從功率半導體到IGBT

功率半導體器件也被稱作電力電子器件或功率器件，它是具有包括變頻、變壓、變流、功率管理等功率管理能力的一種特殊開關。在計算機、通信、消費電子、新能源、汽車、工業(yè)制造、等領域有著廣泛的應用。今天SPEA和大家重點介紹下功率器件中的明星IGBT模塊。

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業(yè)內通常將功率半導體開器件分為三大類：

二極管：開關狀態(tài)由主電路（功率電路）自身控制，因此又稱為一被動開關、不可控開關。

可控硅：能夠被低功率的控制信號打開，但只能由主電路（功率電路）自身來關斷而不能被控制信號關斷，因此又被稱為半可控開關。

可控開關：半導體可控開關包括GTO、IGCT、GTR、IGBT、VMOS等

在功率器件中，IGBT模塊備受各行業(yè)青睞，甚至還入選了我國重大科技專項重點扶持項目。它兼具MOSFET（絕緣柵型場效應管）及BJT（雙極型三極管）兩類器件優(yōu)勢，開關速度快、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小、導通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小，在高壓、大電流、高速等方面同樣優(yōu)勢明顯。

IGBT功率半導體的主要引用領域有哪些？

IGBT模塊可以分為低壓（600V以下），中壓（600V-1200V）和？壓（1200V-6700V），IGBT主要用于變頻器逆變和其他逆變電路。將直流電壓逆變成頻率可調的交流電。它有陰極，陽極，和控制極。關斷的時候其阻抗是非常大的基本是斷路，接通的時候存在很小的電阻，通過接通或斷開控制極來控制陰極和陽極之間的接通和關斷。其主要應用領域如下：

1、新能源汽車

在新能源汽車中，IGBT模塊是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近5％，占充電樁成本約20％。IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面：

A、電動控制系統(tǒng)大功率直流／交流（DC／AC）逆變后驅動汽車電機。

B、車載空調控制系統(tǒng)小功率直流／交流（DC／AC）逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。

C、充電樁智能充電樁中IGBT模塊被作為開關元件使用。

2、軌道交通

IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術是現(xiàn)代軌道交通的核心技術之一，在交流傳動系統(tǒng)中牽引變流器是關鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一

3、電網(wǎng)及家電

電網(wǎng)系統(tǒng)在朝著智能化方向發(fā)展，智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端與IGBT聯(lián)系密切，風力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術需要大量使用IGBT等功率器件，此外IGBT是電力電子變壓器（PET）的關鍵器件。在家電中，微波爐、LED照明驅動等對于IGBT需求也在持續(xù)提升。

4、光伏產業(yè)

IGBT是光伏逆變器、儲能逆變器的核心器件。IGBT模塊占光伏逆變器價值量的15%至20%，不同的光伏電站需要的IGBT產品略有不同，比如集中式光伏主要采用IGBT模塊，而分部式光伏主要采用IGBT單管或模塊。

IGBT原理與技術

IGBT是什么？

IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由（BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場效應管（MOS）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有（MOSFET）金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管（GTR）的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。 GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；（因為Vbe=0.7V,而Ic可以很大（跟PN結材料和厚度有關）） MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。（因為MOS管有Rds，如果Ids比較大，就會導致Vds很大） IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。 IGBT最主要的作用就是把高壓直流變?yōu)榻涣鳎约白冾l。（所以用在電動車上比較多）

2.IGBT的工作原理 忽略復雜的半導體物理推導過程，下面是簡化后的工作原理。 IGBT有N溝道型和P溝道型兩種，主流的N溝道IGBT的電路圖符號及其等效電路如下：

所以整個過程就很簡單： 當柵極G為高電平時，NMOS導通，所以PNP的CE也導通，電流從CE流過。 當柵極G為低電平時，NMOS截止，所以PNP的CE截止，沒有電流流過。

IGBT與MOSFET不同，內部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中(感性負載)需要搭配適當?shù)目旎謴投O管。

3.IGBT的優(yōu)缺點 優(yōu)點： 1、具有更高的電壓和電流處理能力。 2、極高的輸入阻抗。 3、可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。 4、電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。 5、柵極驅動電路簡單且便宜，降低了柵極驅動的要求 6、通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或稍微負電壓可以很容易地關閉它。 7、具有非常低的導通電阻。 8、具有高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。 9、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。 10、具有比 BJT 更高的開關速度。 11、可以使用低控制電壓切換高電流電平。 12、雙極性質，增強了傳導性。 13、安全可靠。 缺點： 1、開關速度低于 MOS管。 2、因為是單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。 3、不能阻擋更高的反向電壓。 4、比 BJT 和 MOS管價格更高。 5、類似于晶閘管的P-N-P-N結構，因此它存在鎖存問題 4.IGBT的主要參數(shù) （1）集電極-發(fā)射極額定電壓UCES是IGBT在截止狀態(tài)下集電極與發(fā)射極之間能夠承受的最大電壓，一般UCES小于或等于器件的雪崩擊穿電壓。 （2）柵極-發(fā)射極額定電壓UGE是IGBT柵極與發(fā)射極之間允許施加的最大電壓，通常為20V。柵極的電壓信號控制IGBT的導通和關斷，其電壓不可超過UGE。 （3）集電極額定電流IC是IGBT在飽和導通狀態(tài)下，允許持續(xù)通過的最大電流。 （4）集電極-發(fā)射極飽和電壓UCE是IGBT在飽和導通狀態(tài)下，集電極與發(fā)射極之間的電壓降。該值越小，則管子的功率損耗越小。 （5）開關頻率在IGBT的使用說明書中，開關頻率是以開通時間tON、下降時間t1和關斷時間tOFF給出的，根據(jù)這些參數(shù)可估算出IGBT的開關頻率，一般可達30～40kHz。在變頻器中，實際使用的載波頻率大多在15kHz以下。 6.IGBT的靜態(tài)特性曲線 IGBT靜態(tài)特性曲線包括轉移特性曲線和輸出特性曲線：其中左側用于表示IC-VGE關系的曲線叫做轉移特性曲線，右側表示IC-VCE關系的曲線叫做輸出特性曲線。

（1）轉移特性曲線 IGBT的轉移特性曲線是指輸出集電極電流IC與柵極-發(fā)射極電壓VGE之間的關系曲線。 為了便于理解，這里我們可通過分析MOSFET來理解IGBT的轉移特性。 當VGS=0V時，源極S和漏極D之間相當于存在兩個背靠背的pn結，因此不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什么極性的電壓，總有一個pn結處于反偏狀態(tài)，漏、源極間沒有導電溝道，器件無法導通，漏極電流ID為N+PN+管的漏電流，接近于0。 當0

這里MOSFET的柵源電壓VGS類似于IGBT的柵射電壓VGE，漏極電流ID類似于IGBT的集電極電流IC。IGBT中，當VGE≥VGE（th）時，IGBT表面形成溝道，器件導通。 （2）輸出特性曲線 IGBT的輸出特性通常表示的是以柵極-發(fā)射極電壓VGE為參變量時，漏極電流IC和集電極-發(fā)射極電壓VCE之間的關系曲線。

由于IGBT可等效理解為MOSFET和PNP的復合結構，它的輸出特性曲線與MOSFET強相關，因此這里我們依舊以MOSFET為例來講解其輸出特性。

其中當VDS>0且較小時，ID隨著VDS的增大而增大，這部分區(qū)域在MOSFET中稱為可變電阻區(qū)，在IGBT中稱為非飽和區(qū)；

當VDS繼續(xù)增大，ID-VDS的斜率逐漸減小為0時，該部分區(qū)域在MOSFET中稱為恒流區(qū)，在IGBT中稱為飽和區(qū)；

當VDS增加到雪崩擊穿時，該區(qū)域在MOSFET和IGBT中都稱為擊穿區(qū)。

IGBT的柵極-發(fā)射極電壓VGE類似于MOSFET的柵極-源極電壓VGS，集電極電流IC類似于漏極電流ID，集電極-發(fā)射極電壓VCE類似于漏源電壓VDS。

MOSFET與IGBT在線性區(qū)之間存在差異（紅框所標位置）。

這主要是由于IGBT在導通初期，發(fā)射極P+/N-結需要約為0.7V的電壓降使得該結從零偏轉變?yōu)檎鶎е碌摹?6.IGBT如何選型 （1）IGBT額定電壓的選擇 三相380V輸入電壓經(jīng)過整流和濾波后，直流母線電壓的最大值：在開關工作的條件下，IGBT的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，根據(jù)IGBT規(guī)格的電壓等級，選擇1200V電壓等級的IGBT。 （2）IGBT額定電流的選擇 以30kW變頻器為例，負載電流約為79A，由于負載電氣啟動或加速時，電流過載，一般要求1分鐘的時間內，承受1.5倍的過流，擇最大負載電流約為119A ，建議選擇150A電流等級的IGBT。 （3）IGBT開關參數(shù)的選擇 變頻器的開關頻率一般小于10kHZ，而在實際工作的過程中，IGBT的通態(tài)損耗所占比重比較大，建議選擇低通態(tài)型IGBT。 （4）影響IGBT可靠性因素 （1）柵電壓 IGBT工作時，必須有正向柵電壓，常用的柵驅動電壓值為15～187，最高用到20V， 而棚電壓與柵極電阻Rg有很大關系，在設計IGBT驅動電路時， 參考IGBT Datasheet中的額定Rg值，設計合適驅動參數(shù)，保證合理正向柵電壓。因為IGBT的工作狀態(tài)與正向棚電壓有很大關系，正向柵電壓越高，開通損耗越小，正向壓降也咯小。 在橋式電路和大功率應用情況下，為了避免干擾，在IGBT關斷時，柵極加負電壓，一般在-5- 15V，保證IGBT的關斷，避免Miller效應影響。 （2）Miller效應 為了降低Miller效應的影響，在IGBT柵驅動電路中采用改進措施： (1)開通和關斷采用不同柵電阻Rg,ON和Rg,off，確保IGBT的有效開通和關斷; (2)柵源間加電容c，對Miller效應產生的電壓進行能量泄放; (3)關斷時加負柵壓。在實際設計中，采用三者合理組合，對改進Mille r效應的效果更佳。 7.IGBT的應用 （IGBT最主要的作用就是高壓直流轉交流，以及變頻） 1、新能源汽車
IGBT是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件，在電動汽車中發(fā)揮著至關重要的作用，主要作用于電動車汽車的充電樁、電動控制系統(tǒng)以及車載空調控制系統(tǒng)。
（1）電動控制系統(tǒng)
作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆變后汽車電機的驅動；
（2）車載空調控制系統(tǒng)
作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆變；
（3）充電樁
智能充電樁中被作為開關元件使用； 2、智能電網(wǎng)
智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端均需使用IGBT。
（1）發(fā)電端
風力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需使用IGBT。
（2）輸電端
特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術需大量使用IGBT。
（3）變電端
IGBT是電力電子變壓器的關鍵器件。
（4）用電端
家用白電、 微波爐、LED照明驅動等都對IGBT有大量的需求。 3、軌道交通
眾所周知，交流傳動技術是現(xiàn)代軌道交通的核心技術之一，在交流傳動系統(tǒng)中牽引變流器是關鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一，可以說該器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。 車載IGBT的模塊封裝與流程 近些年，電動汽車的蓬勃發(fā)展帶動了功率模塊封裝技術的更新迭代。目前電動汽車主逆變器功率半導體技術，代表著中等功率模塊技術的先進水平，高可靠性、高功率密度并且要求成本競爭力是其首先需要滿足的要求。

功率器件模塊封裝結構演進趨勢 ?

IGBT作為重要的電力電子的核心器件，其可靠性是決定整個裝置安全運行的最重要因素。由于IGBT采取了疊層封裝技術，該技術不但提高了封裝密度，同時也縮短了芯片之間導線的互連長度，從而提高了器件的運行速率。傳統(tǒng)Si基功率模塊封裝存在寄生參數(shù)過高，散熱效率差的問題，這主要是由于傳統(tǒng)封裝采用了引線鍵合和單邊散熱技術，針對這兩大問題，SiC功率模塊封裝在結構上采用了無引線互連（wireless interconnection）和雙面散熱（double-side cooling）技術，同時選用了導熱系數(shù)更好的襯底材料，并嘗試在模塊結構中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅動電路等，研發(fā)出了多種不同的模塊封裝技術。

直接導線鍵合結構（DLB）

直接導線鍵合結構最大的特點就是利用焊料，將銅導線與芯片表面直接連接在一起，相對引線鍵合技術，該技術使用的銅導線可有效降低寄生電感，同時由于銅導線與芯片表面互連面積大，還可以提高互連可靠性。三菱公司利用該結構開發(fā)的IGBT模塊，相比引線鍵合模塊內部電感降低至57%，內部引線電阻減小一半。

DLB結構

SKiN結構

SKiN模塊結構也是一種無引線鍵合的結構，它采用了雙層柔軟的印刷線路板同時用于連接MOSFET和用作電流通路。

SKiN結構 2.5D和3D模塊封裝結構

為進一步降低寄生效應，使用多層襯底的2.5D和3D模塊封裝結構被開發(fā)出來用于功率芯片之間或者功率芯片與驅動電路之間的互連。在2.5D結構中，不同的功率芯片被焊接在同一塊襯底上，而芯片間的互連通過增加的一層轉接板中的金屬連線實現(xiàn)，轉接板與功率芯片靠得很近，需要使用耐高溫的材料，低溫共燒陶瓷（LTCC）轉接板常被用于該結構，下圖為一種2.5D模塊封裝結構。

2.5D模塊封裝結構 而在3D模塊封裝結構中，兩塊功率芯片或者功率芯片和驅動電路通過金屬通孔或凸塊實現(xiàn)垂直互連，下圖是一種利用緊壓工藝（Press-Pack）實現(xiàn)的3D模塊封裝，這種緊壓工藝采用直接接觸的方式而不是引線鍵合或者焊接方式實現(xiàn)金屬和芯片間的互連，該結構包含3層導電導熱的平板，平板間放置功率芯片，平板的尺寸由互連的芯片尺寸以及芯片表面需要互連的版圖結構確定，整個結構的厚度一般小于5mm。

采用緊壓工藝的3D模塊封裝結構 下圖是另一種3D模塊封裝結構，該結構通過低溫共燒陶瓷工藝，實現(xiàn)了功率芯片和驅動電路的垂直互連，該結構還可以方便地將被動元件集成在低溫共燒陶瓷襯底上。

? ? IGBT模塊封裝流程簡介 ? 1、絲網(wǎng)印刷：將錫膏按設定圖形印刷于散熱底板和DBC銅板表面，為自動貼片做好前期準備 印刷效果； 2、自動貼片：將IGBT芯片與FRED芯片貼裝于DBC印刷錫膏表面； 3、真空回流焊接：將完成貼片的DBC半成品置于真空爐內，進行回流焊接； 4、超聲波清洗：通過清洗劑對焊接完成后的DBC半成品進行清洗，以保證IGBT芯片表面潔凈度滿足鍵合打線要求； 5、X-RAY缺陷檢測：通過X光檢測篩選出空洞大小符合標準的半成品，防止不良品流入下一道工序； 6、自動鍵合：通過鍵合打線，將各個IGBT芯片或DBC間連結起來，形成完整的電路結構； 7、激光打標：對模塊殼體表面進行激光打標，標明產品型號、日期等信息； 8、殼體塑封：對殼體進行點膠并加裝底板，起到粘合底板的作用； 9、功率端子鍵合 10、殼體灌膠與固化：對殼體內部進行加注A、B膠并抽真空，高溫固化 ，達到絕緣保護作用； 11、封裝、端子成形：對產品進行加裝頂蓋并對端子進行折彎成形； 12、功能測試：對成形后產品進行高低溫沖擊檢驗、老化檢驗后，測試IGBT靜態(tài)參數(shù)、動態(tài)參數(shù)以符合出廠標準 IGBT 模塊成品。 功率半導體模塊封裝是其加工過程中一個非常關鍵的環(huán)節(jié)，它關系到功率半導體器件是否能形成更高的功率密度，能否適用于更高的溫度、擁有更高的可用性、可靠性，更好地適應惡劣環(huán)境。功率半導體器件的封裝技術特點為：設計緊湊可靠、輸出功率大。其中的關鍵是使硅片與散熱器之間的熱阻達到最小，同樣使模塊輸人輸出接線端子之間的接觸阻抗最低。 IGBT在汽車領域的應用 當前的新能源車的模塊系統(tǒng)由很多部分組成，如電池、VCU、BSM、電機等，但是這些都是發(fā)展比較成熟的產品，國內外的模塊廠商已經(jīng)開發(fā)了很多，但是有一個模塊需要引起行業(yè)內的重視，那就是電機驅動部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管芯片）。作為電力電子行業(yè)里的“CPU”，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是國際上公認的電子革命中最具代表性的產品。將多個IGBT芯片集成封裝在一起形成IGBT模塊，其功率更大、散熱能力更強，在新能源汽車領域發(fā)揮著極為重要的功用和影響。 ? 01什么是“三電系統(tǒng)”和“電驅系統(tǒng)”？

三電系統(tǒng)，即動力電池（簡稱電池）、驅動電機（簡稱電機）、電機控制器（簡稱電控），也被人們成為三大件，加起來約占新能源車總成本的70%以上，是決定整車運動性能核心的組件。

電驅系統(tǒng)，我們一般簡單把電機、電控、減速器，合稱為電驅系統(tǒng)。

但嚴格定義上講，根據(jù)進精電動招股說明書，電驅動系統(tǒng)包括三大總成：驅動電機總成（將動力電池的電能轉化為旋轉的機械能，是輸出動力的來源）、控制器總成（基于功率半導體的硬件及軟件設計，對驅動電機的工作狀態(tài)進行實時控制，并持續(xù)豐富其他控制功能）、傳動總成（通過齒輪組降低輸出轉速提高輸出扭矩，以保證電驅動系統(tǒng)持續(xù)運行在高效區(qū)間）。

圖：電驅系統(tǒng)示意圖

電驅系統(tǒng)工作：在駕駛新能源汽車時，電機控制器把動力電池放出的直流電（DC）變?yōu)榻涣麟姡ˋC）（這個過程即逆變），讓驅動電機工作，電機將電能轉換成機械能，再通過傳動系統(tǒng)（主要是減速器）讓汽車的輪子跑起來。反過來，把車輪的機械能轉換存儲到電池的過程就是動能回收。電驅系統(tǒng)工作示意圖如下：

02、IGBT模塊究竟如何工作？

IGBT模塊的標準封裝形式是一個扁平的類長方體，下圖為HP1模塊的正上方視角，最外面白色的都是塑料外殼，底部是導熱散熱的金屬底板（一般是銅材料）。可以看到模塊外面還有非常多的端子和引腳，各自有自己的作用：

圖：HP1模塊等效電路圖

圖：HP1模塊等效電路圖

在電控模塊中，IGBT模塊是逆變器的最核心部件，總結其工作原理：

通過非通即斷的半導體特性，不考慮過渡過程和寄生效應，我們將單個IGBT芯片看做一個理想的開關。我們在模塊內部搭建起若干個IGBT芯片單元的并串聯(lián)結構，當直流電通過模塊時，通過不同開關組合的快速開斷，來改變電流的流出方向和頻率，從而輸出得到我們想要的交流電。

03、IGBT模塊的生產流程

IGBT行業(yè)的門檻非常高。除了芯片的設計和生產，IGBT模塊封裝測試的開發(fā)和生產等環(huán)節(jié)同樣有著非常高的技術要求和工藝要求。

圖：IGBT標準封裝結構橫切面

如上圖所示，可以看到IGBT模塊橫切面的界面，目前殼封工藝的模塊基本結構都相差不大。IGBT模塊封裝的流程大致如下：

貼片→真空回流焊接→超聲波清洗→X-ray缺陷檢測→引線鍵合→靜態(tài)測試→二次焊接→殼體灌膠與固化→端子成形→功能測試（動態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試）

貼片，首先將IGBT wafer上的每一個die貼片到DBC上。DBC是覆銅陶瓷基板，中間是陶瓷，雙面覆銅，DBC類似PCB起到導電和電氣隔離等作用，常用的陶瓷絕緣材料為氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）；

真空焊接，貼片后通過真空焊接將die與DBC固定，一般焊料是錫片或錫膏；

X-ray空洞檢測，需要檢測在敢接過程中出現(xiàn)的氣泡情況，即空洞，空洞的存在將會嚴重影響器件的熱阻和散熱效率，以致出現(xiàn)過溫、燒壞、爆炸等問題。一般汽車IGBT模塊要求空洞率低于1%；

接下來是wire bonding工藝，用金屬線將die和DBC鍵合，使用最多的是鋁線，其他常用的包括銅線、銅帶、鋁帶；

中間會有一系列的外觀檢測、靜態(tài)測試，過程中有問題的模塊直接報廢；

重復以上工序將DBC焊接和鍵合到銅底板上，然后是灌膠、封殼、激光打碼等工序；

出廠前會做最后的功能測試，包括電氣性能的動態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試等等。

04、常見的汽車IGBT模塊封裝類型有哪些？

Econodual系列半橋封裝，應用在商用車上為主，主要規(guī)格為1200V/450A，1200V/600A等；

HP1全橋封裝，主要用在中小功率車型上，包括部分A級車、絕大部分的A0、A00車，峰值功率一般在70kW以內，型號以650V400A為主，其他規(guī)格如750V300A、750V400A、750V550A等；

HPD全橋封裝，中大功率型車上使用，大部分A級車及以上，以750V820A的規(guī)格占據(jù)市場主流，其他規(guī)格如750V550A等；

DC6全橋封裝，基于UVW三相全橋的整體式封裝方案，具備封裝緊湊，功率密度高，散熱性能好等特點；

TO247單管并聯(lián)，市場上也有少量使用TO247單管封裝的電控系統(tǒng)方案。使用單管并聯(lián)方案的優(yōu)勢主要有兩點：①單管方案可以實現(xiàn)靈活的線路設計，需要多大的電流就用相應的單管并聯(lián)就好了，所以成本也有一定優(yōu)勢；②寄生電感問題比IGBT模塊好解決。但是使用單管并聯(lián)也存在一些待解決的難點：①每個并聯(lián)單管之間均流和平衡比較困難，一致性比較難得到保障，例如實現(xiàn)同時的開斷，相同的電流、溫度等；②客戶的系統(tǒng)設計、工藝難度非常大；③接口比較多，對產線的要求很高。

05、中國汽車IGBT市場情況

隨著國內新能源汽車產業(yè)的快速發(fā)展，產業(yè)鏈上游大有逐步完成國產替代，甚至引領世界的趨勢，諸如整車品牌、動力電池、電池材料等等已經(jīng)走得比較靠前。而汽車電控IGBT模塊是新能源汽車最核心的功率器件，之前一直被諸如英飛凌、安森美、賽米控、三菱電機等國外供應商壟斷，但隨著比亞迪半導體、斯達半導、中車時代、士蘭微、翠展微等國內供應商的崛起，目前在一定程度上已經(jīng)能夠滿足國產需求，相信在不久的將來，國內汽車半導體企業(yè)會更大更強！

圖：汽車電控IGBT模塊市場情況

06、主要汽車IGBT模塊供應商介紹

英飛凌

英飛凌科技公司于1999年4月1日在德國慕尼黑正式成立，是全球領先的半導體公司之一。其前身是西門子集團的半導體部門，于1999年獨立，2000年上市。英飛凌的業(yè)務遍及全球，在全球共有56家研發(fā)機構和20家生產工廠。

主營產品：

微控制器、智能傳感器、射頻收發(fā)IC、雷達、分立式和集成式功率半導體、充電模塊、充電器、控制器、DCDC、IGBT、智能網(wǎng)聯(lián)處理器、網(wǎng)關芯片、AI芯片

配套客戶：

豐田汽車、大陸電子、大眾汽車、日立電線、寶馬、奧迪等

比亞迪半導體

比亞迪半導體股份有限公司是國內領先的半導體企業(yè)，成立于2004年10月15日，主要從事功率半導體、智能控制IC、智能傳感器、光電半導體，半導體制造及服務，覆蓋了對光、電、磁等信號的感應、處理及控制，產品廣泛應用于汽車、能源、工業(yè)和消費電子等領域，具有廣闊的市場前景。比亞迪半導體矢志成為高效、智能、集成的新型半導體供應商。

主營產品：

電源管理芯片、功率MOSFET、LED驅動芯片、電量計、復位芯片、IGBT芯片及模組、智能功率模塊及IGBT智能驅動模塊、CMOS圖像傳感器、音頻功放、消噪IC、筆記本觸控面板、觸摸控制芯片、TVS管和電流傳感器、攝像頭

配套客戶：

比亞迪，小鵬G3等

斯達半導

嘉興斯達半導體股份有限公司成立于2005年4月，是一家專業(yè)從事功率半導體芯片和模塊尤其是IGBT芯片和模塊研發(fā)、生產和銷售服務的國家級高新技術企業(yè)。公司總部位于浙江嘉興，在上海和歐洲均設有子公司，并在國內和歐洲設有研發(fā)中心，是目前國內IGBT領域的領軍企業(yè)。

主營產品：

IGBT模塊、MOSFET模塊

配套客戶：

英威騰電氣、匯川技術、巨一動力、電驅動

間接配套：

宇通、比亞迪、上汽、小鵬等

瑞薩電子Renesas

瑞薩電子株式會社，是全球無線網(wǎng)絡、汽車、消費與工業(yè)市場設計制造嵌入式半導體的全球領先供應商，產品包括微控制器、SoC解決方案和各種模擬與功率器件。現(xiàn)在的瑞薩電子，是由NEC、三菱半導體、日立半導體，三大巨頭構成的。2003年4月1日由日立制作所半導體部門和三菱電機半導體部門合并成立了瑞薩科技，NEC電子和瑞薩科技于2010年4月合并，由此誕生了瑞薩電子。

主營產品：

微控制器、微處理器、傳感器、模擬功率器件、SoC產品、AI芯片、電源管理、電池管理、抬頭顯示、網(wǎng)關芯片

配套客戶：

豐田、日產、奧迪、鈴木、博世、愛信精機、德爾福、Ryosan

日本電裝

日本電裝公司(DENSO股份有限公司）成立于1949年12月16日，是世界汽車系統(tǒng)零部件的頂級供應商，目前共擁有198家公司(日本63、北美21、歐洲27、亞洲80、其他7)。

主營產品：

動力傳動系統(tǒng)產品（如噴油器、燃油泵、ECU等）、空調相關產品（如空調單元、壓縮機、冷凝器等）、車身相關產品（如雨刮系統(tǒng)，儀表等）、駕駛安全相關產品（如安全氣囊ECU，毫米波雷達等）、信息通信產品（如車載導航等）、汽車后市場產品（如火花塞、雨刮片等）以及機械手、掃碼器等其他領域產品、IGBT，OTA方案、W-HUD、中控儀表、車載DMS系統(tǒng)、T-Box、智能座艙、導航影音一體機/車機、液晶儀表、安全帶提醒器（SBR）、座椅電機、域控制器、W-BMS業(yè)務

配套客戶：

豐田/馬自達（WHUD）、本田、日產、廣汽傳祺GA6等

富士電機

富士電機控股公司FUJI ELECTRIC HOLDINGS CO., LTD.成立于成立時間：1923年8月29日，富士電機是古河電器工業(yè)與德國西門子以資本技術資本合作成立的公司。產品涵蓋電機系統(tǒng)、電子設備、零售終端設備、半導體、發(fā)電設備、能源管理等。

主營產品：

IGBT系統(tǒng)（剎車輔助、轉向輔助、新能源電機控制器上的部件）

配套客戶：

蘇州匯川

三菱電機

三菱電機株式會社，是三菱MITSUBISHI財團之一，全球500強。公司成立于1921年1月15日，當時三菱造船公司（現(xiàn)在的三菱重工業(yè)株式會社）將日本神戶的一家工廠脫離出去，組建了一家名為三菱電機株式會社的新公司，專門為遠洋船舶制造電機。目前三菱業(yè)務范圍包括重電系統(tǒng)、工業(yè)自動化系統(tǒng)、信息通訊系統(tǒng)、電子元器件、家用電器等。

主營產品：

變壓器、高壓開關、IGBT、LED顯示系統(tǒng)、功率器件、光器件和光模塊、微波和射頻器件、液晶顯示屏

中車時代

株洲中車時代電氣股份有限公司（下稱中車時代電氣）是中國中車旗下股份制企業(yè)，其前身及母公司——中車株洲電力機車研究所有限公司創(chuàng)立于1959年。中車時代電氣秉承“雙高雙效”高速牽引管理模式，堅持“同心多元化”發(fā)展戰(zhàn)略，圍繞技術與市場，形成了“基礎器件+裝置與系統(tǒng)+整機與工程”的完整產業(yè)鏈結構，產業(yè)涉及高鐵、機車、城軌、軌道工程機械、通信信號、大功率半導體、傳感器、海工裝備、新能源汽車、環(huán)保、通用變頻器等多個領域，業(yè)務遍及全球20多個國家和地區(qū)。

主營產品：

大功率半導體產業(yè)（IGBT、雙極器件、功率組件）、新能源乘用車電驅動系統(tǒng)

配套客戶：

長安汽車、一汽集團、江鈴集團

翠展微電子

浙江翠展微電子有限公司是車規(guī)級IGBT模塊設計生產供應商，成立于2018年,公司總部及生產基地位于浙江省嘉興市，同時在上海、蘇州、合肥、天津、重慶、深圳設立子（分）公司。公司是國內為數(shù)不多的汽車電控IGBT模塊量產供應商，位于嘉善的IGBT模塊產線已經(jīng)通過IATF 16949質量認證體系認證，公司產品的性能和生產良率處于國內領先水平，并已經(jīng)批量給多個汽車客戶供應自主IGBT模塊。

主營產品：

汽車主電控IGBT模塊、定制一體化IGBT模塊、SIC模塊，工業(yè)IGBT模塊，PIR芯片、TO247單管，汽車底層軟件服務、電機控制方案、軟件開發(fā)工具鏈等。

配套客戶：

公司的客戶有上汽集團，比亞迪，江淮汽車，吉利汽車，長城汽車，奇瑞汽車，滴滴，蔚來汽車，小鵬汽車，威馬汽車，北汽新能源，上海電氣，昌輝汽車，鴻創(chuàng)新能源，華人運通，株洲中車時代，德歐科技、日虹科技、深川變頻、廊坊科森等業(yè)內知名企業(yè)。

賽米控

賽米控是全球領先的功率模塊和系統(tǒng)制造商之一,產品主要涉及中等功率輸出范圍(約2 kW至10 MW)。我們的產品是現(xiàn)代節(jié)能型電機驅動器和工業(yè)自動化系統(tǒng)中的核心器件

主營產品：

IGBT模塊、SiC（全碳化硅功率模塊、混合碳化硅功率模塊）、分立元件（芯片、二極管、晶閘管）、MOSFET模塊、晶閘管/二極管模塊、橋式整流器模塊、IPM、IGBT驅動、熱界面材料等

配套客戶：

LG

安森美

安森美半導體(ON Semiconductor)是應用于高能效電子產品的首要高性能硅方案供應商。公司的產品系列包括電源和信號管理、邏輯、分立及定制器件，幫助客戶解決他們在汽車、通信、計算機、消費電子、工業(yè)、LED照明、醫(yī)療、軍事/航空及電源應用的獨特設計挑戰(zhàn)，既快速又符合高性價比。

主營產品：

1.汽車功能電氣化-全新IGBT及碳化硅(SiC)模塊方案

2.汽車功能電氣化- SiC MOSFET及門極驅動器方案

3.汽車功能電氣化-智能功率模塊(IPM)方案

4.汽車功能電氣化-中壓功率MOSFET分立器件和模塊

5.先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)及自動駕駛方案-圖像傳感器

6.智能駕駛艙方案-圖像傳感器

配套客戶：

通用、福特等各大主機廠

羅姆半導體

羅姆半導體（上海）有限公司ROHM(羅姆)成立于1958年，是全球知名的半導體廠商。

主營產品：

存儲器、放大器/比較器、電源管理、時鐘/計時器、開關/多路轉換器/邏輯、數(shù)據(jù)轉換器、傳感器/MEMS、顯示用驅動器、電機/執(zhí)行機構驅動器、接口、通信LSI(LAPIS)、音頻/視頻、MOSFET、雙極晶體管、二極管、功率晶體管、功率二極管SiC（碳化硅）功率元器件、IGBT、智能功率模塊、電阻器、導電性高分子電容器、鉭電容器、貼片LED、LED顯示器、激光二極管、光學傳感器、無線通信模塊熱敏打印頭、薄膜壓電MEMS、晶圓(LAPIS)、WL-CSP(LAPIS)

配套客戶：

國內主機廠、日系、德系等車企

宏微科技

江蘇宏微科技股份有限公司是由一批長期在國內外從事電力電子產品研發(fā)和生產，具有多種專項技術的科技人員組建的國家重點高新技術企業(yè)。是國家高技術產業(yè)化示范工程基地，國家IGBT和FRED標準起草單位；江蘇省新型高頻電力半導體器件工程技術研究中心等。

主營產品：

快恢復二極管芯片、分立器件（IGBT分立器件、MOSFET分立器件、FRED分立器件）、功率模塊（IGBT模塊、快恢復二極管模塊、整流二極管模塊、晶閘管模塊、整流橋模塊），電源模組（新能源大巴空調控制器、車載DCDC、預充單元PTC控制器、車載逆變器、風機調速模塊）等

配套客戶：

匯川、英威騰、藍海華騰、科陸電子、合康變頻等變頻器廠家；

佳士、凱爾達、奧太、時代、滬工等電焊廠家；

海爾、美的、長虹、創(chuàng)維等家用電器廠家；

陽光、兆伏、山億等新能源廠家；

臺達、新譽、康丘樂等軌道交通電動汽車控制器廠家；

科華、志成冠軍、易思特等UPS廠家

意法半導體

意法半導體（中國）投資有限公司1987年，兩家歷史悠久的半導體公司-意大利SGS Microelettronica和法國湯姆遜半導體公司（Thomson Semiconducteurs）-合并成立了今天的意法半導體公司，1994年起成為上市公司。意法半導體擁有豐富的芯片制造工藝，包括先進的FD-SOI（全耗盡絕緣體上硅）、CMOS（互補金屬氧化物半導體）、混合信號、模擬和電源制造工藝，是國際半導體開發(fā)聯(lián)盟（ISDA）開發(fā)下一代CMOS技術的合作企業(yè)之一。

主營產品：

半導體解決方案、集成電路、毫米波雷達、網(wǎng)關芯片、IGBT

配套客戶：

特斯拉

中科君芯

江蘇中科君芯科技有限公司是一家專注于IGBT、FRD等新型電力電子芯片研發(fā)的中外合資高科技企業(yè)。公司成立于2011年底，依托中國科學院的科研團隊和研發(fā)平臺，結合海內外的技術精英以及專業(yè)的市場管理團隊共同組建而成。

主營產品：

IGBT芯片、IGBT單管、IGBT模塊、FRD單管、FRD芯片、FRD模塊

配套客戶：

上海華虹宏力

華微電子

吉林華微電子股份有限公司是集功率半導體器件設計研發(fā)、芯片加工、封裝測試及產品營銷為一體的國家級高新技術企業(yè)，公司經(jīng)科技部、中科院等國家機構認證。目前公司已形成IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等為營銷主線的系列產品，產品種類基本覆蓋功率半導體器件全部范圍，廣泛應用于汽車電子、電力電子、光伏逆變、工業(yè)控制與LED照明等領域，并不斷在新能源汽車、光伏、變頻等戰(zhàn)略性新興領域快速拓展。

主營產品：

功率半導體器件設計研發(fā)、芯片加工、封裝測試（IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等）

配套客戶：

歐普照明、松下電器、長城、LG

東芝

東芝電子元件（上海）有限公司提供各種車載半導體器件，有提高駕駛安全性的車載圖像識別處理器，有針對新能源汽車的變頻器控制方案，相關電機驅動器和功率器件，以及車載信息娛樂解決方案等。

主營產品：

新能源車用光耦隔離器件TLX系列、ADAS用最新圖像識別芯片Visconti4、新能源車用IGBT芯片、冷卻水泵控制芯片、無刷EPS電機驅動芯片與MOSFET、新能源車冷卻水閥驅動芯片等

配套客戶：

日系主機廠、自主品牌主機廠、合資品牌主機廠

2023年2月IGBT專家會議紀要問答環(huán)節(jié)：

Q：怎么看國產替代

是一個必然趨勢，現(xiàn)在中美關系下大家都會做國產備份，這幾年在我們產品還是有優(yōu)勢的情況下，我們還是給國內OEM帶來先進的方向，未來即使他們選擇國產的，也是一個正向引導。國內有幾個IGBT廠商做的還是不錯的，我比較推崇的是中車，他產品是不錯的，但產能還不太足，而且做了很多國內的合資可能會成為拖累。斯達和士蘭微的口號很響，但性能的穩(wěn)定性和產品一致性上，還是有一定差距的，我們也做過對比，中車的東西確實讓我們看到了追趕的腳步，其他廠商還是差一些的。

Q：汽車這種可靠性為主的領域，產品價格波動會是什么幅度？

今年IGBT和碳化硅產品線上，我們看不到太多降價的方向。去年看EA德國展上，我們公司和很多外資公司都參加了，給我們的感受是非常清晰的，海外車廠是非常想快速進入新能源賽道的，速度會比我們想象要快。我們之前全世界大部分新能源車產能是在中國的，但國外賽道現(xiàn)在也啟動了，由主機廠牽頭的IGBT和碳化硅的需求量級是非常大的，一個進來，一年的需求就頂?shù)蒙蠂鴥葍扇齻€車廠的需求。國內車廠有降價的需求，也打著國產的旗號進行價格磋商，但我們在國外可以很輕易銷售出去，我們在國內IGBT是保持比較一致的方式，只要你和我前長期合同，我們都是按量來匘配價格的，國外想快速進入，短期的采購行為已經(jīng)影響到國內的價格。我們之前考慮過全球可能新能源增速在放緩，中國去年11-12月比較明顯，現(xiàn)在也感受到國內增速確實有可能減緩的，但也不敢確定，現(xiàn)在國內是說850萬新能源車產銷，去年是650萬輛，增長20%多，我們看海外增速+國內增速，以及我們的產能看，降價的可能性不大，還是會和國產的保持一定價差。但也不會漲價。

Q：現(xiàn)在IGBT有沒有緊缺？

目前我認為IGBT是比較穩(wěn)定的，1月份產能都是出乎大家意料的，很多廠商是大幅縮減。

Q：車規(guī)級MOS缺貨的類型是哪些？價格如何？

MOS缺貨是持續(xù)了一年半以上時間了，它集中在40V及以上的全品類的MOS管，40/60/100/150V幾乎是全品類缺貨。很多A00級車是用的MOS，雖然很多是采用了國產的MOS管，但穩(wěn)定性還是有很大問題的，所以對海外廠商的MOS基本上是供不應求，大范圍缺。

Q：超潔在車的供應情況

也是生產多少就銷售多少，很多都是全球在搶，我們很多產能都是按國際買方訂單生產的。

Q：安世半導體的MOS在四季度是漲價的，現(xiàn)在趨勢如何？

我們也在漲價，每個季度都會有增長。

Q：混動車型的IGBT模塊用量是要比純電的多，是用在什么地方？

混動和純電的IGBT用量是一樣的，增程比如理想、嵐圖和馬上推出的問界，還有比亞迪的車型，增程這一塊是大家非常看好的，增程的產品定義是純電的，不是混動，只是增加了一個發(fā)電機，國內是用汽油發(fā)電機，這種增程式國家也不認可為新能源車。這一塊多在要有一個發(fā)電機，相當于增程式是2套電機的控制單元，而傳統(tǒng)的純電是單電機的。還有一些方式，比如前輪和后輪可以單獨有，這種電車也是用了2套。再看理想的增程式，也是四驅，相當于有3個電機。

Q：你們在碳化硅傾斜了很多資源，怎么看碳化硅和JBGT的布局？會不會IGBT盡量就退出部分市場，注重開發(fā)碳化硅？

碳化硅一定是未來，是行業(yè)一致認可的。IGBT我們和國內半導體公司性能差距是在縮減的，除非我們碳化硅產品一直無法退出，不得不繼續(xù)采用IGBT，只有這種情況下才會繼續(xù)研發(fā)下一代。我們看IGBT的研發(fā)已經(jīng)第七代了，不必繼續(xù)研發(fā)下一代了。和中國廠商刺刀見紅的可能性國際廠商是很少去做的。國際碳化硅主流玩家這兩年投資都是非常大的，和國內國產碳化硅廠商比，數(shù)字占比是要超過國內的，是國際廠商的押寶，都在賭未來三五年，碳化硅可以帶來足夠的利潤。

Q：國際廠商對未來的預測，碳化硅增速是非常大的，是基于什么原因？

要從碳化硅的特性，IGBT是傳統(tǒng)的MOS管加上三極管的放大，控制頻率是比較低效的，損耗比較大。碳化硅可以理解為高速MOS管，損耗是非常小的。大家都是做逆變，誰的頻率高，損耗小，體積有優(yōu)勢。全球汽車方向也是輕量化和小型化，這樣方向走下來還用傳統(tǒng)IGBT是達不到的，碳化硅是必然趨勢了。再加上碳化硅的襯底生產上我們有非常多前期積累，我們可以很快進入生產。

Q：你們手上是確實拿到了很多訂單嗎？是哪些客戶？

現(xiàn)在訂單主要是海外的，碳化硅國內也有，主要集中在OBC上，這一塊用碳化硅可以實現(xiàn)雙向，既可以給車供電，也可以反向對外輸出，主要一個OBC使用在國內是非常火的，帶動了單管碳化硅的使用。去年我們主要碳化硅收入是來自這一塊的。今年開始，我們看到模組類的碳化硅大規(guī)模使用，就是海外廠商，已經(jīng)進入量產節(jié)奏了。今年很多車型會逐步宣稱使用了碳化硅，但比例不會一下子達到非常高，國內真正推出碳化硅車型的寥寥無幾，下半年就會看到很多。

Q：是哪些品牌會推出碳化硅？

國內就是比亞迪漢和蔚來，小鵬G9很多還是沒有正式量產。今年開始我們拿到的車廠信息，吉利，長安，廣汽，北汽等很多都會推出碳化硅車型。Q3可能就會有一些車型面世。初期大家更多是觀望態(tài)度，國內需求不會太大，而且它想要的話也拿不到太多產能。國外去年有發(fā)布一些車型，今年是在走量了。

Q：怎么看超潔在OBC里的占比和競爭？

我不認為超潔的MOS會和大功率碳化硅形成直接競爭，MOS和碳化硅速度都是非常快的，IBGT不占優(yōu)勢。大多數(shù)車廠選擇都是240-320千瓦功率段使用碳化硅，畢竟太貴了，IGBT便宜很多，200千瓦以下，比如120-180，大家更多會使用IGBT，在70-120之間可能還會選擇單管IGBT。超潔可能在100千瓦以內的小功率范圍。他們變壓等級也不一樣，IGBT可以探到1200V，也是碳化硅的補充。除非碳化硅價格降下來，才可能在20萬元以下車型使用，也是價格的原因會導致一段時間的共存。

Q：現(xiàn)在大家都說充電樁的充電模塊有壁壘，這個東西和IGBT有關嗎？

充電樁大致是屬于工業(yè)領域，雖然是給車充電的，但國內充電樁機會都是采用的工業(yè)級產品。

Q：800V高壓平臺車型使用碳化硅，是不是充電樁也需要用碳化硅？

我認為是的，因為耐壓要提升上來，你要輸出800V的，IGBT可能不合適，碳化硅損耗會比較小。

Q：800V會不會存在很多充電樁用不了？

是的，現(xiàn)在只有一些快充站才可以充高壓，普通的就充不了。碳化硅在1200V高壓有優(yōu)勢，最大的制約一個是價格貴，第二是配套設斲還是需要社會有支撐。后面效應車型才會有比較快增長。800V車型也可以用普通充電樁，車載OBC就可以充，就是充的慢而已，享受不到快充。

Q：高壓充電樁會對地方電網(wǎng)有影響嗎？

所以必須要國網(wǎng)來在電網(wǎng)布局里規(guī)劃，你要是申請不到電力支持是做不了快充站的。比如這一批住宅區(qū)供電功率不大，快充對電力消化是非常大的，小區(qū)周邊就不合適。所以快充不會建在小區(qū)周邊。現(xiàn)在電網(wǎng)是不足以支撐密集的快充網(wǎng)點的。

Q：光儲充一體化的站和改造變壓器的成本怎么比？

不了解。

Q：碳化硅的需求是翻倍的，因為除了車的需求，充電樁也需要

快充一定是在碳化硅基礎上，或者1200V的IGBT但效率太低了。如果工作時間長，使用IGBT產品，消耗掉的能量會比較大。

Q：中車的IBGT比斯達要好，是車規(guī)級嗎？

是汽車級IGBT模塊，我沒有測過他們的碳化硅。汽車級明顯是中車好于斯達，是行業(yè)一致的。

編輯：黃飛

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