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隨著能源危機、氣候變化和環境污染的加劇,世界各主要國家都推出新能源汽車的發展計劃,電動化將成為汽車歷史最大的變革。中國是最早大規模推廣新能源汽車的國家,憑借先發優勢,市場規模、產業配套等,中國誕生了一批極具競爭力的新能源汽車民族品牌。但在市場的另一面,IGBT技術卻成為長期以來制約中國新能源汽車發展的一個“瓶頸”。
作為主流的新型電力電子器件之一,IGBT在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車、新能源裝備,以及工業領域(高壓大電流場合的交直流電轉換和變頻控制)等應用極廣,是上述應用中的核心技術。
但與工業級IGBT相比,IGBT在電動汽車領域的應用則面臨更多的挑戰。一方面,汽車的大眾消費屬性,對IGBT的壽命要求比較高(設計壽命在20年以上),需要滿足使用壽命內數十萬次甚至百萬次的功率循環要求。另一方面,汽車面臨著更為復雜的適用工況,需頻繁啟停、爬坡涉水、經歷不同路況和環境溫度等,高溫、高濕、高振動對IGBT是極為嚴苛的考驗,對裝配體積和散熱效率的要求都非常嚴格。
不止于此,電動汽車的操作人員存在相對非專業性的情況,其對IG-BT的考驗和性能要求是多維度、全方位的。但又出于乘用車需面向大眾消費市場的原因,要求其價格必須保持在合理區間,因此,車用IGBT要求高性價比前提下的高可靠性。在這些因素的綜合影響下,車規級IGBT相較于工業級,無論是技術難度、應用場景,還是可靠性方面,對器件本身的要求都更為嚴苛。
在此背景下,中國IGBT主流市場一直被國際巨頭壟斷——90%的份額掌握在英飛凌、三菱等海外巨頭手中。由于外資巨頭掌握著IGBT的核心技術和定價權,這在一定程度上,成為中國新能源汽車產業實現規模化發展的一大障礙。
本土企業突破重圍
如何實現本土廠商IGBT技術的突破,有效的破除外資的壟斷局面,對中國新能源汽車發展的未來意義重大,但這絕非易事。據了解,IGBT技術存在較多的開發難點,長期以來IGBT的核心技術始終掌握在國外廠商手里。
首先,IGBT芯片僅有人的指甲大小,但卻要在其上蝕刻十幾萬乃至幾十萬的微觀結構電路,僅能在顯微鏡下查看。其次,IGBT芯片設計難度高。IGBT雖然是一個開關器件,但涉及到的參數多達十幾個,很多參數之間是相互矛盾,需要根據應用折衷考慮。第三,晶圓制造工藝難度大。最主要體現在薄片加工處理上,采用最新的1200V FS技術的IGBT,需要將晶圓減薄到120um(約兩根頭發絲直徑)的厚度,再進行10余道工序加工。此外,晶圓制造的廠房潔凈度要求非常高,需要一級凈化。一個零點幾微米的微塵掉落在晶圓上,就會造成一顆IGBT芯片失效。
不止于此,IGBT模塊設計難度也很大。需要考慮材料匹配、散熱、結構、功率密度、外觀、重量等多項指標。IGBT模塊的制造中,大面積芯片的無空洞焊接(無空洞焊接需要在1mBar <即0.1Kpa>的高真空下進行,高可靠性綁線工藝和測試等都是難點。
盡管面臨困難重重,但早在2003年,以比亞迪為代表的本土新能源汽車企業就預見IGBT將會是影響電動車發展的關鍵技術,并在研發團隊組建、產線建設等各方面投入重金,默默布局IGBT產業。
經過十余年耕耘,本土廠商在IGBT技術領域的研發可謂進步不俗。以比亞迪為例,2009年9月,比亞迪IGBT芯片成功通過中國電器工業協會電力電子分會組織的科技成果鑒定,標志著中國在IGBT芯片技術上實現零的突破,打破了國際巨頭的技術壟斷。
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