车规级IGBT的发展现状与趋势综述

袁博

（河南省社会科学院工业经济研究所，郑州 450000）

主题词：IGBT NEV 半导体 材料

1 IGBT相关概念综述

1.1 IGBT基本概念

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），是由MOS(金属氧化物半导体材料)和BJT(双级型三极管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体开关电路。通过IGBT实现电压切换，从而控制能源传输。IGBT结合了金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）和电力晶体管(Giant Transistor，GTR)的优点，即驱动功率小、压降低和载流密度小的特点，适合应用于交直流电机、变频器、开关电源和新能源汽车牵引传动等领域[1]。

1.2 IGBT的发展历史

20世纪50～60年代发展起来的双极性器件（SCR,GTR,GTO）,其由电流控制，通态电阻较小，但控制电路结构复杂且功耗大。70年代发展起来的单极性器件（VD-MOSFET），其由电压控制，控制电路结构简单且功耗小，但通态电阻较大，这两种功率控制器件都无法令人满意，于是业界开始寻求一种低功耗、低通态电阻、电路结构简单这三者兼具的半导体控制器件。80年代初由几位不同结构的不同研究者几乎同时分别提出了一种同时兼具三种特性的开关，电子元件电子器件工程联合委员会（Joint Electron Device Engineering Council）提出统一的名称Insulated Gate Bipolar Transistor（IGBT），直到1988年，工业和学术界才一致采用这一名称[2]。

IGBT吸收了之前单极性器件和双极型器件的优点，同时去除了缺陷，其通态电阻和工作频率位于两者之间，此外控制电路结构更加简单，功耗更小，是电器设备理想的功率控制器件，Xianjin Huang[3]认为IGBT经过30年的发展，性能得到了很大的提升，目前已经向市场推出了7代产品，2016年3月瑞萨电子宣布推出第8代IGBT产品，但由于尚处于研发和量产初期，稳定性还有待提高，需要时间进行完善和普及推广[3]。

2 车规级IGBT的发展现状综述

IGBT的特性使它几乎可以适用于任何电器产品上，同样可以应用于汽车的起动机、点火系统、照明及信号装置、仪表盘及报警装置以及空调、雨刷、电动车窗等辅助电气设备，但由于早期汽车的主要驱动来源是发动机，电气设备的使用比例不高，导致IGBT在燃油车时代的作用有限，地位不高，车规级IGBT产业发展相对缓慢，随着近年来新能源汽车数量的快速增多，作为新能源汽车核心部件之一的IGBT开始受到重视，同时车规级IGBT产业快速发展，已经成为了新能源汽车产业链上的重要一环。

2.1 车规级IGBT概念综述

车规级IGBT主要是指在电气化车辆种使用的IGBT，包括新能源汽车、轨道交通、电动摩托车、电动三轮车等，其中新能源汽车由于其结构复杂，价格较高，推广迅速，是目前车规级IGBT重点发展的领域，车规级IGBT是电机驱动的一部分，IGBT约占电机驱动系统成本的一半，而电机驱动系统占整车成本的15～20%，也就是说IGBT占整车成本的7～10%，是除电池之外成本第二高的元件，也决定了整车的能源效率。IGBT主要分为工业级、军用级、车规级三大类，其中工业级IGBT主要用于工业生产，军用级IGBT主要用于武器研制，车规级IGBT主要集中在各种民用车辆的使用方面，与百姓日常生活的关系最为密切，是目前最常见的IGBT。

车规级IGBT在新能源汽车中主要对驱动电机的性能和效率进行控制和管理，而在混合动力汽车中还需要对驱动电机和发动机进行动力和效能方面的匹配，使车辆在混合动力模式达到理想的行驶状态，由于新能源汽车的内部结构较其他电器产品更加复杂，对车规级IGBT各项指标的要求较其他电器产品更高，例如车规级IGBT的散热效率要求比工业级IGBT要高得多，逆变器内温度最高可达120℃，同时还要考虑强振动条件，车规级IGBT的性能指标远在工业级IGBT之上[4]。

2.2 车规级IGBT产业的发展现状

得益于新能源汽车和高速铁路产业的快速发展，车规级IGBT近年来保持快速发展的态势，2017年全球车规级IGBT市场规模达到52.55亿美元，同比增长16.5%，2018年达到58.36亿美元，同比增长11.1%，近两年的增长率都保持在10%以上，其中2017年英飞凌集团（Infineon）占全球市场份额的27.1%；三菱（Mitsubishi）市场占有率为16.4%；日本富士电机（Fuji Electric）市场占有率为10.7%，全球前五大生产商占据市场总量的67.5%，车规级IGBT产业呈现出企业高度集中的现状。

中国车规级IGBT产业也在同期快速发展，2010年中国IGBT功率电器模块产量为190万只，2018年增长至1 115万只。2017年市场规模达到132.5亿元，同比增长25.7%。2018年市场规模达161.9亿元，同比增长22.2%[5]。近两年的同期增长率均高于全球增长率，其中，2015年10月中国中车集团发布具有完全自主知识产权的6 500 V/200 A高压大功率IGBT模块，标志着中国高铁列车正式实现了车规级IGBT的完全自主研发[6]。2018年9月比亚迪汽车集团首次展示了其自主研发的车规级IGBT，成为中国第一家实现新能源汽车IGBT完全国产化的汽车企业[7]，这一突破对中国汽车行业具有重大意义，中国在大功率轨道交通和新能源汽车两大领域均实现了车规级IGBT的完全自主研发。

虽然中国车规级IGBT产业发展迅速，并且已经实现了完全国产化，但技术水平和在全球的整体市场占有率依然不高，与新能源整车制造的发展水平严重不符，需要进一步加大研发投入，追赶世界先进水平。

2.3 车规级IGBT的发展特点

全球车规级IGBT产业在高速发展的同时呈现出3大特点，主要表现在地区发展失衡、产品需求集中度高和新兴市场发展迅速。

2.3.1 行业集中度高，地区发展不平衡

纵观当今全球车规级IGBT产业发展格局，市场份额主要集中在德国、日本、美国等半导体产业发达国家的少数几家企业之中，由于车规级IGBT是技术密集型产品，进入产业的门槛较高，并且需要发达和成熟的本国汽车产业支撑，因此，在今后相当长的时期内，车规级IGBT产业的地域和企业分布不会出现重大改变和调整，基本保持现有格局。

2.3.2 产品类型需求集中度过高

早期的车规级IGBT主要应用在小型电动车辆上，随着高速铁路的快速发展，后来更多地应用在高铁列车上，随着近年来新能源汽车产业的迅猛发展，汽车已经成为车规级IGBT最主要的应有车辆类型，目前占据了90%以上的车规级IGBT市场份额，与此同时，高速铁路建设趋近于饱和，发展速度放缓，小型电动车辆的市场份额常年保持稳定，增长微弱，而随着新能源汽车数量的进一步增长，未来汽车市场对车规级IGBT的需求会更加旺盛，市场份额持续提高。

2.3.3 新兴市场发展迅速

虽然目前全球车规级IGBT产业的发展格局相对稳固，但是近年来以中国企业为代表的新兴市场的发展迅速，其中中车时代和比亚迪已经完全实现了整套车规级IGBT的自主研发和生产，而背后依托于中国蓬勃发展的高速铁路和新能源汽车产业，中国的车规级IGBT产业发展迅速，近两年的增长率大幅度领先全球整体表现，已经成为车规级IGBT发展最快的国家，除此之外，韩国、俄罗斯、加拿大等国同样快速发展，逐渐成为全球车规级IGBT产业不可或缺的组成部分。

3 车规级IGBT的发展趋势

IGBT虽然只有短短30年发展历史，但由于其技术含量高、用途广泛、实用性强，得以快速发展，车规级IGBT目前已经推出第8代产品，各项性能趋向于成熟，与此同时，对新能源汽车性能和续航的更高要求使其发展过程中逐渐开始遇到阻碍和瓶颈，新材料的出现和新能源汽车技术的革新成为车规级IGBT产业新的发展方向，促使相关企业加快技术的更新迭代，以保持其在产业内持续耐久的竞争力，近年来车规级IGBT产业在新材料、新技术、新结构等方面出现了以下3大发展趋势，即呈现出碳化硅材料、氮化镓材料同步发展和IGBT集成化发展趋势。

3.1 碳化硅（SiC）材料与IGBT同步发展

金刚砂又名碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅又称碳硅石，在大自然是罕见存在的矿物，称莫桑石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅是应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂[8]。

碳化硅相比硅基半导体主要有以下3个优势，即高性能、低损耗和低成本。高性能包括功率密度高、耐高温、高压、高频和高速。高功率密度则对于同样的电流，设备的尺寸可以做得更小，沟槽型的技术可以使失效率更低。频率提高，同时电容、电感体积的要求可大大减少，系统尺寸也会大大减少。由于高压和系统体积减少，能耗损失也减小。由于简化了控制和系统体积的减少，也降低了系统成本。碳化硅目前在高铁列车、电动汽车充电系统等需要1 200 V以上的高电压功率模块领域已经开始应用，并取得不错效果，很好地弥补了IGBT在大功率高电压方面的不足，碳化硅未来的发展方向是更低电压和更小功率的乘用车领域，可以将新能源汽车的效率至少提高10%以上，是IGBT的理想替代品[9]。

目前英飞凌、三菱、日立、中车时代等全球各大IGBT生产商都在积极研发新能源汽车的碳化硅（SiC）功率模块系统，但由于目前还处在早期开发阶段，碳化硅相比IGBT成本比较高，两者还将同步发展，较长时期内共存，目前已有厂商在研发SiC和IGBT混合材料的功率模块，既可以提高工作效率，同时可以降低量产难度和成本，不过碳化硅的高频、散热性能可以提高，电容电感尺寸要求可大大减少，因此可以降低系统的整体成本，相信在不远的将来，碳化硅（SiC）器件终将会取代IGBT，成为新能源汽车新一代功率模块[10]。

3.2 第三代半导体材料GaN快速发展

GaN即氮化镓，属第三代半导体材料，具有六角纤锌矿结构特征。王立[11]研究认为GaN具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，是目前工业领域最感兴趣的半导体材料之一。GaN基材料在高亮度蓝、绿、紫和白光二极管,蓝、紫色激光器以及抗辐射、高温大功率微波器件等领域有着广泛的应用潜力和良好的市场前景。

除了碳化硅（Sic）之外，GaN也是近年来快速发展的功率模块新型材料，基于GaN材料制成的晶体管是高频和超高效电源转换的核心，具有对比硅基半导体器件更卓越的性能，能够提供更高效，更紧凑的电源适配器设计。从技术角度看，氮化镓器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市场主流的硅基半导体器件均有显著数量级的提升。例如，相比主流的硅基MOSFET、IGBT，氮化镓器件的开关频率可以高出1 000倍；能量损耗可以降低50%～90%;每瓦尺寸和重量降至原先的1/4，系统成本可以大幅降低[12]。

尽管性能优势明显，应用前景广阔，而且近两年相关行业巨头也纷纷增加对氯化钾器件的研发和商业化进行了投入，但是由于目前技术不够成熟，研发成本和量产难度较高，目前全球范围内能将氯化钾晶体管器件推进到商业化规模化量产的公司仍然屈指可数，仅包括EPC，英飞凌，Transphorm等，不过相信在不久的将来，GaN和SiC一样成为新一代功率模块的核心材料[13]。

3.3 集成式车规级IGBT模块

近年来轮毂电机的研发成为新能源汽车电机系统未来的主要发展方向之一，轮毂电机是指驱动电机直接放置在车辆的轮毂内，不再放置于车身当中，电机输出的动力直接传送给轮胎，驱动车辆行驶，轮毂电机极大地提高了电机输出效率，最大程度地降低了能量损耗和简化了新能源汽车的内部结构，是未来电机系统的理想发展方向，目前全球各大主要新能源汽车和电机生产企业都在积极研发轮毂电机，作为驱动电机核心部件的IGBT，在结构、体积、性能等方面都要根据轮毂电机进行相应的调整和优化。

车规级IGBT在未来轮毂电机中最主要的变化是提高集成度，由于轮毂电机放置在汽车各个轮毂内，各自独立工作，所以需要多个车规级IGBT模块单独控制，而轮毂内的空间相对于车身更小，车规级IGBT模块能够放置在有限的空间内，需要其结构更加紧凑、体积更小、重量更轻，同时由于放置在轮毂内，抗震性和稳定性方面的标准也大大提高，需要高度集成化的车规级IGBT设计。

目前全球各大IGBT生产商正在研发轮毂电机专用IGBT，其中新能源客车生产企业宇通、比亚迪等已经开始在其量产产品上使用轮边电机，并为电机系统开发专用的车规级IGBT，在轮毂电机量产普及之后，新一代高集成车规级IGBT将大量投入市场。

4 结语

IGBT是能源变换与传输的核心器件，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广，与之相关的产业同样关乎国计民生，产业的发展趋势同样深刻影响着国民经济的发展，中国目前虽仍然需要大量进口车规级IGBT，但同时自主IGBT产业也在快速发展。相信在不远的未来，借助车规级IGBT产业的崛起，中国会从新能源汽车大国成为新能源汽车强国。