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IGBT市场“井喷”前夜：比亚迪的新能源机遇“风口”
作者：经济观察网 2018-12-12 13:56 0
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。
作为新能源汽车最核心的技术之一，IGBT因技术难、投资大，与动力电池一样，被业内称为新能源汽车核心技术的“珠穆拉玛峰”，长期以来成为制约新能源汽车的大规模商业化的一道“瓶颈”。
但一个无法绕开的业界现实是，IGBT技术成熟的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。因此，IGBT又被称为电力电子装置的“CPU”——尽管一块IGBT模块只有巴掌大小，却是驾驭一台庞大装备的“命脉”。
与此相关的一个产业现状是，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”。基于此，国产本土化IGBT的技术成熟度，一度成为关乎中国新能源汽车进一步规模化发展的一道关键的“壁垒”。
事实上，近年来这道“壁垒”正在逐渐松动。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，作为中国第一批实现车规级IGBT大规模量产的本土企业，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。
业界颇为一致的观点是，随着本土IGBT技术的崛起，有望破除国际寡头在该领域的垄断局面，势必也会影响中国乃至全球新能源汽车产业的竞争格局。
外资寡头垄断下的IGBT
随着能源危机、气候变化和环境污染的加剧，世界各主要国家都推出新能源汽车的发展计划，电动化将成为汽车历史最大的变革。中国是最早大规模推广新能源汽车的国家，凭借先发优势，市场规模、产业配套等，中国诞生了一批极具竞争力的新能源汽车民族品牌。但在市场的另一面，IGBT技术却成为长期以来制约中国新能源汽车发展的一个“瓶颈”。
作为主流的新型电力电子器件之一，IGBT在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源装备，以及工业领域（高压大电流场合的交直流电转换和变频控制）等应用极广，是上述应用中的核心技术。
但与工业级IGBT相比，IGBT在电动汽车领域的应用则面临更多的挑战。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。
不止于此，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。在这些因素的综合影响下，车规级IGBT相较于工业级，无论是技术难度、应用场景，还是可靠性方面，对器件本身的要求都更为严苛。
在此背景下，中国IGBT主流市场一直被国际巨头垄断——90%的份额掌握在英飞凌、三菱等海外巨头手中。由于外资巨头掌握着IGBT的核心技术和定价权，这在一定程度上，成为中国新能源汽车产业实现规模化发展的一大障碍。
本土企业突破重围
如何实现本土厂商IGBT技术的突破，有效的破除外资的垄断局面，对中国新能源汽车发展的未来意义重大，但这绝非易事。据了解，IGBT技术存在较多的开发难点，长期以来IGBT的核心技术始终掌握在国外厂商手里。
首先，IGBT芯片仅有人的指甲大小，但却要在其上蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路，仅能在显微镜下查看。其次，IGBT芯片设计难度高。IGBT虽然是一个开关器件，但涉及到的参数多达十几个，很多参数之间是相互矛盾，需要根据应用折衷考虑。第三，晶圆制造工艺难度大。最主要体现在薄片加工处理上，采用最新的1200V FS技术的IGBT，需要将晶圆减薄到120um（约两根头发丝直径）的厚度，再进行10余道工序加工。此外，晶圆制造的厂房洁净度要求非常高，需要一级净化。一个零点几微米的微尘掉落在晶圆上，就会造成一颗IGBT芯片失效。
不止于此，IGBT模块设计难度也很大。需要考虑材料匹配、散热、结构、功率密度、外观、重量等多项指标。IGBT模块的制造中，大面积芯片的无空洞焊接（无空洞焊接需要在1mBar <即0.1Kpa>的高真空下进行，高可靠性绑线工艺和测试等都是难点。
尽管面临困难重重，但早在2003年，以比亚迪为代表的本土新能源汽车企业就预见IGBT将会是影响电动车发展的关键技术，并在研发团队组建、产线建设等各方面投入重金，默默布局IGBT产业。
经过十余年耕耘，本土厂商在IGBT技术领域的研发可谓进步不俗。以比亚迪为例，2009年9月，比亚迪IGBT芯片成功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。
目前，比亚迪研发出全新的车规级产品IGBT4.0，成为车规级IGBT的标杆。其芯片损耗、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。
具体技术指标体现在，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；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；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%。
除新能源汽车外，比亚迪IGBT模块还广泛应用于包括工业设备、家电、太阳能逆变等行业在内的各类电力电子设备中，主要客户包括博世力士乐、松下、OTC（日本）、美的、时代焊机等。
逐力IGBT“风口”
当前，传统乘用车行业可谓凛冬将至。来自中汽协公布最新产销数据显示，10月汽车产销分别完成233.4万辆和238万辆，同比下降10.1%和11.7%。1-10月，汽车累计产销2282.6万辆和2287.1万辆，同比下降0.4%和0.06%，增速持续回落——传统车市正面临自1990年以来的首次下滑。
与此形成鲜明对照，新能源汽车市场却是逆势增长。以本土代表性企业比亚迪为例，12月6日，比亚迪汽车公布了其11月份的销量数据，总销量达到49645辆，同比增长9%。其中，新能源汽车销量再创新高，达到28739辆，同比暴增123%，连续四个月销量突破2万辆，全年20万辆的目标已提前达成。
事实上，比亚迪在新能源市场的强劲业绩，折射的正是中国新能源汽车市场的火爆现状。预测数据显示，2018年中国新能源汽车产量有望达到100万辆。按国家制定的“2020年当年销量达到200万辆产销量”的目标，2018-2020年中国新能源汽车产量年复合增长率将超过40%。
在新能源汽车销量爆发式增长的背景下，IGBT市场也有望迎来“井喷期”。来自集邦咨询的预测显示，2018-2025年期间，在中国新能源汽车及相关产业带动的IGBT市场规模共计超过1200亿元。其中，2025年单年，中国新能源汽车所用IGBT市场规模将达到210亿元。2018-2025年，中国新能源汽车所用IGBT累计新增市场规模超过900亿元。2025年单年，中国充电桩所用IGBT的市场规模将达到100亿元。2018-2025年，中国充电桩所用IGBT累计新增市场规模达300亿。
在此背景下，以比亚迪为代表的本土IGBT供应商，有望迎来一个难得的市场机遇“风口”。首先是国产替代市场。来自中信建投的数据显示，2017年，中国国内的IGBT市场规模约121亿元（含车规级及工业级），约占全球总需求的50%。但我国IGBT起步较晚，国内市场份额主要被国际巨头垄断，国产化率只有11%，进口依赖程度较高，国产替代空间巨大。
此外，全球范围内IGBT供货周期延长，随着新能源汽车的爆发，未来几年供不应求趋势将更加明显。据悉，由于IGBT上游产业投资时间长，即使各大半导体厂商加大投资，近几年也难以满足新能源汽车需求。根据富昌电子（Future Electronics LTD，世界三大电子元器件分销商之一）对2018年上半年IGBT产品交货周期的统计，IGBT交货周期已经大幅延长，且在未来一段时间有延长趋势。英飞凌、ON Semi、IXYS等主要IGBT产品供应商的供货周期均存在延长现象，IGBT的缺货情况，可见一斑。
不止于此，未来几年，新能源汽车增速显著高于车规级IGBT增速，两者的增速不匹配，也将导致IGBT供货愈加紧张。来自智研咨询和国金证券的预测数据显示，预计2022年单年，全球新能源汽车的年产销量将达到600万辆，2018-2022年年均复合增长率达30%。但同期车规级IGBT市场的年均复合增长率仅为15.7%（IGBT产业整体同期为8.2% ）。可以预见，未来几年全球车规级IGBT市场的供求将愈加紧张。
而在中国，这个情况或许会更为严峻。按照此前工信部、国家发改委、科技部联合发布的《汽车产业中长期发展规划》，2020年单年和2025单年，中国新能源汽车的年产量将分别达到200万辆和700万辆。由此预测，2018-2020年和2020-2025年间中国新能源汽车的增速将分别达到40%和28.47%。有这样的大背景下，主要依赖进口的中国，车规级IGBT的缺货情况或将较全球市场更甚。
面对IGBT市场爆发的机遇，以比亚迪为代表的本土IGBT供应商，也在技术日趋成熟的基础上继续深耕布局。据悉，比亚迪投入巨资的第三代半导体材料SiC（碳化硅）项目, 目前已大规模用于车载电源,有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车，预计2023年采用SiC基半导体全面替代硅基半导体（如硅基IGBT），引领下一代电动车芯片变革。
文/程度