎵器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市場(chǎng)主流的硅基半導(dǎo)體器件均有顯著數(shù)量級(jí)的提升。例如，相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化鎵器件的開關(guān)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(shì)明顯，應(yīng)用前景廣闊，而且近兩年相關(guān)行業(yè)巨頭也紛紛增加對(duì)氯化鉀器件的研發(fā)和商業(yè)化進(jìn)行了投入，但是由于目前技術(shù)不夠成熟，研發(fā)成本和量產(chǎn)難度較高，目前全球范圍內(nèi)能將氯化鉀晶體管器件推進(jìn)到商業(yè)化規(guī)?；慨a(chǎn)的公司仍然屈指可數(shù)，僅包括EPC，英飛凌，Transphorm等，不過(guò)相信在不久的將來(lái)，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(jí)IGBT模塊

近年來(lái)輪轂電機(jī)的研發(fā)成為新能源汽車電機(jī)系統(tǒng)未來(lái)的主要發(fā)展方向之一，輪轂電機(jī)是指驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接放置在車輛的輪轂內(nèi)，不再放置于車身當(dāng)中，電機(jī)輸出的動(dòng)力直接傳送給輪胎，驅(qū)動(dòng)車輛行駛，輪轂電機(jī)極大地提高了電機(jī)輸出效率，最大程度地降低了能量損耗和簡(jiǎn)化了新能源汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是未來(lái)電機(jī)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(jī)生產(chǎn)企業(yè)都在積極研發(fā)輪轂電機(jī)，作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)核心部件的IGBT，在結(jié)構(gòu)、體積、性能等方面都要根據(jù)輪轂電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。

車規(guī)級(jí)IGBT在未來(lái)輪轂電機(jī)中最主要的變化是提高集成度，由于輪轂電機(jī)放置在汽車各個(gè)輪轂內(nèi)，各自獨(dú)立工作，所以需要多個(gè)車規(guī)級(jí)IGBT模塊單獨(dú)控制，而輪轂內(nèi)的空間相對(duì)于車身更小，車規(guī)級(jí)IGBT模塊能夠放置在有限的空間內(nèi)，需要其結(jié)構(gòu)更加緊湊、體積更小、重量更輕，同時(shí)由于放置在輪轂內(nèi)，抗震性和穩(wěn)定性方面的標(biāo)準(zhǔn)也大大提高，需要高度集成化的車規(guī)級(jí)IGBT設(shè)計(jì)。

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

4 結(jié)語(yǔ)

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，作為?guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣，與之相關(guān)的產(chǎn)業(yè)同樣關(guān)乎國(guó)計(jì)民生，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)同樣深刻影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)目前雖仍然需要大量進(jìn)口車規(guī)級(jí)IGBT，但同時(shí)自主IGBT產(chǎn)業(yè)也在快速發(fā)展。相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，借助車規(guī)級(jí)IGBT產(chǎn)業(yè)的崛起，中國(guó)會(huì)從新能源汽車大國(guó)成為新能源汽車強(qiáng)國(guó)。