进击的中国IGBT
  [Source: 华尔街见闻 2022/01/24-15:14] 6park.com
中国轨道交通IGBT的发展进程绕不开一个关键灵魂人物——中国工程院院士、原中车株洲电力机车研究所有限公司（中车株洲）董事长丁荣军。
驱车沿株洲市境内湘江右岸一路行驶，不久便会看到“田心工业区”的醒目标志牌，工业区绵延十里，被誉为中国先进轨道交通装备研发和制造的“动力之都”。而丁荣军带领的中车株洲电力机车研究所正是坐落于此。
2014年5月初，中国首条、世界第二条8英寸IGBT芯片生产线在中车株洲研究所投产，彼时也是丁荣军落户株洲、投身轨道交通机车“机芯”设计的第三十年。
这三十年对于他来说是一条不断挑战的路。
作为轨道交通“机芯”技术中最为先进、效能最为突出的高端产品，IGBT长期被发达国家垄断技术。 6park.com
丁荣军在接受采访时表示，他还记得第一次引进的时候，外国公司很明确地在技术转让文件上注明，传动和控制电驱动系统的IGBT技术不能转让。 6park.com
“当时我看到这个很伤心，但反过来也激发了我们去努力。”

2017年，中车株洲的IGBT被用在行驶于京沪两地的复兴号上，中国高铁在这一年真正实现了自主国产化。
然而纵观历史，中国对于IGBT的探索却远远不止于此，从变频家电领域到工业级领域，从车规级到轨交级，IGBT都紧随着中国前进的脚步向前迈去。
只是相对于国外已经发展了近半个世纪的成熟技术，中国IGBT发展的道路显得艰难又曲折。
蹒跚
20世纪70年代，美国正处于油价高涨与石油紧缺的供需矛盾之下，对社会、经济发展都造成了许多影响，这背后是巨大的油耗量。
而造成油耗量巨大的原因是当时汽车、工业产品的电机效率低下。
如果把电比作是血液，那么电机/电控就好比是电动汽车的心脏。而功率半导体就是其中电能转换和控制的核心，主要用于改变电压和频率。
其实当时用于控制电机转速的MOSFET已经是比较好的功率器件了，它能够以可变频率向电机组输出功率；但是由于MOSFET只能应用于低压场景中，并不足以满足高电压下对输出电压的准确调节。
1980年，美国通用电气的工程师Jayant Baliga发明了一种兼具MOSFET管和双极型晶体管（BJT）优点的复合型元器件——绝缘栅双极晶体管（IGBT），能够更好地控制感应电机的电源线频率，进而控制其转速使得功率降低，以减少油耗损失。

事实上IGBT的结构与MOSFET十分接近，只是在其背面增加了N+和P+层，“+”意味着更高的自由电子或者空穴密度。从而IGBT在保留MOSFET优点的同时，增加了载流能力和抗压能力。

现在，IGBT也被称为是电力电子行业里的“CPU”， 在照明、工业、消费、交通、医疗、可再生能源、电力传输等众多领域中获得了广泛的应用。
IGBT既可以帮助空调、洗衣机实现较小的导通损耗和开关损耗，实现节能减排；又可以应用在急救除颤器上，使其从200V电源输出100KW的双向震动；还可以应用于太阳能、风能发电的逆变器里，将蓄电池的直流电逆变成交流电。
IGBT在不同电压下的应用
不过，尽管通用公司最先做出这个被誉为掌控电力世界的钥匙——IGBT，但是由于通用公司内部投资形势不太乐观；再加上Baliga发明了IGBT之后，西门子、三菱、富士等厂商立刻对这种器件产生了浓厚的兴趣，开始着力研发，与通用形成了激烈的竞争。
最终在1988年，通用公司决定卖掉整个半导体业务，同时也放弃了这把“钥匙”。眼见通用退出比赛，德国西门子与日本三菱、富士一涌而上，瓜分剩余的市场份额。
20世纪末期，全球IGBT芯片产业角逐激烈，德国和日本可以说是IGBT角斗场上最为重磅的两位玩家，而当时的中国仿佛被这一场竞争隔绝在外。
1996年，西门子半导体事业部来无锡设立封测厂。1999年，西门子将半导体部门抛售，后改名为英飞凌，西门子无锡封测厂也随之更名为英飞凌科技（无锡）有限公司。
短短四年时间，英飞凌的第六代IGBT承受工作电压水平从之前的4500V提高到6500V，全球市占率超过一半，占据绝对领先地位。

而此时，中国企业甚至连IGBT的蓝图都还没有构思。
比亚迪还在全球镍镉电池的市场上纵横；中车株洲此时在为解决轨交电气系统研发而费尽心思；江湖上也还没有斯达半导的传说。
那时没有人能想象，20年之后，IGBT的赛场上竟能出现中国企业的身影。
起步
对于国内厂商来说，生产IGBT之难主要来自于两点：
1.设计工艺难——费人；
2.制造技术难——费钱。
从原理看，IGBT就是一个简单的电路，但是其属于电力电子芯片，IGBT的设计需保证开闭合损耗、抗短路能力和导通压降（控制热量）三者处于均衡状态，与参数调整优化十分特殊和复杂，并且IGBT对背面工艺和减薄工艺（对已完成功能的晶圆的背面基体材料进行磨削，去掉一定厚度的材料）技术的要求很高。
制造层面，IGBT可以分为IDM模式（有晶圆厂）和Fabless模式（无晶圆厂）。
通常情况下，国外的厂商发展历史较长、流动资金充足，往往会选择IDM模式，这种方式的优点在于产能、工艺都可控，而且能把核心技术掌握在自己手中。
面对这些困局，比亚迪与中车株洲在当时同时选择了以收购开辟一条新道路。
2008年，比亚迪董事长王传福宣布一则公告，直接把自己推上舆论的焦点：比亚迪以1.7亿元收购宁波中纬半导体公司。市场顿时引起一片哗然，彼时的比亚迪已经收购秦川汽车，靠着比亚迪F3成功打开了汽车市场，从电池制造商转型为全国第一汽车企业。
而宁波中纬半导体则是宁波市政府白白投了30亿的失败项目。当时文章对于比亚迪的报道无一不是质疑与不解，“比亚迪至少亏20亿”、“王传福2亿杀入销金窟”等声音不绝于耳。
图片来自网络
当时本该如日中天的比亚迪股价也因此一落千丈。
2008年7月24日 比亚迪股价跌至5.827港元/股
直到2009年，比亚迪IGBT 1.0横空出世，让中国在IGBT技术上实现了从零到一的突破，人们才明白王传福收购宁波中纬半导体不是心血来潮。
紧接着，比亚迪推出了IGBT 2.0和IGBT2.5，虽然在当时都未激起太大的涟漪，但这只是比亚迪实现自产IGBT芯片的初步尝试，往后更新的芯片搭配比亚迪自产的新能源车，才让比亚迪迎来了属于它的春天。
此时，中车株洲也迎来了一个绝佳机会。
2008年的金融危机，使得丹尼克斯——一家掌握IGBT关键技术的英国大功率半导体企业——股价重挫、资金困窘，在市场扩展上无力可施，最终面临破产。刚上市的中车株洲随即决定以大约一亿元人民币的价格收购了丹尼克斯，随后投入巨资，将丹尼克斯的4英寸IGBT生产线升级为6英寸生产线。
中车株洲此举的背后在于，其长期专注于攻克轨交电气系统，深知IGBT对于轨交电气系统的重要性：IGBT在电气系统中相当于一个“闸门”，把电流疏通过去实现电流与电压之间的精细控制，便能让列车在启动后即刻提速至300公里/时以上。
一辆八节的高铁上大约会用到128个IGBT模块，每个模块24个IGBT芯片，而一个指甲盖大小的IGBT大约包含五万个纳米级的元件，能抗住6500V高压，每秒可实现10万次电流开关动作。
就是这样一个指甲盖大小的IGBT，中国每年都要用掉将近10万只，进口IGBT芯片的金额更是高达12亿元之多。通常，一个芯片模组就高达1万元，并且产品交货周期很长，根本无法满足中国高速发展的高铁建设规模。
为了更好地实现中国高铁自主建造，中车株洲在收购丹尼克斯之后就开始了“背水一战”。此时，中车株洲内部也出现了两种不同的声音：
一种坚持原封不动地将丹尼克斯6英寸IGBT生产线复制到国内，尽快实现产业化；另一种则认为应该升级技术，建设一条比丹尼克斯基地更为先进的8英寸IGBT生产线。
中车株洲研究所董事长丁荣军力排众议，提出基于丹尼克斯的技术，充分吸收IGBT的创新发展成果，果断拍板建设8英寸IGBT生产线。
“不能总是追赶别人，我们要超越。”
丁院士在一线对员工进行工作指导 图片来自《中华儿女》
斯达半导也在这几年赶上了好时候。
作为麻省理工学院电子材料博士的沈华，一毕业就加入了西门子微电子部门，后因业务分拆跟随部门来到英飞凌，再然后沈华来到了Xilinx,Inc——一家位于硅谷的著名FPGA公司，负责新产品的开发，2003年开始负责当时最先进的65纳米工艺技术。
2005年，沈华作为曾经英飞凌的老将，决定组建属于自己的公司。
而就在一年后，国家科技部宣布将IGBT的研制列为七大课题之一，投入巨资集中研发。
站在风口的斯达半导，2008年获得了国家发改委800万元和工信部100万元的项目资金资助，创始人沈华也在随后入选首批“留学人员回国创业启动支持计划”。
斯达半导一开始选择了从组装IGBT模块入手，沈华拥有良好的渠道关系，加上斯达的高管们本就对国外同行的状况了如指掌，又与国内客户近距离沟通的机会，使得斯达占据了天时、地利、人和三要素，在国内客户需求和供货速度上都展现了前所未有的优势。
就在中国IGBT厂商努力前进追赶国外IGBT技术的时候，一道政策的发布像是一剂催化剂，打开了中国新能源车的发展历程，也间接加速了中国的IGBT事业。
加速
2014年，国家发改委发布了《关于电动汽车用电价格政策有关问题的通知》，要求地方各级财政补贴不得超过中央财政单车补贴额的50%，除燃料电池汽车之外的各类车型，2019-2020年中央地方补贴标准和上线在现行标准基础上退坡20%。
同年，中国新能源汽车全年共生产7.85万辆，生产量同比增长近3.5倍，销售约7.48万辆，销售量同比增长近3.2倍。
也就在这一年，中国互联网企业开始进军新能源汽车行业，蔚来、小鹏、理想先后创立，更是有许多老牌车企开始转型制造新能源汽车。
新能源车与IGBT之间的重要关系，比亚迪最清楚。
在IGBT供应商与新能源车整车厂之间，连接的是电控厂商。
这也是当初王传福执意要收购宁波中纬半导体的原因。2003年，比亚迪收购秦川汽车之后，开始致力于打造新能源汽车的路线，但是新能源汽车中的电驱动控制技术一直无法攻克，其原因就是车规级IGBT技术长期以来被英飞凌所掌控。
车规级IGBT最主要的应用是实现交流电和直流电的转换。当外界充电的时候是交流电，需要通过IGBT转变成直流电然后给电池，同时要把220V电压转换成适当的电压才能给电池组充电。而当需要电池给汽车传送电的时候，通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电，转换成适当的电压同时起到对交流电机的变频控制。
图片来自雪球
在此之前，比亚迪就已经花了3年时间研究车用IGBT的理论与封装业务，并和斯达半导一样，采用英飞凌的芯片组装模块出售。但很快比亚迪就意识到模块封装作为下游环节，并不能真正解决IGBT芯片上游的技术与研发问题，于是才做出收购宁波中纬半导体的这一“大动作”，开始走上了自主研发IGBT的前进之路。
攻克下IGBT芯片技术之后，比亚迪构建了自产自销的闭合产业链条，制造出的IGBT芯片封装成模块后直接供给给电控厂商，也使得比亚迪的供应链自给率高达70%，并且大幅降低了成本。
也正是在理想、蔚来、小鹏等新能源车发展之际，斯达半导诠释了什么叫“好风凭借力，送我上青云”。
多数新兴智能汽车厂商本是互联网出身，需要整合一辆兼具高性能和较高性价比的汽车并非易事，而第三方电控厂商在此时就起到了搭建桥梁的作用。
在斯达半导披露的IPO报告中，可以清晰地看到英威腾与汇川技术分别为其第一和第二大客户，总占比超20%，而英威腾与汇川技术正是国内新能源汽车电控技术的龙头厂商。

造车新势力的供应需要电控技术的支持，而电控技术需要IGBT的整合。斯达半导借着汇川与英威腾的风力成功乘上了青云，2016年斯达半导的IGBT模块全球市场占有率为2.50%，跻身进全球十大功率模块厂商。

中车株洲也在收购英国丹尼克斯之后如虎添翼，并联合浙大启动关于轨交IGBT芯片的02专项。
轨交IGBT相较于车规级IGBT需要能承受住更高的电压，再加上轨交运行条件过于恶劣，中国轨交运行跨度极大，从上海到西藏、从哈尔滨到广州的线往往需要行驶超长时间，并且环境温差极大。
这使得轨交IGBT需要具备极高的电磁兼容（EMC）标准、超高的运行可靠性以及长时间的使用效率。
2011年，中车株洲IGBT打算进入轨交系统，但是却没能成功打开市场，IGBT毕竟是轨交的核心部件之一，一旦出错后果不堪设想，所以当时大多厂商对中车株洲自制的IGBT还保持较为谨慎的态度。
直到2014年，中车株洲自主研制的8英寸IGBT芯片成功下线，才让人们看到了中国在高压IGBT的可能性。
可还没等中车株洲欣喜太久，国际市场上轨交IGBT的价格战已处于白热化状态。正当中车株洲打算以低于市场价30%推出产品时，外商竟联手将IGBT的价格降了70%，产品一上市就打起了价格战。
价格战愈打愈烈，中车株洲只能无奈跟进，并逐渐抢夺海外厂商的份额。
从2014年至2016年，中车株洲的大功率半导体的中国市场市占率从0升至60%。
获取国内市场大部分订单后，中车株洲选择走出国门，出口印度、马来西亚；并且在俄罗斯、意大利及中欧市场也开始布局，取得了小批量订单。
2017年底，石济高铁开通运营，中国“四纵四横”高铁网全部建成通车，长达十年的高铁建造运动告一段落。
超越
2020年年底，在深圳比亚迪集团总部，新东方创始人俞敏洪问王传福：
“所有中国造车厂商都要给汽车起个外国名字，觉得这样才显得洋气，结果你反其道而行之，（起了）‘秦汉宋元’，很容易让老百姓觉得这车起个中文名很土，你怎么敢就这么一步步往上顶？”
王传福回忆起了之前的经历，他说：
“我想争一口气，把产业做大，把中国应有的位置坐起来，所以‘汉’这款车型如果做不好，我也是无地自容。”
根据乘联会的数据，2021年前10个月，比亚迪汉EV共销售6.68万辆，销量同比增长超5倍。随着高端化实现成功突破，威尔森监测的数据显示，比亚迪单车均价在今年前7个月已达到15.18万元，超过了大众汽车。
但鲜有人知的是，汉EV所搭载的便是比亚迪自研的4.0代IGBT，被称为IGBT智慧“中国芯”。 比亚迪IGBT 4.0代综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%。当电流通过IGBT器件时，受到的损耗降低，使得整车电耗显著降低。
如果说此前的IGBT1.0是横空出世的惊喜之作，那比亚迪的IGBT4.0可以说是开创中国IGBT时代的旷世之作。
据比亚迪称，2009年推出的IGBT1.0仅仅相当于国外1995年左右的技术水平，即便是后续的IGBT2.5也仅仅相当于国外2000年左右的技术水平。而比亚迪的IGBT4.0达到了国外同一阶段IGBT的主流性能水平，在部分指标上还实现了反超。
同时，其电流输出能力较当时市场主流的IGBT高15%，支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力。而且IGBT4.0温度循环寿命相当于其他市场主流IGBT的10倍以上，当比亚迪电动车在应对各种极端气候、路况时，能有更高的可靠性和更长的使用寿命。

根据乘联会的数据，2021年前10个月，比亚迪汉EV共销售6.68万辆，销量同比增长超5倍。随着高端化实现成功突破，威尔森监测的数据显示，比亚迪单车均价在今年前7个月已达到15.18万元，超过了大众汽车。
经过十七年的研发之后，比亚迪实现了集芯片设计、晶圆制造、封装测试、生产在内的垂直运作的IDM模式，结合自身上下游优势，充分发掘并开发了其在汽车半导体产业链上的技术潜力。
2020年，新冠疫情爆发，供应链短缺成了全球困扰的问题。而芯片短缺则使得电子产品供应链极度紧张，一方面疫情促进了居家办公、娱乐和电子商务的发展，但另一方面，在科技产品需求猛增的同时，芯片厂却赶不上需求的增速。
疫情的冲击迫使三星电子、恩智浦半导体和英飞凌等海外公司选择暂时关闭工厂。英飞凌和恩智浦是主要的车规级IGBT芯片供应商，关闭工厂使得芯片短缺的情况更是雪上加霜。
而“缺芯”对于斯达半导而言，却是机遇，亦是挑战。
海外IGBT大厂功率半导体产能受疫情影响严重时，斯达加快了IGBT模块产品量产的速度。据IHS Markit数据，2020年全球IGBT模组市场规模达36.3亿美元，斯达半导以2.80%的市场份额位列全球第五位。
根据2020年斯达半导年报披露明细，斯达半导去年营业总收入为9.63亿元，其中，公司工业控制和电源行业的营业收入为7.1亿元，同比增加21.61%；新能源行业营收2.1亿元，同比增加30.38%；变频白家店及其他行业的营业收入为3766万元，同比增长25.18%；电动汽车方面，斯达生产的汽车级IGBT模块去年合计配套超过20万辆电动汽车。
可纵使斯达半导已经做到“全球第五”，仍然因为其Fabless的经营模式被理想汽车排除在供应商之外。
相比于IDM模式，Fabless模式资产轻、风险小，但也因为没有自控产线，产品交付能力及成本控制稍弱，也正是因为如此，斯达半导曾与理想、小鹏的订单失之交臂。
据多家媒体公开报道，2021年7月，理想汽车披露了一份IGBT采购纪要，在英飞凌供货不足的情况下，评估了斯达半导、中车时代电气、比亚迪半导体等多家供应商，其中明确提到：
“我们首选有产线的，因为他们能自控产线，你看斯达这种，他没有办法保障交期”。
斯达丢失的订单正好被转型的中车“抢”走了。
2021年9月30日，中车株洲控股子公司株洲中车时代电气股份有限公司(简称时代电气)在上海证券交易所科创板上市。
时代电气凭借低于英飞凌30%的价格优势、可以保证的交付优势、高配合度的定制服务优势，获得广汽、理想、小鹏等车厂青睐，建立了合作关系。
中车株洲分拆时代电气上市的这一举动，无疑是为了能够更好地切入车规级IGBT。此前中车株洲IGBT产品的电压范围覆盖了750V-6500V，为国内电压覆盖范围最广的厂商，所以切入车规级IGBT对于其他厂商来说就是“降维打击”。
而斯达半导也不甘示弱，2021年9月，斯达宣布定增并新建产线向IDM模式转型，首先瞄准的就是第三代半导体和高压IGBT产品。
但是有投资者形容，在技术壁垒极高的轨道交通及电网领域，中车时代电气的中高压IGBT“拿望远镜都看不到对手”，斯达半导能否“抢占”中车在高压IGBT的市场占有率，还有待观望。
前路
中国IGBT发展的这20年，诞生了许多优秀的企业。
除了比亚迪、斯达半导和中车时代电气，还有拥有国内第一条全内资8英寸专注功率器件晶圆生产线的华润微；全球首家提供场截止型绝缘栅双极型晶体管（FS IGBT）量产技术的8英寸集成电路芯片的华虹半导体以及在全球IGBT分立器件市场份额排名第十的士兰微。
尽管中国的IGBT市场份额和业务量有所增加，但与海外龙头英飞凌在IGBT分立器件和模组市占率相比，仍有一些差距。

但是中国IGBT企业却也在此时看到了新的曙光。
第三代半导体材料——碳化硅（SiC）的机会来了。
半导体迭代的区别只取决于其材料。如果说第一代硅材料半导体已经接近完美晶体，那么以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体具备更优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。

目前的车规级半导体都以硅基IGBT为主，但近年来，SiC半导体材料迅速崛起。相比于硅基IGBT，SiC器件性能更优、体积更小、能耗更低，缺点则在于成本较高，同等级别的SiC MOSFET芯片，其成本是硅基IGBT的8~12倍。
图片来自半导体行业观察
据IHS Markit数据，受新能源汽车庞大需求的驱动以及电力设备等领域的带动，预计到2027年SiC功率器件的市场规模将超过100亿美元，SiC衬底的市场需求也将大幅增长。
在庞大市场需求的吸引下，英飞凌、意法半导体、 罗姆半导体等功率半导体主要供应商纷纷布局SiC功率产品，新能源相关的SiC功率器件应用也在不断落地。
最早的SiC器件出现在2001年，但是直到2010年人们才实现SiC的MOSFET结构。目前全球SiC器件还处于刚刚起步的阶段，即使海外龙头企业具有一些先发优势，但这个技术差距远远小于IGBT数十年积累的“迭代鸿沟”，国内企业仍有弯道超车的机会。
2020年开始，不少的中国IGBT企业，不仅在产能上进行了扩张，更是在SiC布局上开始发力。
2020年底，比亚迪半导体宣布自建一条SiC产线，成为国内首家拥有SiC自有产线的整车厂，比亚迪汉EV便是用SiC MOSFET来控制电机的。
士兰微在2021年二季度时宣布公司SiC功率器件的中试线已实现通线。
2021年9月24日，斯达半导宣布定增获得发审委通过，将募资35亿元用于IGBT芯片、SiC芯片的研发及生产。预计将会达成6英寸IGBT产能30万片/年， 6英寸SiC芯片产能6万片/年。
尾声
中国的半导体产业在发展史上经历了几个重要阶段。
从60年代初的艰难求生到90年代引进六寸生产线和八寸生产线；从2000年在政策支持下建立中芯国际，到2008年开始的“02”专项资金；从2014年开始的大基金，再到2020年的“十四五”计划。
而在其中，政策扶持起到了至关重要的作用。
也正因为有了政策的倾斜，我们才迎来了比亚迪、斯达半导和中车株洲等优秀IGBT企业。
现在，这个已过甲子之年的产业正随着国家对第三代半导体材料的重视迎来新的发展机遇。
当全新的国产半导体产业链完备之时，国产IGBT或可屹立于世界前列。
所以，不要着急，让子弹飞一会儿，或许未来五年才是IGBT厂商们真正腾飞的时代。
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本文主要参考资料如下，在此一并对原作者表示感谢：
《“全球第七”斯达半导转型IDM：加码SiC叫板比亚迪？》杨晶佳 赵芙瑶，中国科技新闻网；
《“中国英飞凌”的出海进击之路》易俊江；
《丁荣军 为轨道交通机车设计中国“芯”》中华儿女 2014年第13期；
《IGBT功率半导体研究框架》方正证券分析师陈杭；
《0基础看懂IGBT的工作原理》绿芯之友；
《IGBT之父：他开创了整个电器时代》半导体行业观察；
《那些跻身百亿美元营收的半导体厂商之六 —— “百亿俱乐部新贵”英飞凌》AI电堂；
《中国车规IGBT企业的野心、行动、图谋与布局》芯锂话；
《IGBT的发展为什么这么难？》科创之道；
《IGBT的江湖，比亚迪微电子的故事》上海国际新能源汽车技术博览会；
《布局第三代半导体的本土上市公司》半导体行业观察；
《碳化硅功率半导体在新能源汽车中的应用》半导体行业观察；
《“中国芯”是怎样炼成的》湖南日报；
《百亿电动车市场，等待一个IGBT巨头》潘涛；
《中国IGBT双雄的进击之路》杨健楷/巫桐；
《陈大同谈中国半导体产业:模仿只是过渡 创新才能走远》澎湃新闻；
《行业投资策略：新能源需求持续景气，产业转移为半导体设备材料提供黄金发展期》开源证券分析师刘翔。