中國軌道交通IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的發展進程繞不開一個關鍵靈魂人物——中國工程院院士、原中車株洲電力機車研究所有限公司（中車株洲）董事長丁榮軍。

驅車沿株洲市境內湘江右岸一路行駛，不久便會看到“田心工業區”的醒目標志牌，工業區綿延十里，被譽為中國先進軌道交通裝備研發和制造的“動力之都”。而丁榮軍帶領的中車株洲電力機車研究所正是坐落于此。

2014年5月初，中國首條、世界第二條8英寸IGBT芯片生產線在中車株洲研究所投產，彼時也是丁榮軍落戶株洲、投身軌道交通機車“機芯”設計的第三十年。

這三十年對于他來說是一條不斷挑戰的路。

作為軌道交通“機芯”技術中最為先進、效能最為突出的高端產品，IGBT長期被發達國家壟斷技術。

丁榮軍在接受采訪時表示，他還記得第一次引進的時候，外國公司很明確地在技術轉讓文件上注明，傳動和控制電驅動系統的IGBT技術不能轉讓。

“當時我看到這個很傷心，但反過來也激發了我們去努力。”

2017年，中車株洲的IGBT被用在行駛于京滬兩地的復興號上，中國高鐵在這一年真正實現了自主國產化。

然而縱觀歷史，中國對于IGBT的探索卻遠遠不止于此，從變頻家電領域到工業級領域，從車規級到軌交級，IGBT都緊隨著中國前進的腳步向前邁去。

只是相對于國外已經發展了近半個世紀的成熟技術，中國IGBT發展的道路顯得艱難又曲折。

蹣跚

20世紀70年代，美國正處于油價高漲與石油緊缺的供需矛盾之下，對社會、經濟發展都造成了許多影響，這背后是巨大的油耗量。

而造成油耗量巨大的原因是當時汽車、工業產品的電機效率低下。

如果把電比作是血液，那么電機/電控就好比是電動汽車的心臟。而功率半導體就是其中電能轉換和控制的核心，主要用于改變電壓和頻率。

其實當時用于控制電機轉速的MOSFET已經是比較好的功率器件了，它能夠以可變頻率向電機組輸出功率；但是由于MOSFET只能應用于低壓場景中，并不足以滿足高電壓下對輸出電壓的準確調節。

1980年，美國通用電氣的工程師Jayant Baliga發明了一種兼具MOSFET管和雙極型晶體管（BJT）優點的復合型元器件——絕緣柵雙極晶體管（IGBT），能夠更好地控制感應電機的電源線頻率，進而控制其轉速使得功率降低，以減少油耗損失。

事實上IGBT的結構與MOSFET十分接近，只是在其背面增加了N+和P+層，“+”意味著更高的自由電子或者空穴密度。從而IGBT在保留MOSFET優點的同時，增加了載流能力和抗壓能力。

現在，IGBT也被稱為是電力電子行業里的“CPU”， 在照明、工業、消費、交通、醫療、可再生能源、電力傳輸等眾多領域中獲得了廣泛的應用。

IGBT既可以幫助空調、洗衣機實現較小的導通損耗和開關損耗，實現節能減排；又可以應用在急救除顫器上，使其從200V電源輸出100KW的雙向震動；還可以應用于太陽能、風能發電的逆變器里，將蓄電池的直流電逆變成交流電。

IGBT在不同電壓下的應用

不過，盡管通用公司最先做出這個被譽為掌控電力世界的鑰匙——IGBT，但是由于通用公司內部投資形勢不太樂觀；再加上Baliga發明了IGBT之后，西門子、三菱、富士等廠商立刻對這種器件產生了濃厚的興趣，開始著力研發，與通用形成了激烈的競爭。

最終在1988年，通用公司決定賣掉整個半導體業務，同時也放棄了這把“鑰匙”。眼見通用退出比賽，德國西門子與日本三菱、富士一涌而上，瓜分剩余的市場份額。

20世紀末期，全球IGBT芯片產業角逐激烈，德國和日本可以說是IGBT角斗場上最為重磅的兩位玩家，而當時的中國仿佛被這一場競爭隔絕在外。

1996年，西門子半導體事業部來無錫設立封測廠。1999年，西門子將半導體部門拋售，后改名為英飛凌，西門子無錫封測廠也隨之更名為英飛凌科技（無錫）有限公司。

短短四年時間，英飛凌的第六代IGBT承受工作電壓水平從之前的4500V提高到6500V，全球市占率超過一半，占據絕對領先地位。

而此時，中國企業甚至連IGBT的藍圖都還沒有構思。

比亞迪還在全球鎳鎘電池的市場上縱橫；中車株洲此時在為解決軌交電氣系統研發而費盡心思；江湖上也還沒有斯達半導的傳說。

那時沒有人能想象，20年之后，IGBT的賽場上竟能出現中國企業的身影。

起步

對于國內廠商來說，生產IGBT之難主要來自于兩點：

1.設計工藝難——費人；

2.制造技術難——費錢。

從原理看，IGBT就是一個簡單的電路，但是其屬于電力電子芯片，IGBT的設計需保證開閉合損耗、抗短路能力和導通壓降（控制熱量）三者處于均衡狀態，與參數調整優化十分特殊和復雜，并且IGBT對背面工藝和減薄工藝（對已完成功能的晶圓的背面基體材料進行磨削，去掉一定厚度的材料）技術的要求很高。

制造層面，IGBT可以分為IDM模式（有晶圓廠）和Fabless模式（無晶圓廠）。

通常情況下，國外的廠商發展歷史較長、流動資金充足，往往會選擇IDM模式，這種方式的優點在于產能、工藝都可控，而且能把核心技術掌握在自己手中。

面對這些困局，比亞迪與中車株洲在當時同時選擇了以收購開辟一條新道路。

2008年，比亞迪董事長王傳福宣布一則公告，直接把自己推上輿論的焦點：比亞迪以1.7億元收購寧波中緯半導體公司。市場頓時引起一片嘩然，彼時的比亞迪已經收購秦川汽車，靠著比亞迪F3成功打開了汽車市場，從電池制造商轉型為全國第一汽車企業。

而寧波中緯半導體則是寧波市政府白白投了30億的失敗項目。當時文章對于比亞迪的報道無一不是質疑與不解，“比亞迪至少虧20億”、“王傳福2億殺入銷金窟”等聲音不絕于耳。

圖片來自網絡

當時本該如日中天的比亞迪股價也因此一落千丈。

2008年7月24日 比亞迪股價跌至5.827港元/股

直到2009年，比亞迪IGBT 1.0橫空出世，讓中國在IGBT技術上實現了從零到一的突破，人們才明白王傳福收購寧波中緯半導體不是心血來潮。

緊接著，比亞迪推出了IGBT 2.0和IGBT2.5，雖然在當時都未激起太大的漣漪，但這只是比亞迪實現自產IGBT芯片的初步嘗試，往后更新的芯片搭配比亞迪自產的新能源車，才讓比亞迪迎來了屬于它的春天。

此時，中車株洲也迎來了一個絕佳機會。

2008年的金融危機，使得丹尼克斯——一家掌握IGBT關鍵技術的英國大功率半導體企業——股價重挫、資金困窘，在市場擴展上無力可施，最終面臨破產。剛上市的中車株洲隨即決定以大約一億元人民幣的價格收購了丹尼克斯，隨后投入巨資，將丹尼克斯的4英寸IGBT生產線升級為6英寸生產線。

中車株洲此舉的背后在于，其長期專注于攻克軌交電氣系統，深知IGBT對于軌交電氣系統的重要性：IGBT在電氣系統中相當于一個“閘門”，把電流疏通過去實現電流與電壓之間的精細控制，便能讓列車在啟動后即刻提速至300公里/時以上。

一輛八節的高鐵上大約會用到128個IGBT模塊，每個模塊24個IGBT芯片，而一個指甲蓋大小的IGBT大約包含五萬個納米級的元件，能抗住6500V高壓，每秒可實現10萬次電流開關動作。

就是這樣一個指甲蓋大小的IGBT，中國每年都要用掉將近10萬只，進口IGBT芯片的金額更是高達12億元之多。通常，一個芯片模組就高達1萬元，并且產品交貨周期很長，根本無法滿足中國高速發展的高鐵建設規模。

為了更好地實現中國高鐵自主建造，中車株洲在收購丹尼克斯之后就開始了“背水一戰”。此時，中車株洲內部也出現了兩種不同的聲音：

一種堅持原封不動地將丹尼克斯6英寸IGBT生產線復制到國內，盡快實現產業化；另一種則認為應該升級技術，建設一條比丹尼克斯基地更為先進的8英寸IGBT生產線。

中車株洲研究所董事長丁榮軍力排眾議，提出基于丹尼克斯的技術，充分吸收IGBT的創新發展成果，果斷拍板建設8英寸IGBT生產線。

“不能總是追趕別人，我們要超越。”

斯達半導也在這幾年趕上了好時候。

作為麻省理工學院電子材料博士的沈華，一畢業就加入了西門子微電子部門，后因業務分拆跟隨部門來到英飛凌，再然后沈華來到了Xilinx，Inc——一家位于硅谷的著名FPGA公司，負責新產品的開發，2003年開始負責當時最先進的65納米工藝技術。

2005年，沈華作為曾經英飛凌的老將，決定組建屬于自己的公司。

而就在一年后，國家科技部宣布將IGBT的研制列為七大課題之一，投入巨資集中研發。

站在風口的斯達半導，2008年獲得了國家發改委800萬元和工信部100萬元的項目資金資助，創始人沈華也在隨后入選首批“留學人員回國創業啟動支持計劃”。

斯達半導一開始選擇了從組裝IGBT模塊入手，沈華擁有良好的渠道關系，加上斯達的高管們本就對國外同行的狀況了如指掌，又與國內客戶近距離溝通的機會，使得斯達占據了天時、地利、人和三要素，在國內客戶需求和供貨速度上都展現了前所未有的優勢。

就在中國IGBT廠商努力前進追趕國外IGBT技術的時候，一道政策的發布像是一劑催化劑，打開了中國新能源車的發展歷程，也間接加速了中國的IGBT事業。

加速

2014年，國家發改委發布了《關于電動汽車用電價格政策有關問題的通知》，要求地方各級財政補貼不得超過中央財政單車補貼額的50%，除燃料電池汽車之外的各類車型，2019-2020年中央地方補貼標準和上線在現行標準基礎上退坡20%。

同年，中國新能源汽車全年共生產7.85萬輛，生產量同比增長近3.5倍，銷售約7.48萬輛，銷售量同比增長近3.2倍。

也就在這一年，中國互聯網企業開始進軍新能源汽車行業，蔚來、小鵬、理想先后創立，更是有許多老牌車企開始轉型制造新能源汽車。

新能源車與IGBT之間的重要關系，比亞迪最清楚。

在IGBT供應商與新能源車整車廠之間，連接的是電控廠商。

這也是當初王傳福執意要收購寧波中緯半導體的原因。2003年，比亞迪收購秦川汽車之后，開始致力于打造新能源汽車的路線，但是新能源汽車中的電驅動控制技術一直無法攻克，其原因就是車規級IGBT技術長期以來被英飛凌所掌控。

車規級IGBT最主要的應用是實現交流電和直流電的轉換。當外界充電的時候是交流電，需要通過IGBT轉變成直流電然后給電池，同時要把220V電壓轉換成適當的電壓才能給電池組充電。而當需要電池給汽車傳送電的時候，通過IGBT把直流電轉變成交流電機使用的交流電，轉換成適當的電壓同時起到對交流電機的變頻控制。

圖片來自雪球

在此之前，比亞迪就已經花了3年時間研究車用IGBT的理論與封裝業務，并和斯達半導一樣，采用英飛凌的芯片組裝模塊出售。但很快比亞迪就意識到模塊封裝作為下游環節，并不能真正解決IGBT芯片上游的技術與研發問題，于是才做出收購寧波中緯半導體的這一“大動作”，開始走上了自主研發IGBT的前進之路。

攻克下IGBT芯片技術之后，比亞迪構建了自產自銷的閉合產業鏈條，制造出的IGBT芯片封裝成模塊后直接供給給電控廠商，也使得比亞迪的供應鏈自給率高達70%，并且大幅降低了成本。

也正是在理想、蔚來、小鵬等新能源車發展之際，斯達半導詮釋了什么叫“好風憑借力，送我上青云”。

多數新興智能汽車廠商本是互聯網出身，需要整合一輛兼具高性能和較高性價比的汽車并非易事，而第三方電控廠商在此時就起到了搭建橋梁的作用。

在斯達半導披露的IPO報告中，可以清晰地看到英威騰與匯川技術分別為其第一和第二大客戶，總占比超20%，而英威騰與匯川技術正是國內新能源汽車電控技術的龍頭廠商。

造車新勢力的供應需要電控技術的支持，而電控技術需要IGBT的整合。斯達半導借著匯川與英威騰的風力成功乘上了青云，2016年斯達半導的IGBT模塊全球市場占有率為2.50%，躋身進全球十大功率模塊廠商。

中車株洲也在收購英國丹尼克斯之后如虎添翼，并聯合浙大啟動關于軌交IGBT芯片的02專項。

軌交IGBT相較于車規級IGBT需要能承受住更高的電壓，再加上軌交運行條件過于惡劣，中國軌交運行跨度極大，從上海到西藏、從哈爾濱到廣州的線往往需要行駛超長時間，并且環境溫差極大。

這使得軌交IGBT需要具備極高的電磁兼容（EMC）標準、超高的運行可靠性以及長時間的使用效率。

2011年，中車株洲IGBT打算進入軌交系統，但是卻沒能成功打開市場，IGBT畢竟是軌交的核心部件之一，一旦出錯后果不堪設想，所以當時大多廠商對中車株洲自制的IGBT還保持較為謹慎的態度。

直到2014年，中車株洲自主研制的8英寸IGBT芯片成功下線，才讓人們看到了中國在高壓IGBT的可能性。

可還沒等中車株洲欣喜太久，國際市場上軌交IGBT的價格戰已處于白熱化狀態。正當中車株洲打算以低于市場價30%推出產品時，外商竟聯手將IGBT的價格降了70%，產品一上市就打起了價格戰。

價格戰愈打愈烈，中車株洲只能無奈跟進，并逐漸搶奪海外廠商的份額。

從2014年至2016年，中車株洲的大功率半導體的中國市場市占率從0升至60%。

獲取國內市場大部分訂單后，中車株洲選擇走出國門，出口印度、馬來西亞；并且在俄羅斯、意大利及中歐市場也開始布局，取得了小批量訂單。

2017年底，石濟高鐵開通運營，中國“四縱四橫”高鐵網全部建成通車，長達十年的高鐵建造運動告一段落。

超越

2020年年底，在深圳比亞迪集團總部，新東方創始人俞敏洪問王傳福：

“所有中國造車廠商都要給汽車起個外國名字，覺得這樣才顯得洋氣，結果你反其道而行之，（起了）‘秦漢宋元’，很容易讓老百姓覺得這車起個中文名很土，你怎么敢就這么一步步往上頂？”

王傳福回憶起了之前的經歷，他說：

“我想爭一口氣，把產業做大，把中國應有的位置坐起來，所以‘漢’這款車型如果做不好，我也是無地自容。”

根據乘聯會的數據，2021年前10個月，比亞迪漢EV共銷售6.68萬輛，銷量同比增長超5倍。隨著高端化實現成功突破，威爾森監測的數據顯示，比亞迪單車均價在今年前7個月已達到15.18萬元，超過了大眾汽車。

但鮮有人知的是，漢EV所搭載的便是比亞迪自研的4.0代IGBT，被稱為IGBT智慧“中國芯”。 比亞迪IGBT 4.0代綜合損耗較當前市場主流的IGBT降低了約20%。當電流通過IGBT器件時，受到的損耗降低，使得整車電耗顯著降低。

如果說此前的IGBT1.0是橫空出世的驚喜之作，那比亞迪的IGBT4.0可以說是開創中國IGBT時代的曠世之作。

據比亞迪稱，2009年推出的IGBT1.0僅僅相當于國外1995年左右的技術水平，即便是后續的IGBT2.5也僅僅相當于國外2000年左右的技術水平。而比亞迪的IGBT4.0達到了國外同一階段IGBT的主流性能水平，在部分指標上還實現了反超。

同時，其電流輸出能力較當時市場主流的IGBT高15%，支持整車具有更強的加速能力和更大的功率輸出能力。而且IGBT4.0溫度循環壽命相當于其他市場主流IGBT的10倍以上，當比亞迪電動車在應對各種極端氣候、路況時，能有更高的可靠性和更長的使用壽命。

根據乘聯會的數據，2021年前10個月，比亞迪漢EV共銷售6.68萬輛，銷量同比增長超5倍。隨著高端化實現成功突破，威爾森監測的數據顯示，比亞迪單車均價在今年前7個月已達到15.18萬元，超過了大眾汽車。

經過十七年的研發之后，比亞迪實現了集芯片設計、晶圓制造、封裝測試、生產在內的垂直運作的IDM模式，結合自身上下游優勢，充分發掘并開發了其在汽車半導體產業鏈上的技術潛力。

2020年，新冠疫情爆發，供應鏈短缺成了全球困擾的問題。而芯片短缺則使得電子產品供應鏈極度緊張，一方面疫情促進了居家辦公、娛樂和電子商務的發展，但另一方面，在科技產品需求猛增的同時，芯片廠卻趕不上需求的增速。

疫情的沖擊迫使三星電子、恩智浦半導體和英飛凌等海外公司選擇暫時關閉工廠。英飛凌和恩智浦是主要的車規級IGBT芯片供應商，關閉工廠使得芯片短缺的情況更是雪上加霜。

而“缺芯”對于斯達半導而言，卻是機遇，亦是挑戰。

海外IGBT大廠功率半導體產能受疫情影響嚴重時，斯達加快了IGBT模塊產品量產的速度。據IHS Markit數據，2020年全球IGBT模組市場規模達36.3億美元，斯達半導以2.80%的市場份額位列全球第五位。

根據2020年斯達半導年報披露明細，斯達半導去年營業總收入為9.63億元，其中，公司工業控制和電源行業的營業收入為7.1億元，同比增加21.61%；新能源行業營收2.1億元，同比增加30.38%；變頻白家店及其他行業的營業收入為3766萬元，同比增長25.18%；電動汽車方面，斯達生產的汽車級IGBT模塊去年合計配套超過20萬輛電動汽車。

可縱使斯達半導已經做到“全球第五”，仍然因為其Fabless的經營模式被理想汽車排除在供應商之外。

相比于IDM模式，Fabless模式資產輕、風險小，但也因為沒有自控產線，產品交付能力及成本控制稍弱，也正是因為如此，斯達半導曾與理想、小鵬的訂單失之交臂。

據多家媒體公開報道，2021年7月，理想汽車披露了一份IGBT采購紀要，在英飛凌供貨不足的情況下，評估了斯達半導、中車時代電氣、比亞迪半導體等多家供應商，其中明確提到：

“我們首選有產線的，因為他們能自控產線，你看斯達這種，他沒有辦法保障交期”。

斯達丟失的訂單正好被轉型的中車“搶”走了。

2021年9月30日，中車株洲控股子公司株洲中車時代電氣股份有限公司（簡稱時代電氣）在上海證券交易所科創板上市。

時代電氣憑借低于英飛凌30%的價格優勢、可以保證的交付優勢、高配合度的定制服務優勢，獲得廣汽、理想、小鵬等車廠青睞，建立了合作關系。

中車株洲分拆時代電氣上市的這一舉動，無疑是為了能夠更好地切入車規級IGBT。此前中車株洲IGBT產品的電壓范圍覆蓋了750V-6500V，為國內電壓覆蓋范圍最廣的廠商，所以切入車規級IGBT對于其他廠商來說就是“降維打擊”。

而斯達半導也不甘示弱，2021年9月，斯達宣布定增并新建產線向IDM模式轉型，首先瞄準的就是第三代半導體和高壓IGBT產品。

但是有投資者形容，在技術壁壘極高的軌道交通及電網領域，中車時代電氣的中高壓IGBT“拿望遠鏡都看不到對手”，斯達半導能否“搶占”中車在高壓IGBT的市場占有率，還有待觀望。

前路

中國IGBT發展的這20年，誕生了許多優秀的企業。

除了比亞迪、斯達半導和中車時代電氣，還有擁有國內第一條全內資8英寸專注功率器件晶圓生產線的華潤微；全球首家提供場截止型絕緣柵雙極型晶體管（FS IGBT）量產技術的8英寸集成電路芯片的華虹半導體以及在全球IGBT分立器件市場份額排名第十的士蘭微。

盡管中國的IGBT市場份額和業務量有所增加，但與海外龍頭英飛凌在IGBT分立器件和模組市占率相比，仍有一些差距。

但是中國IGBT企業卻也在此時看到了新的曙光。

第三代半導體材料——碳化硅（SiC）的機會來了。

半導體迭代的區別只取決于其材料。如果說第一代硅材料半導體已經接近完美晶體，那么以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體具備更優異的材料物理特性，為進一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。

目前的車規級半導體都以硅基IGBT為主，但近年來，SiC半導體材料迅速崛起。相比于硅基IGBT，SiC器件性能更優、體積更小、能耗更低，缺點則在于成本較高，同等級別的SiC MOSFET芯片，其成本是硅基IGBT的8~12倍。

圖片來自半導體行業觀察

據IHS Markit數據，受新能源汽車龐大需求的驅動以及電力設備等領域的帶動，預計到2027年SiC功率器件的市場規模將超過100億美元，SiC襯底的市場需求也將大幅增長。

在龐大市場需求的吸引下，英飛凌、意法半導體、 羅姆半導體等功率半導體主要供應商紛紛布局SiC功率產品，新能源相關的SiC功率器件應用也在不斷落地。

最早的SiC器件出現在2001年，但是直到2010年人們才實現SiC的MOSFET結構。目前全球SiC器件還處于剛剛起步的階段，即使海外龍頭企業具有一些先發優勢，但這個技術差距遠遠小于IGBT數十年積累的“迭代鴻溝”，國內企業仍有彎道超車的機會。

2020年開始，不少的中國IGBT企業，不僅在產能上進行了擴張，更是在SiC布局上開始發力。

2020年底，比亞迪半導體宣布自建一條SiC產線，成為國內首家擁有SiC自有產線的整車廠，比亞迪漢EV便是用SiC MOSFET來控制電機的。

士蘭微在2021年二季度時宣布公司SiC功率器件的中試線已實現通線。

2021年9月24日，斯達半導宣布定增獲得發審委通過，將募資35億元用于IGBT芯片、SiC芯片的研發及生產。預計將會達成6英寸IGBT產能30萬片/年， 6英寸SiC芯片產能6萬片/年。

尾聲

中國的半導體產業在發展史上經歷了幾個重要階段。

從60年代初的艱難求生到90年代引進六寸生產線和八寸生產線；從2000年在政策支持下建立中芯國際，到2008年開始的“02”專項資金；從2014年開始的大基金，再到2020年的“十四五”計劃。

而在其中，政策扶持起到了至關重要的作用。

也正因為有了政策的傾斜，我們才迎來了比亞迪、斯達半導和中車株洲等優秀IGBT企業。

現在，這個已過甲子之年的產業正隨著國家對第三代半導體材料的重視迎來新的發展機遇。

當全新的國產半導體產業鏈完備之時，國產IGBT或可屹立于世界前列。

所以，不要著急，讓子彈飛一會兒，或許未來五年才是IGBT廠商們真正騰飛的時代。

審核編輯 ：李倩