「香港飛龍」標誌 本文内容： 位於德國艾菲爾山區紐博格林北環（紐北），蜿蜒的賽道穿梭於密林與山丘之間，由於事故頻發，被三屆F1世界冠軍Jackie Stewart稱爲“綠色地獄”。這條長達20.8公里的傳奇賽道，以極限彎道、高低落差和複雜路況聞名於世，是全球車企測試車輛性能的終極挑戰。在某天午後，一輛全新高性能燃油車正在這裏衝擊圈速，在順利通過多箇彎道後，賽車卻出現了動力衰減，油門響應變得遲鈍，像是被一隻無形的手拖拽着，儘管車手嘗試降檔補償動力損失，但發動機的回饋依舊乏力，最終圈速遠慢於預期。問題出在了哪裏？工程團隊立即展開排查，先後檢查了燃油供給系統、增壓控制模塊、ECU軟件策略，但一切參數均在正常範圍，最終，他們的目光鎖定在了點火系統的核心器件——IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）芯片。原來，賽道的高負荷環境讓現有 IGBT 芯片的耐壓性能接近極限，同時高溫導致開關特性漂移，點火能量不足，進而影響燃燒效率，最終導致動力輸出大幅降低。小小的IGBT點火芯片，讓汽車廠商衝擊圈速榜的努力功虧一簣，但這也不禁讓人好奇，這顆芯片在汽車中扮演了什麼樣的角色，又爲何會在關鍵時刻掉鏈子呢？點火 IGBT 的前世今生想要瞭解這顆芯片，就不得不講到汽車點火系統的發展歷程。最早的點火系統可以追溯至19世紀末誕生的內燃機，彼時距離電子系統發明還有相當遙遠的一段距離，因此汽車的發動機極度依賴於機械系統，通過振動線圈（又稱“斷續點火”）來產生初始火花，但這套系統的穩定性與可靠性堪憂，其結構在今天看來也非常簡陋。隨着時間來到20 世紀初期，高壓磁電機點火系統的出現標誌着一次技術上的重大飛躍，這一系統通過固定線圈與旋轉磁鐵的組合，能在更廣泛工況下產生可靠的高壓電脈衝。然而，隨着蓄電池在車輛中的普及，磁電機系統逐漸被感應線圈系統取代。例如 1886 年的奔馳專利汽車（Benz Patent-Motorwagen）和 1908 年的福特 Model T 車型都採用了全新的振動線圈點火系統，該系統利用振動裝置反覆中斷線圈中的電流，在每個燃燒循環中生成一系列快速火花。而在 1912 年，Delco 推出了改進版的 Kettering 點火系統，該系統由單個點火線圈、斷電器、一箇電容器和分電器組成，可將高壓電流分配至相應的氣缸。由於其結構相對簡單且成本較低，Kettering 系統在很長一段時間內都是主流點火技術。儘管滿足了汽車發展的需求，但這幾種點火系統的缺陷都非常明顯：磁電機系統在低轉速時火花強度不足導致啓動困難，部分車型需額外配備輔助電池，固定點火正時設計難以適應不同轉速需求；振動線圈系統無法產生現代系統的高能精準單次火花；Kettering系統雖經改良，仍存在機械斷電器易磨損、電弧燒蝕等問題，需頻繁維護，且初始火花強度弱、持續時間短。此時，晶體管的發明讓汽車廠商們如獲至寶，電子點火系統正式登上舞臺。晶體管作爲電子開關控制點火線圈的電流流動，一舉解決了機械系統存在的諸多問題。由於晶體管的介入，斷電器僅需承受較小的觸發電流，大大延長了其使用壽命。值得一提的是，部分先進的晶體管點火系統甚至完全消除了機械斷電器，改用霍爾傳感器或光學傳感器進行觸發，其工作原理是點火開關啓動後，控制模塊通過晶體管精確調控高壓電流至火花塞的時機，利用晶體管快速開關特性實現磁場驟變，從而產生更強的二次電壓。而在上世紀80年代誕生的IGBT（絕緣柵雙極晶體管），帶動了電子點火技術的又一次飛躍發展，其結合了 MOSFET 的高輸入阻抗與雙極晶體管的低飽和電壓特性，在點火系統中主要作爲高頻率開關，用於控制點火線圈的初級電流。值得關注的是，隨着電子點火系統普及，電子控制單元（ECU）成爲現代點火系統的核心大腦，它藉助各種先進的傳感器，如曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、進氣壓力傳感器、水溫傳感器以及爆震傳感器等，實時、精確地監測發動機的運行狀態。基於這些豐富而精準的信息，ECU 能夠運用複雜的算法計算出每個氣缸在不同工況下的最佳點火提前角，並向 IGBT 驅動電路發送精確的調整信號，IGBT 開啓時，電流在點火線圈中積聚，而 IGBT 關閉時，電流的急劇變化在點火線圈的次級繞組中感應出高壓脈衝，隨後傳輸至火花塞點燃混合氣。這種智能化的控制方式使得點火時刻能夠根據發動機的實際需求進行動態調整，極大地提高了點火的準確性和可靠性，有效提升了發動機的動力輸出，減少了燃油消耗和尾氣排放。從19世紀到21世紀，汽車點火系統歷經機械振動線圈、磁電機、Kettering 系統，再到電子點火系統，每一代技術都在優化性能、效率和可靠性，時至今日，IGBT點火芯片有着不可替代的作用，不僅僅是燃油車，如今遍地開花的增程式電動車（EREV）同樣需要IGBT用於控制增程器的點火線圈和噴油系統，以此來確保汽車發動機在需要時高效運作。IGBT 以其快速開關、低飽和電壓和高輸入阻抗的卓越特性，在新能源迅速發展的大背景下，仍然發揮着提升燃油效率、減少排放的關鍵作用，成爲衆多功率半導體廠商密切關注的焦點。國產芯片的火苗隨着新能源汽車向高端化、智能化不斷迭代，市場對點火IGBT提出了越來越苛刻的技術要求，不僅需要更高的耐壓等級、更低的導通損耗，還要求具備更強的抗衝擊能力和更優的熱管理性能。但點火這一關鍵核心器件，仍然牢牢掌握在少數幾家海外半導體巨頭手中，形成了一種技術壟斷的態勢。在這一高度細分且技術壁壘極高的賽道上，由安森美（onsemi）、意法半導體（ST）和羅姆（ROHM）等少數幾家龍頭企業佔據主導地位，構築了非常強大技術壁壘。這些國際巨頭通過長期的技術積累和持續的研發投入，鎖定了點火IGBT市場中絕大部分份額，令許多後來者望而生畏。而成立於1988年的國內老牌半導體企業上海貝嶺，在功率器件領域深耕多年後，正在憑藉基於全國產供應鏈的自研點火 IGBT 芯片，悄然改變曾被巨頭壟斷的市場。據研發負責人介紹，上海貝嶺在2019年初拜訪了國內主要Tier1客戶，在華大半導體汽車電子戰略支持下，其於2019年底啓動首顆汽車點火IGBT產品開發，“作爲負責人，我還記得項目啓動時的情景，如何提高產品穩定性和可靠性，同時還要降低能耗和提高使用結溫，都是當時貝嶺必須攻克的技術難關。”面對這部分難題，貝嶺積極與Fab廠、封裝廠及頭部客戶建立緊密技術協作，同時戰略性引進先進研發設備和核心技術人才，歷經兩年攻堅，最終在2021年底成功實現產品車規級認證和客戶量產導入。據瞭解，在電路結構方面，貝嶺摒棄了早期成本高、空間佔用大的分立器件方案，創新性地採用集成方案。通過在IGBT的柵極-集電極間精心設計多晶硅二極管和電阻，不僅有效降低了生產成本，還顯著提升了芯片的可靠性。負責人表示，在版圖設計方面，貝嶺工程師們將芯片巧妙地劃分爲有源區、終端場環等功能區域，如同精心規劃的城市版圖。中間的有源區如同芯片的"心臟"，負責主要的功率轉換；四周的終端場環則如同堅固的"城牆"，確保芯片在高反偏壓條件下穩定運行。每一箇區域的佈局都經過精心計算，相互協同、緊密配合。而在元胞結構選擇上，貝嶺同樣展現出卓越的工藝水平。他們採用了一種類似穿通型（PT）但工作模式更接近非穿通型（NPT）的創新結構。這種獨特的設計不僅降低了器件成本，還能有效減少高溫環境下的芯片損耗，特別適合內燃機點火的低頻應用工況。當然，光是技術方面的領先，還不足以在IGBT點火芯片市場中站穩腳跟，在汽車廠商最爲看重的可靠性與穩定性方面，貝嶺更是下足了功夫。“我們的點火IGBT芯片通過了極其嚴苛的AEC-Q101-Rev-E車規級認證，可以說，整個認證過程就像是一場殘酷的技術‘鐵人三項’。”負責人一邊舉起手中的器件，一邊強調道。從溫度循環測試到高溫高溼反向偏壓測試，從高溫工作壽命測試到機械衝擊測試，每一項都是對芯片性能的極限考驗，貝嶺的IGBT芯片需要在-40°C到+150°C的溫度跨度中經歷數千次循環，在高溫高溼的惡劣環境中保持穩定，在汽車行駛的顛簸路況中屹立不倒。落在實際應用中，貝嶺的點火IGBT芯片更是表現出了令人驚訝的穩定性：在25Hz/3.5ms的測試條件下，其溫升僅爲60℃左右，比同類品牌產品低5℃。這看似微小的溫差背後，卻蘊含着顯著的性能優勢，低溫升意味着更低的熱損耗、更長的使用壽命，以及在複雜工況下更穩定的點火性能。“說實話，”技術負責人不無自豪地說，“我們的點火IGBT芯片是實實在在的‘國產精品”，自主研發的獨特電路設計和先進工藝，讓我們在短短几年內累計銷售突破數百萬顆，在國內汽車電子市場佔據了相當可觀的份額。不僅如此，我們還獲得了多項行業大獎，這背後是團隊近乎執着的技術追求。”他頓了頓，眼中閃爍着技術人特有的自豪光芒，"從技術角度來看，我們的芯片在可靠性和性能上已經完全可以與國際一流水平媲美。這不僅僅是一箇產品，更是我們對‘中國智造’的一次生動詮釋。”值得關注的是，貝嶺並非是單槍匹馬在奮鬥，在母公司華大半導體的資源整合下，得到了兄弟企業積塔半導體的工藝支持，通過發揮C-IDM體系優勢，進一步提升了產品競爭力。在高端汽車電子芯片長期被英飛凌、安森美等國際巨頭壟斷的背景下，貝嶺的突破具有里程碑式的戰略意義。這不僅是一次技術創新，更是國產芯片在高端市場突圍的重要一役。半導體精品公衆號推薦專注半導體領域更多原創內容關注全球半導體產業動向與趨勢*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。今天是《半導體行業觀察》爲您分享的第4096期內容，歡迎關注。『半導體第一垂直媒體』實時 專業 原創 深度公衆號ID：icbank喜歡我們的內容就點“在看”分享給小夥伴哦 (本文内容不代表本站观点。) --------------------------------- |
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