为什么说新能源汽车的核心是IGBT？

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原文2

——这是一篇旧新闻，之所以放上来，是因为想提醒自己IGBT产业前景多么光明。

对新能源车来说，电池、VCU、BSM、电机效率都缺乏提升空间，最有提升空间的当属电机驱动部分，而电机驱动部分最核心的元件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管芯片）则是最需要重视的。

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。

不仅电机驱动要用IGBT，新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT。 不仅是新能源车，直流充电桩和机车（高铁）的核心也是IGBT管，直流充电桩30%的原材料成本就是IGBT。电力机车一般需要 500 个IGBT 模块，动车组需要超过100个IGBT模块，一节地铁需要50-80个 IGBT 模块。

三菱电机的HVIGBT已经成为业内默认的标准，中国的高速机车用IGBT由三菱完全垄断，同时欧洲的阿尔斯通、西门子、庞巴迪也是一半以上采用三菱电机的IGBT。

除了日系厂家，英飞凌包揽了几乎所有电动车的IGBT，而三菱电机则沉醉于中国高铁的丰厚利润中无法自拔，在低于2500V市场几乎一无所获。

2016年全球电动车销量大约200万辆，共消耗了大约9亿美元的IGBT管，平均每辆车大约450美元，是电动车里除电池外最昂贵的部件。

其中，混合动力和PHEV大约77万辆，每辆车需要大约300美元的IGBT，纯电动车大约123万辆，平均每辆车使用540美元的IGBT，大功率的纯电公交车用的IGBT可能超过1000美元。

（技术性内容，在此忽略）

（美股标的： $ON Semiconductor Corp.(ON)$ $美国力特保险丝(LFUS)$ ）

晶圆上的一个最小全功能单元称为Cell，晶圆分割后的最小单元，构成IGBT 单管或者模块的一个单元的芯片单元，合称为IGBT的管芯。

一个IGBT管芯称为模块的一个单元，也称为模块单元、模块的管芯。模块单元与IGBT管芯的区别在最终产品，模块单元没有独立的封装，而管芯都有独立的封装，成为一个IGBT管。

近来还有一种叫IPM的模块，把门级驱动和保护电路也封装进IGBT模块内部，这是给那些最懒的工程师用的，不过工作频率自然不能太高咯。

单管的价格要远低于模块，但是单管的可靠性远不及模块。全球除特斯拉和那些低速电动车外，全部都是使用模块，只有特斯拉对成本的重视程度远高于对人命的重视程度。

特斯拉Model X使用132个IGBT管，由英飞凌提供，其中后电机为96个，前电机为36个，每个单管的价格大约4-5美元，合计大约650美元。

如果改用模块的话，估计需要12-16个模块，成本大约1200-1600美元。特斯拉使用单管的原因主要是成本，尤其是其功率比一般的电动车要大不少，加上设计开发周期短，不得不采用单管设计。

相比宝马I3，采用英飞凌新型HybridPACK 2模块设计，每个模块内含6个单管型IGBT，750V/660A，电流超大，只需要两个模块即可，体积大大缩小，成本大约300美元。采用英飞凌的新型HybridPACK 2模块设计，每个模块内含6个单管型IGBT，750V/660A，电流超大，只需要两个模块即可，体积大大缩小。

典型新能源车功率系统对比：

可以看出丰田的功率密度是国内密度的三倍左右，差距巨大。

IGBT目前已经发展到7.5代，第7代由三菱电机在2012年推出，三菱电机目前的水平可以看作7.5代，同时IGBT的下一代SiC技术已经在日本全面普及，无论三菱这样的大厂还是Fuji、Rohm这样的小厂都有能力轻松制造出SiC元件，我国目前停留在第三代水平上，差距在20年以上。

自第六代以后，IGBT自身的潜力已经挖掘的差不多了，大家都把精力转移到IGBT的封装上，也就是散热。

车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多，逆变器内温度最高可达大20度，同时还要考虑强振动条件，车规级的IGBT远在工业级之上。

散热的关键是材料，而材料科学是一个国家基础科学的体现，中国在这方面非常落后，日本则遥遥领先，不仅在德国之上，还在美国之上。

IGBT的下一代SiC（碳化硅）技术已经崭露头角，鉴于它的重要性，丰田决定完全自主生产，实际丰田SiC的研究自上世纪80年代就开始了，足足领先全球30年。

SiC能将新能源车的效率再提高10%，这是新能源车提高效率最有效的技术。丰田汽车就表示：“SiC具有与汽油发动机同等的重要性。”

SiC有多重要？

目前限制SiC应用主要是两方面，一是价格，其价格是传统Si型IGBT的6倍。其次是电磁干扰。 SiC的开关频率远高于传统Si型IGBT，回路寄生参数已经大到无法忽略。

SiC基板是关键，落后日本企业很多的英飞凌在2016年7月决定收购美国CREE $克里科技(CREE)$ 集团旗下的电源和RF部门（“Wolfspeed”），其核心就是SiC基板技术。

不过在2017年2月，美国的外国投资委员会（CFIUS）以关系到国家安全的原因否定了这项收购， 美国之所以否定这项收购，是保护美国为数极少的先进工业技术，对日本厂家来说，SiC基板都没有丝毫难度，三菱、丰田、罗姆、富士电机、日立、瑞萨、东芝都有能力自己制造，全部是内部开发的技术。意法半导体技术也不错。

2014年5月20日，鉴于SiC的重要性，丰田特别召开了新闻发布会，宣布与电装、丰田中央研究所合作开发出了SiC功率半导体。

丰田开发的集成SiC晶体管的4英寸（100mm）晶圆（左）与 集成了SiC二极管的4英寸晶圆（右）。

目前丰田正在研发混动版的佳美使用SiC，还有就是丰田的氢燃料电池公交车也在试验使用SiC，本田则在自己的氢燃料电池车使用了罗姆的SiC的MOSFET。目前SiC都是试验用的4英寸晶圆线，只有三菱启用了6英寸生产线，成本较低。

丰田预计2018年也启用6英寸生产线，可能在2021年丰田的混动和氢燃料电池车将全面使用SiC。

IGBT作为一个成熟的器件，供应链的各个环节都有很强的合作关系。因此，在 最近两年IGBT的主要厂商基本没有变化，只有安森美半导体（ON Semiconductor）在2016年底收购仙童（Fairchild）之后，跻身成为全球前五的IGBT供应商。然而，越来越多的公司正在试图进入IGBT市场以获取市场价值，如刚刚完成对艾赛斯（IXYS）公司收购的Littelfuse。

大多数厂商都在600-1300V的中压范围内提供分立和模块化产品，占全球IGBT市场的60％以上。只有少数几家厂商，如美国微芯 $微芯科技(MCHP)$ （Microchip）和日本Sanken电气，专门研究低压分立式IGBT，而三菱（Mitsubishi）和日立（Hitachi）等几家厂商则只销售模块化产品。特别指出，由于中国高铁的迅速发展和大功率电气机车的需求，中国已经大量进口2.5kV至6.5kV电压等级的模块化产品。英飞凌、富士、安森美和东芝（Toshiba）等大公司在低压至中压1700V部分，分立IGBT和模块化产品都处于领先地位，而2.5kV以上的高压产品市场则由三菱公司主导。

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接下来是自己的一点看法。

先看看这张图：

如图，目前特斯拉Model 3是全美卖的最好的Midsize premium sedan。这说明，电动车这股新动力比大家想象的更猛。现在不仅特斯拉，基本上各大汽车公司都已经跟上电动车了。这说明什么？这说明IGBT的前景将十分的光明。正如前文提及的，电动车需要IGBT，充电桩也需要IGBT，等等等等。IGBT应用范围也很广泛。

这里不得不提一下On Semi$(ON)$。我之前一直没仔细深挖，以为他就是做一些汽车上的各种sensor，今天猛然发现他IGBT也是全美数一数二的实力。

目前我没有仓位在$(ON)$上，但是将来我会逐渐建仓。还有一个 $克里科技(CREE)$ ，也会开始留意。