位于德國(guó)艾菲爾山區(qū)紐博格林北環(huán)（紐北），蜿蜒的賽道穿梭于密林與山丘之間，由于事故頻發(fā)，被三屆F1世界冠軍Jackie Stewart稱為“綠色地獄”。這條長(zhǎng)達(dá)20.8公里的傳奇賽道，以極限彎道、高低落差和復(fù)雜路況聞名于世，是全球車企測(cè)試車輛性能的終極挑戰(zhàn)。

在某天午后，一輛全新高性能燃油車正在這里沖擊圈速，在順利通過(guò)多個(gè)彎道后，賽車卻出現(xiàn)了動(dòng)力衰減，油門響應(yīng)變得遲鈍，像是被一只無(wú)形的手拖拽著，盡管車手嘗試降檔補(bǔ)償動(dòng)力損失，但發(fā)動(dòng)機(jī)的回饋依舊乏力，最終圈速遠(yuǎn)慢于預(yù)期。

問(wèn)題出在了哪里？

工程團(tuán)隊(duì)立即展開排查，先后檢查了燃油供給系統(tǒng)、增壓控制模塊、ECU軟件策略，但一切參數(shù)均在正常范圍，最終，他們的目光鎖定在了點(diǎn)火系統(tǒng)的核心器件——IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）芯片。

原來(lái)，賽道的高負(fù)荷環(huán)境讓現(xiàn)有 IGBT 芯片的耐壓性能接近極限，同時(shí)高溫導(dǎo)致開關(guān)特性漂移，點(diǎn)火能量不足，進(jìn)而影響燃燒效率，最終導(dǎo)致動(dòng)力輸出大幅降低。

小小的IGBT點(diǎn)火芯片，讓汽車廠商沖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么樣的角色，又為何會(huì)在關(guān)鍵時(shí)刻掉鏈子呢？

點(diǎn)火 IGBT 的前世今生

想要了解這顆芯片，就不得不講到汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展歷程。

最早的點(diǎn)火系統(tǒng)可以追溯至19世紀(jì)末誕生的內(nèi)燃機(jī)，彼時(shí)距離電子系統(tǒng)發(fā)明還有相當(dāng)遙遠(yuǎn)的一段距離，因此汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)極度依賴于機(jī)械系統(tǒng)，通過(guò)振動(dòng)線圈（又稱“斷續(xù)點(diǎn)火”）來(lái)產(chǎn)生初始火花，但這套系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性堪憂，其結(jié)構(gòu)在今天看來(lái)也非常簡(jiǎn)陋。

隨著時(shí)間來(lái)到20 世紀(jì)初期，高壓磁電機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著一次技術(shù)上的重大飛躍，這一系統(tǒng)通過(guò)固定線圈與旋轉(zhuǎn)磁鐵的組合，能在更廣泛工況下產(chǎn)生可靠的高壓電脈沖。然而，隨著蓄電池在車輛中的普及，磁電機(jī)系統(tǒng)逐漸被感應(yīng)線圈系統(tǒng)取代。

例如 1886 年的奔馳專利汽車（Benz Patent-Motorwagen）和 1908 年的福特 Model T 車型都采用了全新的振動(dòng)線圈點(diǎn)火系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用振動(dòng)裝置反復(fù)中斷線圈中的電流，在每個(gè)燃燒循環(huán)中生成一系列快速火花。

而在 1912 年，Delco 推出了改進(jìn)版的 Kettering 點(diǎn)火系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單個(gè)點(diǎn)火線圈、斷電器、一個(gè)電容器和分電器組成，可將高壓電流分配至相應(yīng)的氣缸。由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且成本較低，Kettering 系統(tǒng)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都是主流點(diǎn)火技術(shù)。

盡管滿足了汽車發(fā)展的需求，但這幾種點(diǎn)火系統(tǒng)的缺陷都非常明顯：磁電機(jī)系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速時(shí)火花強(qiáng)度不足導(dǎo)致啟動(dòng)困難，部分車型需額外配備輔助電池，固定點(diǎn)火正時(shí)設(shè)計(jì)難以適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速需求；振動(dòng)線圈系統(tǒng)無(wú)法產(chǎn)生現(xiàn)代系統(tǒng)的高能精準(zhǔn)單次火花；Kettering系統(tǒng)雖經(jīng)改良，仍存在機(jī)械斷電器易磨損、電弧燒蝕等問(wèn)題，需頻繁維護(hù)，且初始火花強(qiáng)度弱、持續(xù)時(shí)間短。

此時(shí)，晶體管的發(fā)明讓汽車廠商們?nèi)绔@至寶，電子點(diǎn)火系統(tǒng)正式登上舞臺(tái)。晶體管作為電子開關(guān)控制點(diǎn)火線圈的電流流動(dòng)，一舉解決了機(jī)械系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題。由于晶體管的介入，斷電器僅需承受較小的觸發(fā)電流，大大延長(zhǎng)了其使用壽命。

值得一提的是，部分先進(jìn)的晶體管點(diǎn)火系統(tǒng)甚至完全消除了機(jī)械斷電器，改用霍爾傳感器或光學(xué)傳感器進(jìn)行觸發(fā)，其工作原理是點(diǎn)火開關(guān)啟動(dòng)后，控制模塊通過(guò)晶體管精確調(diào)控高壓電流至火花塞的時(shí)機(jī)，利用晶體管快速開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)驟變，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的二次電壓。

而在上世紀(jì)80年代誕生的IGBT（絕緣柵雙極晶體管），帶動(dòng)了電子點(diǎn)火技術(shù)的又一次飛躍發(fā)展，其結(jié)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(diǎn)火系統(tǒng)中主要作為高頻率開關(guān)，用于控制點(diǎn)火線圈的初級(jí)電流。

值得關(guān)注的是，隨著電子點(diǎn)火系統(tǒng)普及，電子控制單元（ECU）成為現(xiàn)代點(diǎn)火系統(tǒng)的核心大腦，它借助各種先進(jìn)的傳感器，如曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、水溫傳感器以及爆震傳感器等，實(shí)時(shí)、精確地監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

基于這些豐富而精準(zhǔn)的信息，ECU 能夠運(yùn)用復(fù)雜的算法計(jì)算出每個(gè)氣缸在不同工況下的最佳點(diǎn)火提前角，并向 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送精確的調(diào)整信號(hào)，IGBT 開啟時(shí)，電流在點(diǎn)火線圈中積聚，而 IGBT 關(guān)閉時(shí)，電流的急劇變化在點(diǎn)火線圈的次級(jí)繞組中感應(yīng)出高壓脈沖，隨后傳輸至火花塞點(diǎn)燃混合氣。

這種智能化的控制方式使得點(diǎn)火時(shí)刻能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，極大地提高了點(diǎn)火的準(zhǔn)確性和可靠性，有效提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，減少了燃油消耗和尾氣排放。

從19世紀(jì)到21世紀(jì)，汽車點(diǎn)火系統(tǒng)歷經(jīng)機(jī)械振動(dòng)線圈、磁電機(jī)、Kettering 系統(tǒng)，再到電子點(diǎn)火系統(tǒng)，每一代技術(shù)都在優(yōu)化性能、效率和可靠性，時(shí)至今日，IGBT點(diǎn)火芯片有著不可替代的作用，不僅僅是燃油車，如今遍地開花的增程式電動(dòng)車（EREV）同樣需要IGBT用于控制增程器的點(diǎn)火線圈和噴油系統(tǒng)，以此來(lái)確保汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在需要時(shí)高效運(yùn)作。

IGBT 以其快速開關(guān)、低飽和電壓和高輸入阻抗的卓越特性，在新能源迅速發(fā)展的大背景下，仍然發(fā)揮著提升燃油效率、減少排放的關(guān)鍵作用，成為眾多功率半導(dǎo)體廠商密切關(guān)注的焦點(diǎn)。

國(guó)產(chǎn)芯片的火苗

隨著新能源汽車向高端化、智能化不斷迭代，市場(chǎng)對(duì)點(diǎn)火IGBT提出了越來(lái)越苛刻的技術(shù)要求，不僅需要更高的耐壓等級(jí)、更低的導(dǎo)通損耗，還要求具備更強(qiáng)的抗沖擊能力和更優(yōu)的熱管理性能。但點(diǎn)火這一關(guān)鍵核心器件，仍然牢牢掌握在少數(shù)幾家海外半導(dǎo)體巨頭手中，形成了一種技術(shù)壟斷的態(tài)勢(shì)。

在這一高度細(xì)分且技術(shù)壁壘極高的賽道上，由安森美（onsemi）、意法半導(dǎo)體（ST）和羅姆（ROHM）等少數(shù)幾家龍頭企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，構(gòu)筑了非常強(qiáng)大技術(shù)壁壘。這些國(guó)際巨頭通過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)積累和持續(xù)的研發(fā)投入，鎖定了點(diǎn)火IGBT市場(chǎng)中絕大部分份額，令許多后來(lái)者望而生畏。

而成立于1988年的國(guó)內(nèi)老牌半導(dǎo)體企業(yè)上海貝嶺，在功率器件領(lǐng)域深耕多年后，正在憑借基于全國(guó)產(chǎn)供應(yīng)鏈的自研點(diǎn)火 IGBT 芯片，悄然改變?cè)痪揞^壟斷的市場(chǎng)。

據(jù)研發(fā)負(fù)責(zé)人介紹，上海貝嶺在2019年初拜訪了國(guó)內(nèi)主要Tier1客戶，在華大半導(dǎo)體汽車電子戰(zhàn)略支持下，其于2019年底啟動(dòng)首顆汽車點(diǎn)火IGBT產(chǎn)品開發(fā)，“作為負(fù)責(zé)人，我還記得項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)的情景，如何提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)還要降低能耗和提高使用結(jié)溫，都是當(dāng)時(shí)貝嶺必須攻克的技術(shù)難關(guān)。”

面對(duì)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(shù)協(xié)作，同時(shí)戰(zhàn)略性引進(jìn)先進(jìn)研發(fā)設(shè)備和核心技術(shù)人才，歷經(jīng)兩年攻堅(jiān)，最終在2021年底成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品車規(guī)級(jí)認(rèn)證和客戶量產(chǎn)導(dǎo)入。

據(jù)了解，在電路結(jié)構(gòu)方面，貝嶺摒棄了早期成本高、空間占用大的分立器件方案，創(chuàng)新性地采用集成方案。通過(guò)在IGBT的柵極-集電極間精心設(shè)計(jì)多晶硅二極管和電阻，不僅有效降低了生產(chǎn)成本，還顯著提升了芯片的可靠性。

負(fù)責(zé)人表示，在版圖設(shè)計(jì)方面，貝嶺工程師們將芯片巧妙地劃分為有源區(qū)、終端場(chǎng)環(huán)等功能區(qū)域，如同精心規(guī)劃的城市版圖。中間的有源區(qū)如同芯片的"心臟"，負(fù)責(zé)主要的功率轉(zhuǎn)換；四周的終端場(chǎng)環(huán)則如同堅(jiān)固的"城墻"，確保芯片在高反偏壓條件下穩(wěn)定運(yùn)行。每一個(gè)區(qū)域的布局都經(jīng)過(guò)精心計(jì)算，相互協(xié)同、緊密配合。

而在元胞結(jié)構(gòu)選擇上，貝嶺同樣展現(xiàn)出卓越的工藝水平。他們采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(chuàng)新結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)不僅降低了器件成本，還能有效減少高溫環(huán)境下的芯片損耗，特別適合內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火的低頻應(yīng)用工況。

當(dāng)然，光是技術(shù)方面的領(lǐng)先，還不足以在IGBT點(diǎn)火芯片市場(chǎng)中站穩(wěn)腳跟，在汽車廠商最為看重的可靠性與穩(wěn)定性方面，貝嶺更是下足了功夫。

“我們的點(diǎn)火IGBT芯片通過(guò)了極其嚴(yán)苛的AEC-Q101-Rev-E車規(guī)級(jí)認(rèn)證，可以說(shuō)，整個(gè)認(rèn)證過(guò)程就像是一場(chǎng)殘酷的技術(shù)‘鐵人三項(xiàng)’。”負(fù)責(zé)人一邊舉起手中的器件，一邊強(qiáng)調(diào)道。

從溫度循環(huán)測(cè)試到高溫高濕反向偏壓測(cè)試，從高溫工作壽命測(cè)試到機(jī)械沖擊測(cè)試，每一項(xiàng)都是對(duì)芯片性能的極限考驗(yàn)，貝嶺的IGBT芯片需要在-40°C到+150°C的溫度跨度中經(jīng)歷數(shù)千次循環(huán)，在高溫高濕的惡劣環(huán)境中保持穩(wěn)定，在汽車行駛的顛簸路況中屹立不倒。

落在實(shí)際應(yīng)用中，貝嶺的點(diǎn)火IGBT芯片更是表現(xiàn)出了令人驚訝的穩(wěn)定性：在25Hz/3.5ms的測(cè)試條件下，其溫升僅為60℃左右，比同類品牌產(chǎn)品低5℃。這看似微小的溫差背后，卻蘊(yùn)含著顯著的性能優(yōu)勢(shì)，低溫升意味著更低的熱損耗、更長(zhǎng)的使用壽命，以及在復(fù)雜工況下更穩(wěn)定的點(diǎn)火性能。

“說(shuō)實(shí)話，”技術(shù)負(fù)責(zé)人不無(wú)自豪地說(shuō)，“我們的點(diǎn)火IGBT芯片是實(shí)實(shí)在在的‘國(guó)產(chǎn)精品”，自主研發(fā)的獨(dú)特電路設(shè)計(jì)和先進(jìn)工藝，讓我們?cè)诙潭處啄陜?nèi)累計(jì)銷售突破數(shù)百萬(wàn)顆，在國(guó)內(nèi)汽車電子市場(chǎng)占據(jù)了相當(dāng)可觀的份額。不僅如此，我們還獲得了多項(xiàng)行業(yè)大獎(jiǎng)，這背后是團(tuán)隊(duì)近乎執(zhí)著的技術(shù)追求。”

他頓了頓，眼中閃爍著技術(shù)人特有的自豪光芒，"從技術(shù)角度來(lái)看，我們的芯片在可靠性和性能上已經(jīng)完全可以與國(guó)際一流水平媲美。這不僅僅是一個(gè)產(chǎn)品，更是我們對(duì)‘中國(guó)智造’的一次生動(dòng)詮釋。”

值得關(guān)注的是，貝嶺并非是單槍匹馬在奮斗，在母公司華大半導(dǎo)體的資源整合下，得到了兄弟企業(yè)積塔半導(dǎo)體的工藝支持，通過(guò)發(fā)揮C-IDM體系優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

在高端汽車電子芯片長(zhǎng)期被英飛凌、安森美等國(guó)際巨頭壟斷的背景下，貝嶺的突破具有里程碑式的戰(zhàn)略意義。這不僅是一次技術(shù)創(chuàng)新，更是國(guó)產(chǎn)芯片在高端市場(chǎng)突圍的重要一役。

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