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三电再好不聪明使也不行?新能源车的“最强大脑”IGBT是个啥

1970-01-01 IGBT电镀模块

  说到新能源纯电动车型,可能专业方面技术控第一个想到的就是电池、电机、电控为首的三电系统。每每新车上市,车企们也都会通过介绍三电系统来展示自己产品的优越性。而除了三电系统,还有一个部件往往会被人所忽略,它被称为新能源电动车的“大脑”它的好坏将直接影响整车性能,它就是IGBT芯片。

  IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)学名叫绝缘栅双极型晶体管,它是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。是影响电动车性能的关键技术,是新能源车的“最强大脑”,其成本约占整车成本的5%。

  IGBT的作用是交流电和直流电的转换,同时IGBT还承担电压的高低转换的功能。

  外界充电的时候,输出的是交流电,一定要通过IGBT转变成直流电,同时要把220V电压转换成适当的电压值才能给电池组充电,在此过程中可能会伴随着能量的损耗。

  正常行驶(放电过程)的时候,把通过IGBT的直流电转变成交流电机能够正常的使用的交流电,同时起到对交流电机的变频控制,转换后在输出给电动机进行下一步工作。

  IGBT是功率半导体器件,能够说是电动车的核心技术之一,IGBT的好坏直接影响电动车功率的释放速度。

  遗憾的是在中国想要购买IGBT是比较难的一件事,除了比亚迪和其他拥有芯片设计能力的小企业外,其他基本已被国外垄断。三菱电机生产的IGBT慢慢的变成了业内默认的标准,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,英飞凌也包揽了几乎所有电动车的IGBT芯片。

  IGBT因技术难、投资大,与动力电池一样,被业内称为新能源汽车核心技术的“珠穆拉玛峰”,长期以来制约了新能源汽车的大规模商业化。总结来说,IGBT芯片的难点共有两个方面:

  IGBT芯片仅有人的指甲大小,但却要在其上蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路,它虽然是一个开关器件,但涉及到的参数多达十几个,很多参数之间是相互矛盾,应该要依据应用折中考虑。并且晶圆制造工艺难度很大,最大多数表现在薄片加工处理上。采用最新的1200V FS技术的IGBT,需要将晶圆减薄到120μm(约两根头发丝直径)的厚度,再进行10余道工序加工。此外晶圆制造的厂房洁净度要求非常高,需要一级净化。一个零点几微米的微尘掉落在晶圆上,就会造成一颗IGBT芯片失效。

  由于IGBT拥有极其高要求的制造工艺,所以要长时间的大量论证和试验,并且这种核心技术没办法从海外购得,只可以通过长时间自主研发才能轻松实现。所以要企业拥有长远眼光,尽早布局。

  比亚迪能成为国内首家IGBT量产的企业,得益于它在此领域的较早布局。早在2005年,比亚迪便组建IGBT研发团队,正式进军IGBT领域。2008年10月,比亚迪收购宁波中纬半导体晶圆厂,为将来的量产做好了准备。2009年9月,比亚迪IGBT芯片通过了中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定,打破了国际巨头的技术垄断。目前,比亚迪是中国唯一一家拥有完整IGBT产业链的车企。

  比亚迪此次推出的IGBT4.0,其性能远高于自家此前使用的IGBT2.5,同时在一些关键指标上也超越了目前市场上使用的主流产品。

  1.电流输出能力较当前市场主流的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。

  2.同等工况下,综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%。这在某种程度上预示着电流通过IGBT器件时,受到的损耗降低,使得整车电耗显著降低。

  IGBT虽然有许多优势,但是随着新能源车性能的不断的提高,对功率半导体组件也提出了更高的要求,当下的IGBT也将逼近硅材料的性能极限。寻求更低芯片损耗、更强电流输出能力、更耐高温的全新半导体材料,已成为学界和业界的普遍共识。

  凭借更加优异的性能,SiC基半导体取代硅基半导体将是大势所趋,其体积功率密度能做到每升100千瓦,比现在要减少大概70%-80%。目前特斯拉已经在其最新款的Model 3中使用了这一材料。预计未来几年硅基IGBT将在汽车领域逐步被淘汰。

  IGBT在纯电动汽车中起着至关重要的作用,它的好坏直接影响着新能源车的整车性能。而面对之前垄断的IGBT技术,比亚迪通过十多年的专心研发,终于打破了这个怪圈,为中国汽车工业实现弯道超车提供了强大的中国芯。而随着科学技术的慢慢的提升,碳化硅慢慢进入了车企的视野,相信在不久的将来,IGBT会逐渐被性能更优异的碳化硅所取代,新能源纯电动车型的性能将走上新的台阶。

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