首发IGBT4.0 比亚迪给电动汽车装上“中国芯”

掌握核心技术就意味这占据着这个产业的话语权,特别是在国际贸易环境日益恶化的当下,掌握核心零部件的关键技术更显得尤为重要。

12月10日,比亚迪在宁波举办了“IGBT电动中国芯”为主题的核心技术解析会。正式发布了全新一代车规级IGBT标杆性产品——比亚迪IGBT 4.0,从而让这一堪称电动车CPU的核心技术首次以国产化的形式为国人所知。

IGBT是新能源汽车最核心的技术,其好坏直接影响电动车功率的释放速度:直接控制直、交流电的转换,同时对交流电机进行变频控制,决定驱动系统的扭矩(直接影响汽车加速能力)、最大输出功率(直接影响汽车最高时速)等,被认为是电力电子装置的“CPU”。因此,一块IGBT模块尽管只有巴掌大小,却是驾驭一台庞大装备的“命脉”。

比亚迪这次公开首发IGBT4.0,掀开了车规级功率半导体国产化的新篇章。

超前布局 推动车规级功率半导体国产化

作为汽车功率半导体的一个门类,IGBT因设计门槛高、制造技术难、投资大,被业内称为电动车核心技术的“珠穆拉玛峰”。而长期以来,该技术主要掌握在国际巨头手中。

与工业级IGBT相比,在电动汽车领域应用的IGBT需要面临更多的挑战:

一方面,汽车的大众消费属性,对IGBT的寿命要求比较高(设计寿命在20年以上),需要满足使用寿命内数十万次甚至百万次的功率循环要求。

另一方面,汽车面临着更为复杂的适用工况,需频繁启停、爬坡涉水、经历不同路况和环境温度等,高温、高湿、高振动对IGBT是极为严苛的考验,对装配体积和散热效率的要求都非常严格。

此外,电动汽车的操作人员存在相对非专业性的情况,其对IGBT的考验和性能要求是多维度、全方位的。但又出于乘用车需面向大众消费市场的原因,要求其价格必须保持在合理区间,因此,车用IGBT要求高性价比前提下的高可靠性。

在这样的高要求下,比亚迪开启了车用IGBT的国产化进程。十几年前,当外界还不看好电动车的前景、甚至对IGBT还不太了解的情况下,在2003年就开始布局电动车的比亚迪就预见IGBT将会是影响电动车发展的关键技术,在研发团队组建、产线建设等各方面投入重金,默默布局IGBT产业。

2005年,比亚迪组建IGBT研发团队,正式进军IGBT领域;2008年10月,比亚迪收购宁波中纬半导体晶圆厂;2009年9月,比亚迪IGBT芯片通过中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定,标志着中国在IGBT芯片技术上实现零的突破,打破了国际巨头的技术垄断;2018年12月,比亚迪成功研发出全新的车规级产品IGBT4.0,成为车规级IGBT的标杆。

厚积薄发 打造IGBT产业链闭环

凭借十数年的厚积薄发,比亚迪研发生产的IGBT各项技术指标不断取得突破,特别是在芯片损耗、模块温度循环能力、电流输出能力等关键指标上,比亚迪IGBT4.0产品达到全球领先水平。

在芯片损耗方面,比亚迪 IGBT4.0产品的综合损耗相比当前市场主流产品降低了约20%,使得整车电耗降低。以全新一代唐为例,在其他条件不变的情况下,采用比亚迪 IGBT4.0较采用当前市场主流的IGBT,百公里电耗少约3%。

在温度循环能力方面,IGBT4.0产品模块的温度循环寿命可以做到当前市场主流产品的10倍以上。

在电流输出能力方面,搭载IGBT4.0的V-315系列模块在同等工况下较当前市场主流产品的电流输出能力提升15%,支持整车具有更强的加速能力。

值得注意的是,比亚迪还是国内唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企:包含IGBT芯片设计和制造、模组设计和制造、大功率器件测试应用平台、电源及电控等。

“IGBT不是有钱就能砸出来,要有技术积累和产业链的协同,尤其是下游终端的配合。” 中国电器工业协会电力电子分会秘书长蔚红旗认为,比亚迪最大的优势在于,已经具备年产销量超过十万辆电动汽车的能力,这能为搭载自身的IGBT产品提供了有力的支撑。简言之,就是形成了IGBT的产业链闭环。

明年实现IGBT外供 推出首辆搭载SiC电控电动车

在过去相当长的时间里,IGBT的核心技术始终掌握在国外厂商手里,中高端IGBT市场90%的份额被国际巨头垄断,导致“一芯难求”,成为制约我国电动车行业健康、快速发展的主要瓶颈。

根据世界三大电子元器件分销商之一富昌电子(Future Electronics LTD)的统计,2018年,车规级IGBT模块的交货周期最长已经达到52周(IGBT的交货周期正常情况下为8-12周)。而2018-2022年,全球电动车年复合增长率达30%,但同期车规级IGBT市场的年复合增长率仅为15.7%。可以预见,未来几年全球车规级IGBT市场的供应将愈加紧张。

目前比亚迪的IGBT4.0的产量还很有限,到今年年底可以实现产能每个月5万片,预计2020年月产量达到10万片。与此同时,车用IGBT模块目前月产量达5万,比亚迪将投资超1亿元进行扩产,预计2019年6月每月产量可达到10万。

除了供应内部需求,比亚迪还计划将产品对进行开放。比亚迪第六事业部兼太阳能事业部总经理陈刚表示,目前开发的是1200V车规级IGBT,正同步开发650V和700V,明年将进行认证,用于支持外部客户。

凭借更加优异的性能,SiC基半导体取代硅基半导体将是大势所趋,预计未来几年硅基IGBT将在汽车领域逐步被淘汰。比亚迪已经投巨资布局SiC基半导体,整合全产业链:材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延、芯片、封装等。

“比亚迪已经成功研发了芯片损耗更低、电流输出能力更强的SiCMOSFET(SiC基半导体的一种)。” 陈刚透露,目前已大规模用于车载电源,有望于2019年将推出中国首辆SiC电控的电动车。预计到2023年,比亚迪旗下的电动车将全面搭载SiC电控。

对于领跑世界的中国新能源汽车产业来说,动力电池已经已经从弱小走向强大,甚至开始引领世界潮流。然而,长期以来,作为能源变换与传输核心器件的IGBT却一直受制于人。比亚迪推出IGBT,标志着中国在IGBT技术上实现零的突破,打破了国际巨头的技术垄断,在不久的将来一旦开始外供,势必将改变车规用IGBT受制于人的局面,也为我国汽车产业的换道超车,提供强大的“中国芯”。