IGBT在新能源電動汽車中的應(yīng)用全面解析

1、IGBT定義

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管

IGBT模塊是由IGBT(絕緣柵雙極型晶體管芯片)與FWD(續(xù)流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品

2、IGBT的用途

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領(lǐng)域。

封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上

3、IGBT模塊的特點(diǎn)

IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)

當(dāng)前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊

4、用最簡單的語言概括IGBT的功能和作用

控制能源的變換和傳輸

5、為什么電動汽車需要IGBT?

IGBT的作用是交流電和直流電的轉(zhuǎn)換，同時(shí)IGBT還承擔(dān)電壓的高低轉(zhuǎn)換的功能。

外界充電的時(shí)候是交流電，需要通過IGBT轉(zhuǎn)變成直流電然后給電池，同時(shí)要把220V電壓轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷阂陨喜拍芙o電池組充電。

電池放電的時(shí)候，把通過IGBT把直流電轉(zhuǎn)變成交流電機(jī)使用的交流電，同時(shí)起到對交流電機(jī)的變頻控制，當(dāng)然變壓是必不可少的。

IGBT是功率半導(dǎo)體器件，可以說是電動車的的核心技術(shù)之一,IGBT的好壞直接影響電動車功率的釋放速度。

6、IGBT的工作原理

以空調(diào)壓縮機(jī)為例：國內(nèi)規(guī)定的電壓220V，頻率50Hz的電流經(jīng)整流濾波后得到310V左右的直流電，此直流電經(jīng)過逆變后，就可以得到用以控制壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻電源，這就能將50赫茲的電網(wǎng)頻率轉(zhuǎn)變?yōu)?0-130赫茲，利用電源頻率可以控制平滑控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到自動無級變速，使壓縮機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)。

在電動車上，可以把電機(jī)看成壓縮機(jī)。兩者原理幾乎完全一致。

7、IGBT在現(xiàn)代交通系統(tǒng)中的重要性

直流充電樁30%的原材料成本是IGBT

電力機(jī)車一般需要 500 個(gè) IGBT 模塊

動車組需要超過 100 個(gè) IGBT 模塊

一節(jié)地鐵需要 50-80 個(gè) IGBT 模塊

8、IGBT成本的重要性

IGBT約占電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)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。

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?yán)锍姵赝庾畎嘿F的部件。

9、豐田是世界上唯一能自產(chǎn)IGBT的車廠

也正因?yàn)镮GBT太重要，豐田在開發(fā)混合動力車時(shí)就認(rèn)定IGBT管要完全控制在手中，豐田也是全球唯一能夠自產(chǎn)IGBT管的汽車廠家(自產(chǎn)，而不是買別人的晶圓再做封裝)，普銳斯也因此獲得強(qiáng)大的生命力，也是目前全球唯一的強(qiáng)混合動力車。

10、中國高鐵IGBT市場已基本被日本三菱壟斷

三菱電機(jī)生產(chǎn)的IGBT已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，中國的高速機(jī)車用IGBT由三菱完全壟斷，同時(shí)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(jī)的IGBT

11、英飛凌則包攬了幾乎所有電動汽車的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(jī)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。

12、特斯拉用IGBT的成本情況

特斯拉Model X使用132個(gè)IGBT管，由英飛凌提供，其中后電機(jī)為96個(gè)，前電機(jī)為36個(gè)，每個(gè)單管的價(jià)格大約4-5美元，合計(jì)大約650美元。

如果改用模塊的話，估計(jì)需要12-16個(gè)模塊，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(shè)計(jì)開發(fā)周期短，不得不采用單管設(shè)計(jì)。

13、中國制造IGBT的現(xiàn)狀

IGBT目前已經(jīng)發(fā)展到7.5代，第7代由三菱電機(jī)在2012年推出，三菱電機(jī)目前的水平可以看作7.5代，同時(shí)IGBT的下一代SiC技術(shù)已經(jīng)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。

自第六代以后，IGBT自身的潛力已經(jīng)挖掘的差不多了，大家都把精力轉(zhuǎn)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(yè)級要高得多，同時(shí)還要考慮強(qiáng)振動條件，汽車級的IGBT遠(yuǎn)在工業(yè)級之上。

散熱的關(guān)鍵是材料，而材料科學(xué)是一個(gè)國家基礎(chǔ)科學(xué)的體現(xiàn)，中國在這方面非常落后，日本則遙遙領(lǐng)先，不僅在德國之上，還在美國之上。

14、國產(chǎn)IGBT也在起步

2015年10月，深圳比亞迪微電子有限公司與上海先進(jìn)半導(dǎo)體制造股份有限公司簽訂建立戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟合作協(xié)議，共同打造IGBT國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈。

目前比亞迪已整合IGBT產(chǎn)業(yè)鏈，包括芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、測試、封裝等。

2015年12月，北汽集團(tuán)旗下的北汽新能源公司與中國中車旗下的時(shí)代電氣在株洲簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，開啟新能源汽車領(lǐng)域的合作。

【小結(jié)】

中國高鐵在全世界享有盛譽(yù)，我們也因之自豪;

中國電動汽車也已經(jīng)是世界最大的市場，方興未艾;

但追索到核心技術(shù)，仍是缺失的，不是我們研發(fā)不出來，而是需要時(shí)間和積累;

這個(gè)情形跟C919大飛機(jī)一樣，我們自己做的總體設(shè)計(jì)和規(guī)劃，但是并不妨礙我們?nèi)虿少徚悴考òl(fā)動機(jī);

但只要假以時(shí)間，相信憑借中國人的聰明勤勞和智慧，掌握這些技術(shù)指日可待。