本帖最后由 深圳美思星凌霄 于 2023-10-16 11:50 编辑
一、IGBT的应用
IGBT能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，实现精准调控的目的，被广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域。 按电压分布来看，消费电子领域所用的IGBT产品主要集中在600V以下，新能源汽车常用IGBT产品电压为600-1200V，动车组常用的IGBT模块为3300V和6500V，轨道交通所使用的IGBT电压在1700V-6500V之间；智能电网使用的IGBT通常为3300V。 数据显示，从中国市场来看新能源汽车相关领域是IGBT最大应用领域，市场占比达31%，其次为消费电子、工业控制及新能源发电等。 中国新能源汽车市场自2015年超越美国成为世界第一大新能源汽车市场，是全球新能源汽车市场迅猛增长的主要驱动力。电力电子技术在新能源汽车中应用广泛，是汽车动力总成系统高效、快速、稳定、安全能量变换的基础。新能源汽车中DC/DC拓扑主要应用于车载充电器，AC/DC拓扑主要应用于充电桩，DC/AC拓扑则主要应用于电机控制器。电机控制器用于实现大功率直流/交流变换之后驱动电动机，还可用于捕获再生制动能量并回馈给电池组，是新能源汽车的“心脏”，决定了汽车的功能安全性，高速平稳性和绿色舒适性。 图-1：新能源汽车 由于新能源汽车对续航里程的高需求，使得电能管理需求更精细化。这些对绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transister ,IGBT）、MOSFET、二极管等功率分立器件的需求远高于传统汽车，在新能源汽车中功率半导体占了整车半导体的55%左右。 功率半导体器件作为电能转换、驱动、控制等电力电子装置的基础和核心，是推动电力电子系统转换效率、功率密度、体积重量等方面优化的关键因素之一。 下面以特斯拉来看看功率半导体IGBT的分布，下图是Model3底盘，其中红色为后置发动机，绿色为前置发动机。机舱地板下方是四个电池组。逆变器（蓝色）集成在电机外壳中，并与其共享冷却回路。逆变器将电池的直流电转换为电机交流电，也是IGBT模组安装的地方。 图-2：特斯拉Model3底盘
将特斯拉动力系统单独拆解来看,下图是特斯拉动力装置： 图-3：特斯拉动力装置
动力装置爆炸拆解图，其中包括电机（定子和转子），传动部分（齿轮），和控制部分（逆变器） 图-4：动力装置拆解图
从另一个方向来看动力装置拆解 图-5：动力装置拆解图转向
下图是传动部分局部细节图 图-6：传动部分局部细节图
下面这张图就是本文要讲解的重点了——逆变器！也就是功率器件IGBT安装的位置:
图-7：逆变器
新一代的特斯拉MODEL 3 IGBT功率器件如下图所示：
图-8：新一代的特斯拉MODEL 3 IGBT功率器件
二、IGBT基础知识
1946年1月，远在太平洋彼岸的美国BELL实验室正式成立了一个半导体研究小组，小组内有3名核心成员，分别是Schokley、Bardeen和Brattain，俗称“晶体管三剑客”。 三剑客有自己的研究优势，Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。 在三剑客成立的次年，1947年巴丁(Bardeen)和布莱登(Brattain)发明了点接触(point‒contact)晶体管。接着在1949年肖克莱(Shockley)发表了关于p‒n结和双极型晶体管的经典论文。有史以来的第一个晶体管中，在三角形石英晶体底部的两个点接触是由相隔50μm的金箔线压到半导体表面做成的，所用的半导体材料为锗；当一个接触正偏(forward biased，即对于第三个端点加正电压)，而另一个接触反偏(reverse biased)时，可以观察到把输入信号放大的晶体管行为(transistor action)。
图-13：IGBT发明
1982年，RCA和GE公司联合研制出了复合型晶体管——绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。IGBT兼具金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)高输入阻抗和双极晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)大电流密度的特点，在大功率应用领域拥有显著的优势,一度被称为近乎理想的功率半导体器件。
图-14：IGBT产业链
图-15：IGBT生产流程
图-16：IGBT结构升级
图-17：IGBT制造三大难点
图-18：IGBT封装难点
三、IGBT厂商介绍
功率器件IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管）的缩写，最常见的应用形式是模块。大电流和大电压环境多使用IGBT模块，IPM是特殊的IGBT模块，主要应用于中小功率变频系统。目前全球的IGBT模块市场主要是欧、美以及日本的几家生产厂商生产。根据 Omdia数据，预计 2024 年全球 IGBT 模块市场规模将达到 62 亿美元，中国 IGBT 模块市场规模将达到 24 亿美元。 欧洲的IGBT模块生产厂商主要有德国的英飞凌（Infineon）、西门康/赛米控丹佛斯（Semikron Danfoss），瑞士的ABB。 美国的生产厂商主要有艾赛斯（简称IXYS）、国际整流器公司（简称IR）和威世（Vishay）等。 日本的生产厂商主要有三菱、富士等。 IGBT门槛较高，是技术密集型产品，我国IGBT产业起步较晚，近年来国内企业大力投入IGBT行业，产业化水平有了一定的提升，目前在部分领域已经实现了技术突破和国产化，未来进口替代空间巨大。 新参与者主要分为三类： 1. 老牌功率器件厂商逐渐向IGBT等高端业务拓展，如在国内MOSFET市场排名第一的华润微，IGBT 产品已从 6 吋产线升级到 8 吋产线，未来逐步升级到 12 吋产线，并扩充相应产能，IGBT产品的85%应用在汽车电子和工控领域； 2. 终端厂商向供应链上游拓展，如比亚迪于2005年进入IGBT产业，目前其推出的IGBT4.0产品在电流输出、综合损耗及温度循环寿命等许多关键指标上超越了英飞凌等主流企业的产品，并实现了对外供应； 3. 新创企业进入IGBT赛道，如芯聚能半导体于2019年9月开启25亿元的投资项目，目标面向新能源汽车用功率模块； 接下来为大家盘点国内的IGBT企业（注：排名不分先后，不完全统计） 图-9：IGBT模块国内厂商分布情况 l 华润微 成立时间：1997年 业务模式：IDM 简介：中国最大的功率器件企业之一，主要产品包括以 MOSFET、IGBT 为代表的功率半导体产品和以光电传感器、烟报传感器、MEMS 传感器为主的智能传感器以及 MCU 等。
图-10：华润微 l 士兰微 成立时间：1997年 业务模式：IDM 简介：杭州士兰微电子股份有限公司是专业从事集成电路芯片设计以及半导体微电子相关产品生产的高新技术企业。公司成立于1997年9月，总部在中国杭州。 士兰微电子建在杭州钱塘新区的集成电路芯片生产线目前实际月产出达到22万片，在小于和等于6英寸的芯片制造产能中排在全球第二位。公司8英寸生产线于2015年开工建设，2017年投产，成为国内第一家拥有8英寸生产线的IDM产品公司，2020年实际月产能达到5～6万片。2018年，公司12英寸特色工艺晶圆生产线及先进化合物半导体器件生产线在厦门开工建设。2020年，士兰化合物半导体生产线正式投产，士兰12英寸芯片生产线开始试产。主要领域：高压、高功率集成电路、功率模块（IPM/PIM）、功率器件及（各类MCU/专用IC组成的）功率半导体方案；MEMS传感器、数字音视频和智能语音产品、通用ASIC电路；光电产品及LED芯片制造和封装（含内外彩屏和LED照明）
l 中车时代电气 成立时间：2005年 业务模式：IDM 简介：株洲中车时代电气股份有限公司是中国中车旗下股份制企业，是国内唯一一家全面掌握晶闸管、整流管、IGCT（集成门极换流晶闸管）、IGBT、SiC期间及功率组件全套技术的厂家，国内唯一自主掌握了高铁动力IGBT芯片及模块技术的企业。 l 华微电子 业务模式：IDM 简介：拥有4英寸、5英寸和6英寸等多条功率半导体分立器件及IC芯片生产线，芯片加工能力韦每年500万片，封装资源为每年24亿只，模块每年1800万块。 主要生产功率半导体器件及IC，目前已形成IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等为营销主线的系列产品，产品种类基本覆盖功率半导体器件全部范围，广泛应用于汽车电子、电力电子、光伏逆变、工业控制与LED照明等领域，并不断在新能源汽车、光伏、变频等战略性新兴领域快速拓展。2019年4月募投8英寸生产线项目，重点用于工业传动、消费电子等领域 IGBT芯片的生产。 l 比亚迪半导体 成立时间：2003年 业务模式：IDM 简介：主要从事功率半导体、智能控制IC、智能传感器、光电半导体，半导体制造及服务，覆盖了对光、电、磁等信号的感应、处理及控制， 产品广泛应用于汽车、能源、工业和消费电子等领域。 比亚迪半导体2007年建立IGBT模块生产线，2009年完成首款车规级IGBT芯片开发，可提供包含裸芯片、单管、功率模块等不同形式的产品。于2008年底发布其自研车规级IGBT4.0技术。 l 扬杰科技 成立时间：2006年 业务模式：IDM 简介：产品线涵盖分立器件芯片、整流器件、保护器件、小信号、MOSFET、功率模块、碳化硅等，为客户提供一揽子产品解决方案。于2018年3月控股一条宜兴 6 英寸生产线，目前已开始量产用于电磁炉等小家电的 IGBT 芯片；2018 年公司 IGBT芯片实际产出近 6000 片。 l 斯达半导 成立时间：2005年 业务模式：模组 简介：嘉兴斯达半导体股份有限公司成立于2005年4月，是一家专业从事功率半导体芯片和模块尤其是IGBT芯片和模块研发、生产和销售服务的国家级高新技术企业，公司总部位于浙江嘉兴，在上海和欧洲均设有子公司，并在国内和欧洲设有研发中心，是目前国内IGBT领域的领军企业。公司主要产品为功率半导体元器件，包括IGBT、MOSFET、IPM、FRD、SiC等等。公司成功研发出了全系列IGBT芯片、FRD芯片和IGBT模块，实现了进口替代。其中IGBT模块产品超过600种，电压等级涵盖100V～3300V，电流等级涵盖10A～3600A。产品已被成功应用于新能源汽车、变频器、逆变焊机、UPS、光伏/风力发电、SVG、白色家电等领域。根据2020年国际著名研究及咨询机构IHS最新研究报告，嘉兴斯达半导体股份有限公司在全球IGBT模块市场排名第七，是唯一一家进入全球前十的中国企业。 l 南京银茂微 成立时间：2007年 业务模式：模组 简介：南京银茂微电子专注于工业和其他应用的功率IGBT和MOSFET模块产品的设计和制造。 通过采用现代化的设备来处理和表征高达3.3kV的电源模块，建立了先进的电源模块制造能力。自2009年以来，已通过ISO9001和ISO14001认证，并且大多数产品还通过了UL认证。能够执行电源模块鉴定测试，例如室内电气和环境寿命测试。于2016年获得TS16949认证。 l 达新半导体 成立时间：2013年 业务模式：模组 简介：宁波达新半导体有限公司从事IGBT、MOSFET、FRD等功率半导体芯片与器件的设计、制造和销售，并提供相关的应用解决方案。公司总部位于浙江省余姚市，建有国内领先的测试应用评估中心，中心包括芯片评估、器件测试、应用分析及可靠性等实验室。公司建有一条制造手段先进IGBT模块产线，在上海有芯片设计中心，负责芯片设计和制造管理。公司具备芯片设计、晶圆制造、模块制造及应用的完整IGBT产业链，在IGBT芯片开发，模块制造和产品应用具有自己独特优势。公司在8寸及6寸晶圆制造平台成功开发600V-3300V IGBT芯片产品，芯片电流等级涵盖10A～200A。采用自主IGBT芯片，推出了系列化的满足工业应用、消费电子、新能源的IGBT模块，模块电压涵盖600V～1700V，电流等级涵盖10A ～ 800A。公司IGBT产品可广泛应用于白色家电、逆变焊机、工业变频、感应加热、大功率电源、UPS、新能源汽车、太阳能/风力发电、SVG等领域。
l 江苏宏微 成立时间：2006年 业务模式：模组 简介：业务范围包括设计、研发、生产和销售新型电力半导体芯片、分立器件及模块，如FRED、VDMOS、IGBT芯片、分立器件、标准模块及用户定制模块(CSPM)；高效节能电力电子装置的模块化设计、制造及系统的解决方案，如动态节能照明电源、开关电源、UPS、逆变及变频装置等。
l 广东芯聚能 成立时间：2018年 业务模式：模组 简介：广东芯聚能是一家车规级功率半导体元器件研发、生产和销售的高新技术企业。主营业务包括：面向新能源电动汽车（EV、HEV）主驱动器的核心功率半导体芯片设计、器件与模块产品的研发、生产、销售与服务支持。同时也提供工业、民用级功率半导体相关产品，可广泛应用于变频家电、工业变频器、光伏发电、智能电源装备等领域。 l 中芯绍兴 成立时间：2018年 业务模式：制造 简介：绍兴中芯集成电路制造股份有限公司(中芯绍兴，SMEC)成立于2018年3月, 总部位于浙江绍兴，是一家专注于功率, 传感和传输应用领域，聚焦在人工智能、移动通信、车载、工控等领域。提供特色工艺集成电路芯片及模块封装的代工服务的制造商。技术上，立足于场截止型（Field Stop）IGBT结构，采用业界先进的背面加工工艺，包括背面减薄工艺、离子注入、激光退火及特殊金属沉积工艺。600V~1200V等器件工艺均已实现大规模量产。 l 华虹宏力 成立时间：2003年 业务模式：制造 简介：自建设中国大陆第一条8英寸集成电路生产线起步，目前在上海金桥和张江共有三条8英寸生产线（华虹一、二及三厂），月产能约18万片。华虹宏力工艺技术覆盖1微米至90纳米各节点，其嵌入式非易失性存储器、功率器件、模拟及电源管理和逻辑及射频等差异化工艺平台在全球业界极具竞争力，并拥有多年成功量产汽车电子芯片的经验。 l 深圳方正微 成立时间：2003年 业务模式：制造 简介：深圳方正微电子有限公司(简称“方正微电子”)成立于2003年12月。是一家从事集成电路芯片制造的国家高新技术企业。 公司致力于电源管理芯片和新型电力电子器件产业化，持续聚焦智能手机、平板电脑、变频家电、LED照明以及新能源汽车等新兴领域对功率半导体的市场需求，秉持晶圆代工经营模式，专注于为客户提供功率分立器件（如DMOS、IGBT、SBD和FRD）和功率集成电路（如BiCMOS、BCD和HV CMOS）等领域的晶圆制造技术。 方正微电子是国内首家实现6英寸碳化硅器件制造的厂商，其开发的13个系列的碳化硅产品已进入商业化应用，性能达到国际先进水平。另外,公司成功开发出使用6英寸硅基氮化镓材料制备的HEMT和SBD器件，耐压超过1200V，性能居国内领先水平。 l 上海先进 成立时间：1988年 业务模式：制造 简介：上海先进半导体制造有限公司（简称“上海先进”），于1988年由中荷合资成立为上海飞利浦半导体公司，1995年易名为上海先进半导体制造有限公司，2004年改制为上海先进半导体制造股份有限公司，2019年被上海积塔半导体有限公司吸收合并，改制为上海先进半导体制造有限公司。 上海先进位于上海市徐汇区漕河泾新兴技术开发区，是一家大规模集成电路芯片制造公司。目前，公司有5英寸、6英寸、8英寸晶圆生产线，专注于模拟电路、功率器件的制造，8英寸等值晶圆年产能66.4万片。 l 华润上华 业务模式：制造 简介：隶属于华润微电子，华润上华拥有两条六英寸代工线和一条八英寸代工线，其六英寸生产线是国内首家开放式晶圆代工厂。以产能计为目前国内最大的六英寸代工企业，月产能逾21万片，工艺线宽在0.5微米以上；八英寸生产线目前月产能已达6.5万片。 l 无锡新洁能 成立时间：2009年 业务模式：设计 简介：无锡新洁能专业从事半导体功率器件的研发与销售。目前公司主要产品包括：12V~200V沟槽型功率MOSFET（N沟道和P沟道）、30V~300V屏蔽栅功率MOSFET（N沟道和P沟道）、500V~900V超结功率MOSFET、600V~1350V沟槽栅场截止型IGBT，相关核心技术已获得多项专利授权，四大系列产品均获得江苏省高新技术产品认定。 l 深圳芯能 成立时间：2013年 业务模式：设计 简介：深圳芯能半导体技术有限公司(Xiner 芯能半导体)成立于2013年，致力于IGBT芯片、IGBT驱动芯片以及大功率智能功率模块的研发、应用和销售。主要人员都有十多年的行业积累，在国内率先成功量产基于FST工艺的IGBT产品。目前芯能聚焦600V和1200V中小功率IGBT产品，IGBT单管、IPM、IGBT模块和HVIC四个领域都有完善的产品序列，产品性能国内领先。产品广泛应用于工业变频器、伺服驱动器、变频家电、电磁炉、工业电源、逆变焊机等领域；针对中大功率产品，芯能也能提供系统化解决方案：650V/450A和1200V/450A EconoDUAL智能IGBT功率模块、34mm模块、62mm模块等产品均得到终端客户的一致认可。芯能是国内唯一一家同时具备IGBT芯片、IGBT驱动芯片以及大功率智能功率模块设计能力的公司。 l 上海陆芯 成立时间：2015年 业务模式：设计 简介：陆芯科技具有强劲的工艺开发技术和设计能力，是国内新一代功率半导体技术的领航企业。陆芯科技功率半导体产品包括：最新一代Trench Field-Stop技术的400V 200A~400A系列IGBT、650V 10A~200A系列IGBT、1200V&1350V 15A~100A系列IGBT；500V~900V系列SJMOS、650V&1200V系列功率二极管；650V&1200V系列SiC二极管。 陆芯科技的产品（IGBT、SJMOS、SiC）包括芯片、单管和模块，具有以下技术优势：通过优化耐压终端环，实现IGBT高阻断电压，有效减少芯片面积，达到工业级和汽车级可靠性标准；通过控制少子寿命，优化饱和压降和开关速度；实现安全操作区（SOA）和短路电流安全操作区域SCSOA性能最优；改善IGBT有源区元胞设计可靠性，抑制IGBT的闩锁效应；调节背面减薄、注入、退火、背金等工艺；实现60um~180um晶圆厚度的大规模量产。 l 中科君芯 成立时间：2011年 业务模式：设计 简介：江苏中科君芯科技有限公司是一家专注于IGBT、FRD等新型电力电子芯片研发的中外合资高科技企业。公司成立于2011年底，依托中国科学院的科研团队和研发平台，结合海内外的技术精英以及专业的市场管理团队共同组建而成。 作为国内业界的领军者，君芯科技是国内率先开发出沟槽栅场截止型（Trench FS）技术并真正实现量产的企业。公司推出的IGBT芯片、单管和模块产品从600V至6500V，覆盖了目前主要电压段及电流段，已批量应用于感应加热、逆变焊机、工业变频、新能源等领域，并得到客户的广泛认可。君芯科技独创的DCS技术将应用于最新的汽车级IGBT芯片中。 l 科达半导体 成立时间：2007年 业务模式：设计 简介：科达半导体有限公司主要从事IGBT、FRD、MOSFET等新型功率半导体器件( 电力电子器件）的设计、生产和销售。公司拥有国内一流的设计研发团队，所设计研发的IGBT及FRD产品国内先进。公司拥有省级设计中心，省级功率半导体工程中心，并配有功能齐全的性能测试实验室和可靠性实验室。公司产品广泛应用于电磁炉、小功率变频器、逆变焊机、无刷马达控制器、UPS、开关电源、液晶电视及显示器、太阳能应用等领域。 l 西安芯派 成立时间：2008年 业务模式：设计 简介：西安芯派电子科技有限公司(简称芯派科技)成立于2008年，是一家集研发、生产和销售为一体的高新技术企业，产品包含：中大功率场效应管(MOSFET，低压至高压全系列产品)、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、二极管(含快速恢复二极管及肖特基二极管)、桥堆以及电源管理IC等。 l 无锡紫光微 业务模式：设计 简介：无锡紫光微电子有限公司是由紫光同芯微电子有限公司投资的一家高新技术企业，是一家专注于先进半导体功率器件和集成电路的设计研发、芯片加工、封装测试及产品销售的集成电路设计企业。开发和生产的SJ MOSFET、DT MOSFET、HV VDMOS、IGBT、IGTO、Half Bridge Gate Driver等先进半导体功率器件以及相关的电源管理集成电路等产品广泛应用于节能、绿色照明、风力发电、智能电网、混合动力\电动汽车、仪器仪表、消费电子等领域。 四、市场现状
随着全球制造业向中国的转移，中国已逐渐成为全球最大的IGBT市场，IGBT国产化需求已是刻不容缓。据统计，截至2022年我国IGBT市场规模约为220.23亿元，其中汽车IGBT领域市场规模约为77.24亿元，工控及其他领域IGBT市场规模约为142.99亿元。 伴随着化石等不可再生能源数量的减少、对环境的持续破坏等问题凸显，人们对于节能减排意识不断加强，这在一定程度上促进了功率半导体和电子技术的迅速发展。目前，功率半导体器件正在朝向低成本、小体积、出色的稳定性等方向不断提升。 我国为了解决能源安全和环境污染问题大力推行新能源汽车发展，其中纯电动新能源汽车作为一个重要的车型，并且越来越普及到日常生活当中，新能源汽车的动力系统电池、电机控制器、电机（简称三电）作为重要部件，其产品质量成为主机厂最关注的点，IGBT作为车用电机控制器的核心器件，其工作寿命能否满足车用工况的要求，如何保证设计的电机控制器，使核心部件IGBT在车辆整个生命周期内稳定、可靠工作，众电机控制器厂家投入大量精力研究。 | 
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