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一文读懂IGBT在新能源电动汽车中的应用

2018-10-27
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来源:内容来自「驱动视界」,谢谢。



1、IGBT定义


IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管


IGBT模块是由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


2、IGBT的用途


IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,应用于直流电压为600V及以上的变流系统如轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。


封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上



3、IGBT模块的特点


IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点


当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块


4、用最简单的语言概括IGBT的功能和作用


控制能源的变换和传输



5、为什么电动汽车需要IGBT?


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。


外界充电的时候是交流电,需要通过IGBT转变成直流电然后给电池,同时要把220V电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。


电池放电的时候,把通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电,同时起到对交流电机的变频控制,当然变压是必不可少的。


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



6、IGBT的工作原理


以空调压缩机为例:国内规定的电压220V,频率50Hz的电流经整流滤波后得到310V左右的直流电,此直流电经过逆变后,就可以得到用以控制压缩机运转的变频电源,这就能将50赫兹的电网频率转变为30-130赫兹,利用电源频率可以控制平滑控制压缩机转速,达到自动无级变速,使压缩机始终处于最佳工作状态。


在电动车上,可以把电机看成压缩机。两者原理几乎完全一致。


7、IGBT在现代交通系统中的重要性


直流充电桩30%的原材料成本是IGBT


电力机车一般需要 500 个 IGBT 模块


动车组需要超过 100 个 IGBT 模块


一节地铁需要 50-80 个 IGBT 模块


8、IGBT成本的重要性


IGBT约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15-20%,也就是说IGBT占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,也决定了整车的能源效率。


2016年全球电动车销量大约200万辆,共消耗了大约9亿美元的IGBT管,平均每辆车大约450美元,是电动车里除电池外最昂贵的部件。



9、丰田是世界上唯一能自产IGBT的车厂


也正因为IGBT太重要,丰田在开发混合动力车时就认定IGBT管要完全控制在手中,丰田也是全球唯一能够自产IGBT管的汽车厂家(自产,而不是买别人的晶圆再做封装),普锐斯也因此获得强大的生命力,也是目前全球唯一的强混合动力车。


10、中国高铁IGBT市场已基本被日本三菱垄断


三菱电机生产的IGBT已经成为业内默认的标准,中国的高速机车用IGBT由三菱完全垄断,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


11、英飞凌则包揽了几乎所有电动汽车的IGBT


除了日系厂家,英飞凌包揽了几乎所有电动车的IGBT,而三菱电机则沉醉于中国高铁的丰厚利润中无法自拔,在低于2500V市场几乎一无所获。



12、特斯拉用IGBT的成本情况


特斯拉Model X使用132个IGBT管,由英飞凌提供,其中后电机为96个,前电机为36个,每个单管的价格大约4-5美元,合计大约650美元。


如果改用模块的话,估计需要12-16个模块,成本大约1200-1600美元。


特斯拉使用单管的原因主要是成本,尤其是其功率比一般的电动车要大不少,加上设计开发周期短,不得不采用单管设计。


13、中国制造IGBT的现状


IGBT目前已经发展到7.5代,第7代由三菱电机在2012年推出,三菱电机目前的水平可以看作7.5代,同时IGBT的下一代SiC技术已经在日本全面普及,无论三菱这样的大厂还是Fuji、Rohm这样的小厂都有能力轻松制造出SiC元件,我国目前停留在第三代水平上,差距在20年以上。


自第六代以后,IGBT自身的潜力已经挖掘的差不多了,大家都把精力转移到IGBT的封装上,也就是散热。


车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多,同时还要考虑强振动条件,汽车级的IGBT远在工业级之上。


散热的关键是材料,而材料科学是一个国家基础科学的体现,中国在这方面非常落后,日本则遥遥领先,不仅在德国之上,还在美国之上。


14、国产IGBT也在起步


2015年10月,深圳比亚迪微电子有限公司与上海先进半导体制造股份有限公司签订建立战略产业联盟合作协议,共同打造IGBT国产化产业链。


目前比亚迪已整合IGBT产业链,包括芯片设计、晶圆制造、测试、封装等。


2015年12月,北汽集团旗下的北汽新能源公司与中国中车旗下的时代电气在株洲签署战略合作协议,开启新能源汽车领域的合作。



【小结】


中国高铁在全世界享有盛誉,我们也因之自豪;


中国电动汽车也已经是世界最大的市场,方兴未艾;


但追索到核心技术,仍是缺失的,不是我们研发不出来,而是需要时间和积累;


这个情形跟C919大飞机一样,我们自己做的总体设计和规划,但是并不妨碍我们全球采购零部件包括发动机;


但只要假以时间,相信凭借中国人的聪明勤劳和智慧,掌握这些技术指日可待。

 

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