當前位置:nba奇才vs湖人 >

乔丹奇才vs公牛:為什么說新能源汽車的核心是IGBT?

nba奇才vs湖人 www.aokkq.club 2017/12/22 11:19:30 來源:汽車電子應用 電力電子論壇|免費發布產品

nba奇才vs湖人

nba奇才vs湖人 www.aokkq.club   IGBT綜合了以上兩種器件的優點:驅動功率小而飽和壓降低,是一種適合于中、大功率應用的電力電子器件。IGBT在綜合性能方面占有明顯優勢,非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

 

  對新能源車來說,電池、VCU、BSM、電機效率都缺乏提升空間,最有提升空間的當屬電機驅動部分,而電機驅動部分最核心的元件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管芯片)則是最需要重視的。

  IGBT約占電機驅動系統成本的一半,而電機驅動系統占整車成本的15-20%,也就是說IGBT占整車成本的7-10%,是除電池之外成本第二高的元件,也決定了整車的能源效率。

  不僅電機驅動要用IGBT,新能源的發電機和空調部分一般也需要IGBT。也正因為IGBT太重要,豐田在開發混合動力車時就認定IGBT管要完全控制在手中,豐田也是全球唯一能夠自產IGBT管的汽車廠家(自產,而不是買別人的晶圓再做封裝),普銳斯也因此獲得強大的生命力,也是目前全球唯一的強混合動力車。

  不僅是新能源車,直流充電樁和機車(高鐵)的核心也是IGBT管,直流充電樁30%的原材料成本就是IGBT。電力機車一般需要 500 個 IGBT ???,動車組需要超過 100 個 IGBT ???,一節地鐵需要 50-80 個 IGBT ???。

  三菱電機的HVIGBT已經成為業內默認的標準,中國的高速機車用IGBT由三菱完全壟斷,同時歐洲的阿爾斯通、西門子、龐巴迪也是一半以上采用三菱電機的IGBT。

 

  除了日系廠家,英飛凌包攬了幾乎所有電動車的IGBT,而三菱電機則沉醉于中國高鐵的豐厚利潤中無法自拔,在低于2500V市場幾乎一無所獲。

 

  2016年全球電動車銷量大約200萬輛,共消耗了大約9億美元的IGBT管,平均每輛車大約450美元,是電動車里除電池外最昂貴的部件。

  其中,混合動力和PHEV大約77萬輛,每輛車需要大約300美元的IGBT,純電動車大約123萬輛,平均每輛車使用540美元的IGBT,大功率的純電公交車用的IGBT可能超過1000美元。

 

  和mos相比,IGBT管在低于400伏的低壓領域完全無優勢,無論開關頻率還是價格,MOS優勢都非常明顯。400伏領域,安森美剛剛收購的仙童半導體居于領導地位。

  汽車主要是600V到1200V之間,英飛凌具有壓倒性優勢,安森美雖然在600V-1200V領域也有市場,但主要是非車載領域。三菱和富士電機,則分享了日本市場。而豐田混動所用的IGBT全部內部完成,不假手外人。

  什么是 IGBT?

  IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,。

  與以前的各種電力電子器件相比,IGBT具有以下特點:高輸入阻抗,可采用通用低成本的驅動線路;高速開關特性;導通狀態低損耗。

  IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點:驅動功率小而飽和壓降低,是一種適合于中、大功率應用的電力電子器件。

  IGBT在綜合性能方面占有明顯優勢,非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

 

  上圖主要是通過脈沖寬度調制(PWM)的方式控制IGBT開關,將電流從DC轉換到AC(電池到電機,驅動電機)或者從AC轉化到DC(電機到電池,剎車、下坡時能量回收)。

  這個原理類似空調的變頻,變頻空調中都裝有變頻器,這個變頻控制器是如何工作的?

  國內規定的電壓220V,頻率50Hz的電流經整流濾波后得到310V左右的直流電,此直流電經過逆變后,就可以得到用以控制壓縮機運轉的變頻電源,這就能將50赫茲的電網頻率轉變為30-130赫茲,利用電源頻率可以控制平滑控制壓縮機轉速,達到自動無級變速,使壓縮機始終處于最佳工作狀態。

  在電動車上,可以把電機看成壓縮機。兩者原理幾乎完全一致。

  對于混合動力,除驅動電機外,另外還有一個發電機,可以由汽車的發動機帶動其發電,然后通過IGBT??锳C/DC轉換后向電池充電。在DM車型中,該發電機還可以充當驅動電機的作用。

  IGBT最常見的形式其實是???Module),而不是單管。??櫚?個基本特征:

  ·多個芯片以絕緣方式組裝到金屬基板上;

  ·空心塑殼封裝,與空氣的隔絕材料是高壓硅脂或者硅脂,以及其他可能的軟性絕緣材料;

  ·同一個制造商、同一技術系列的產品,IGBT??櫚募際跆匭雜臚裙娓竦腎GBT 單管基本相同。

  ??櫚鬧饕攀樸幸韻錄父觶?/p>

  ·多個IGBT芯片并聯,IGBT的電流規格更大。

  ·多個IGBT芯片按照特定的電路形式組合,如半橋、全橋等,可以減少外部電路連接的復雜性。

  · 多個IGBT芯片處于同一個金屬基板上,等于是在獨立的散熱器與IGBT芯片之間增加了一塊均熱板,工作更可靠。

  ·一個??檳詰畝喔鯥GBT芯片經過了??櫓圃焐痰納稈?,其參數一致性比市售分立元件要好。

  ·??櫓卸喔鯥GBT芯片之間的連接與多個分立形式的單管進行外部連接相比,電路布局更好,引線電感更小。

  ·??櫚耐獠懇叨俗癰屎細哐購痛蟮緦髁?。同一制造商的同系列產品,??櫚淖罡叩繆溝燃兌話慊岜菼GBT 單管高1-2個等級,如果單管產品的最高電壓規格為1700V,則??橛?500V、3300V 乃至更高電壓規格的產品。

 

  晶圓上的一個最小全功能單元稱為Cell,晶圓分割后的最小單元,構成IGBT 單管或者??櫚囊桓齙ピ男酒ピ?,合稱為IGBT的管芯。

  一個IGBT管芯稱為??櫚囊桓齙ピ?,也稱為??櫚ピ?、??櫚墓芐?。??櫚ピ隝GBT管芯的區別在最終產品,??櫚ピ揮卸懶⒌姆庾?,而管芯都有獨立的封裝,成為一個IGBT管。

  近來還有一種叫IPM的???,把門級驅動和?;さ緶芬卜庾敖鳬GBT??檳誆?,這是給那些最懶的工程師用的,不過工作頻率自然不能太高咯。

  單管的價格要遠低于???,但是單管的可靠性遠不及???。全球除特斯拉和河北山東那些低速電動車外,全部都是使用???,只有特斯拉對成本的重視程度遠高于對人命的重視程度。

 

  特斯拉Model X使用132個IGBT管,由英飛凌提供,其中后電機為96個,前電機為36個,每個單管的價格大約4-5美元,合計大約650美元。

  如果改用??櫚幕?,估計需要12-16個???,成本大約1200-1600美元。特斯拉使用單管的原因主要是成本,尤其是其功率比一般的電動車要大不少,加上設計開發周期短,不得不采用單管設計。

  相比寶馬I3,采用英飛凌新型HybridPACK 2??檣杓?,每個??檳諍?個單管型IGBT,750V/660A,電流超大,只需要兩個??榧純?,體積大大縮小,成本大約300美元。

 

  

 

  采用英飛凌的新型HybridPACK 2??檣杓?,每個??檳諍?個單管型IGBT,750V/660A,電流超大,只需要兩個??榧純?,體積大大縮小。

  典型新能源車功率系統對比:

 

  可以看出豐田的功率密度是國內密度的三倍左右,差距巨大。

 

  IGBT目前已經發展到7.5代,第7代由三菱電機在2012年推出,三菱電機目前的水平可以看作7.5代,同時IGBT的下一代SiC技術已經在日本全面普及,無論三菱這樣的大廠還是Fuji、Rohm這樣的小廠都有能力輕松制造出SiC元件,我國目前停留在第三代水平上,差距在20年以上。

  IGBT的關鍵:散熱和背板工藝

  IGBT的關鍵有兩點,一是散熱,二是背板工藝。

  IGBT的正面工藝和標準BCD的LDMOS沒區別,區別在背面,背面工藝有幾點,首先是減薄,大約需要減薄6-8毫米,減得太多容易碎片,減得太少沒有效果。接下來是離子注入,注入一層薄磷做緩沖層,第四代需要兩次注入磷,本來硅片就很薄了,兩次注入很容易碎片。

  然后是清洗,接下來金屬化,在背面蒸鍍一層鈦或銀,最后是Alloy,因為硅片太薄,很容易翹曲或碎片。英飛凌特別擅長減薄技術。

 

  *全球IGBT企業排名

  這些工藝不僅需要長期摸索,同時還需要針對工藝開發生產設備,只有對生產線和設備都非常精通的企業才能勝任,絕大多數廠家的IGBT生產線設備都是內部開發的,特別是日本。

  IGBT每升一級一代,無論硅片還是封裝設備都需要企業內部完成,而中國習慣買生產線,根本沒有自制設備的能力,更不要說升級設備。

 

  EV用功率??櫸庾凹際醴⒄?/p>

  自第六代以后,IGBT自身的潛力已經挖掘的差不多了,大家都把精力轉移到IGBT的封裝上,也就是散熱。

  車用IGBT的散熱效率要求比工業級要高得多,逆變器內溫度最高可達大20度,同時還要考慮強振動條件,車規級的IGBT遠在工業級之上。

  工業級IGBT與車規級IGBT對比:

 

  解決散熱的第一點,就是提高 IGBT??檳誆康牡既鵲嫉縲閱?、耐受功率循環的能力, IGBT??檳誆懇嘸際蹙舜致料嘸?、 鋁帶鍵合再到銅線鍵合的過程,提高了載流密度。

  第二點,新的焊接工藝,傳統焊料為錫鉛合金, 成本低廉、工藝簡單, 但存在環境污染問題, 且車用功率??櫚男酒露紉丫詠噶先鄣?220℃)。

  解決該問題的新技術主要有:低溫銀燒結技術和瞬態液相擴散焊接。與傳統工藝相比, 銀燒結技術的導熱性、耐熱性更好, 具有更高的可靠性, Semikron 的 SkiN 技術已采用了銀燒結工藝。

  瞬態液相擴散焊接通過特殊工藝形成金屬合金層, 熔點比傳統焊料高, 機械性能更好, Infineon已經將其應用在襯板焊接工藝中。三菱則使用超聲波焊接。

  第三點,改進DBC和??櫚裝?,降低散熱熱阻, 提高熱可靠性, 減小體積,降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常規陶瓷,熱導率更高,與Si 材料的熱膨脹系數匹配更好。

  此外,新型的散熱結構,如 Pin Fin結構 和 Shower Power結構, 能夠顯著降低??櫚惱迦茸?,提高散熱效率。三菱第七代采用了厚銅陶瓷基板,大大提高熱導率。

  第四點,就是擴大??橛肷⑷鵲裝寮淶牧用婊?,如端子壓接技術。

 

  散熱的關鍵是材料,而材料科學是一個國家基礎科學的體現,中國在這方面非常落后,日本則遙遙領先,不僅在德國之上,還在美國之上。

  IGBT的下一代SiC(碳化硅)技術已經嶄露頭角,鑒于它的重要性,豐田決定完全自主生產,實際豐田SiC的研究自上世紀80年代就開始了,足足領先全球30年。要知道豐田是車企,而不是功率半導體企業,SiC基板是關鍵,2014年豐田已經能試產SiC。

  三菱電機從 1994 年開始,已經啟動碳化硅的功率器件的研究,至今已有 20 多款產品面世,部分產品應用在日本新干線和 700 系列車上。三菱電機在牽引變流器、工業自動化、變頻空調器里面都已采用混合碳化硅功率???,并實現商業化。

  順便說下,三菱電機功率器件的CTO是位美國人,但美國人熱衷于互聯網等偏軟件層面賺快錢的科技,這位GourabMajumdar 博士郁郁不得志,到了三菱后就大展拳腳。

  SiC能將新能源車的效率再提高10%,這是新能源車提高效率最有效的技術。豐田汽車就表示:“SiC具有與汽油發動機同等的重要性。”

  SiC有多重要?

 

  目前限制SiC應用主要是兩方面,一是價格,其價格是傳統Si型IGBT的6倍。其次是電磁干擾。 SiC的開關頻率遠高于傳統Si型IGBT,回路寄生參數已經大到無法忽略。

  SiC基板是關鍵,落后日本企業很多的英飛凌在2016年7月決定收購美國CREE集團旗下的電源和RF部門(“Wolfspeed”),其核心就是SiC基板技術。

  不過在2017年2月,美國的外國投資委員會(CFIUS)以關系到國家安全的原因否定了這項收購,實際英飛凌只是拿來做電動車的功率管,絲毫不會威脅美國的國家安全,再說Wolfspeed的SiC基板主要還是用在LED和RF領域,英飛凌能否成功將其用于車載領域還是一個未知數。

  美國之所以否定這項收購,是?;っ攔俚南冉ひ導際?,對日本廠家來說,SiC基板都沒有絲毫難度,三菱、豐田、羅姆、富士電機、日立、瑞薩、東芝都有能力自己制造,全部是內部開發的技術。意法半導體技術也不錯。

  2014年5月20日,鑒于SiC的重要性,豐田特別召開了新聞發布會,宣布與電裝、豐田中央研究所合作開發出了SiC功率半導體。

  在豐田指揮SiC功率半導體開發的豐田第3電子開發部部屬主任擔當部長濱田公守說:“我們要領先行業,率先(為量產車)配備(SiC功率半導體)。”

  2013年12月,已在廣瀨工廠(愛知縣豐田市)建設了SiC功率半導體專用試制開發生產線。

 

  豐田開發的集成SiC晶體管的4英寸(100mm)晶圓(左)與集成了SiC二極管的4英寸晶圓(右)。

  目前豐田正在研發混動版的佳美使用SiC,還有就是豐田的氫燃料電池公交車也在試驗使用SiC,本田則在自己的氫燃料電池車使用了羅姆的SiC的MOSFET。目前SiC都是試驗用的4英寸晶圓線,只有三菱啟用了6英寸生產線,成本較低。

  豐田預計2018年也啟用6英寸生產線,可能在2021年豐田的混動和氫燃料電池車將全面使用SiC。

 

填寫您的郵件地址,訂閱我們的精彩內容:

關注“電力電子網微信公眾號”免費獲得3000G資料.資料涵蓋:電力電子,電工電氣等領域的資料!
  添加方式:
1、手機掃描左側二維碼
2、添加朋友,搜微信號:pedianlidianzi
有事先發郵件,我會及時與您聯系,謝謝合作。   網站電子郵箱:: [email protected]

廣告合作∶0314-2527913  Email∶ [email protected]  展會聯系∶13520307378   電力電子技術群:231382395           Copyright2011-2019  //www.aokkq.club / All Rights Reserved      
  版權所有∶中國電力電子產業網(nba奇才vs湖人 www.aokkq.club) 經營許可證編號∶ 京ICP備11012668號-1  京公網安備 11010802009741 號   
網站服務|廣告服務|文章投稿|友情鏈接QQ: 2212348358

nba奇才vs湖人