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                新能源汽车的核心——IGBT

                2018-08-03 13:43:23 行业新闻 6542

                摘自:半导体行业观察 2018-08-03

                 

                对新能源车来说,电池、VCU、BSM、电机效率都缺乏提升空间,最有提升空间的当属电机驱动部分,而电机驱动部分最核心的元件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管芯片)则是最需要重视的。

                 

                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。

                 

                不仅电机驱动要用IGBT,新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT。不仅是新能源车,直流充电桩和机车(高铁)的核心也是IGBT管,直流充电桩30%的原材料成本就是IGBT。电力机车一般需要 500 个IGBT ???,动车组需要超过100个IGBT???,一节地铁需要50-80个 IGBT ???。

                 

                三菱电机的HVIGBT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。

                 

                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。

                  

                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。

                 

                其中,混合动力和PHEV大约77万辆,每辆车需要大约300美元的IGBT,纯电动车大约123万辆,平均每辆车使用540美元的IGBT,大功率的纯电公交车用的IGBT可能超过1000美元。

                 

                什么是 IGBT?

                 

                IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

                 

                与以前的各种电力电子器件相比,IGBT具有以下特点:高输入阻抗,可采用通用低成本的驱动线路;高速开关特性;导通状态低损耗。

                 

                IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点,在综合性能方面占有明显优势,非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

                 

                上图主要是通过脉冲宽度调制(PWM)的方式控制IGBT开关,将电流从DC转换到AC(电池到电机,驱动电机)或者从AC转化到DC(电机到电池,刹车、下坡时能量回收)。

                 

                对于混合动力,除驱动电机外,另外还有一个发电机,可以由汽车的发动机带动其发电,然后通过IGBT??锳C/DC转换后向电池充电。在DM车型中,该发电机还可以充当驱动电机的作用。

                 

                IGBT最常见的形式其实是??椋∕odule),而不是单管。??榈?个基本特征:

                ??榈耐獠恳叨俗痈屎细哐购痛蟮缌髁?。同一制造商的同系列产品,??榈淖罡叩缪沟燃兑话慊岜菼GBT 单管高1-2个等级,如果单管产品的最高电压规格为1700V,则??橛?500V、3300V 乃至更高电压规格的产品。

                 

                 

                晶圆上的一个最小全功能单元称为Cell,晶圆分割后的最小单元,构成IGBT 单管或者??榈囊桓龅ピ男酒ピ?,合称为IGBT的管芯。

                 

                一个IGBT管芯称为??榈囊桓龅ピ?,也称为??榈ピ?、??榈墓苄?。??榈ピ隝GBT管芯的区别在最终产品,??榈ピ挥卸懒⒌姆庾?,而管芯都有独立的封装,成为一个IGBT管。

                 

                近来还有一种叫IPM的???,把门级驱动和?;さ缏芬卜庾敖鳬GBT??槟诓?,这是给那些最懒的工程师用的,不过工作频率自然不能太高咯。

                 

                单管的价格要远低于???,但是单管的可靠性远不及???。全球除特斯拉和那些低速电动车外,全部都是使用???,只有特斯拉对成本的重视程度远高于对人命的重视程度。

                 

                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??榈幕?,估计需要12-16个???,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。

                 

                相比宝马I3,采用英飞凌新型HybridPACK 2??樯杓?,每个??槟诤?个单管型IGBT,750V/660A,电流超大,只需要两个??榧纯?,体积大大缩小,成本大约300美元。 

                 

                采用英飞凌的新型HybridPACK 2??樯杓?,每个??槟诤?个单管型IGBT,750V/660A,电流超大,只需要两个??榧纯?,体积大大缩小。  

                 

                典型新能源车功率系统对比:

                 

                可以看出丰田的功率密度是国内密度的三倍左右,差距巨大。

                 

                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。

                 

                IGBT的关键:散热和背板工艺

                 

                IGBT的关键有两点,一是散热,二是背板工艺。

                 

                IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS没区别,区别在背面,背面工艺有几点,首先是减薄,大约需要减薄6-8毫米,减得太多容易碎片,减得太少没有效果。接下来是离子注入,注入一层薄磷做缓冲层,第四代需要两次注入磷,本来硅片就很薄了,两次注入很容易碎片。

                 

                然后是清洗,接下来金属化,在背面蒸镀一层钛或银,最后是Alloy,因为硅片太薄,很容易翘曲或碎片。英飞凌特别擅长减薄技术。

                 

                *全球IGBT企业排名

                 

                这些工艺不仅需要长期摸索,同时还需要针对工艺开发生产设备,只有对生产线和设备都非常精通的企业才能胜任。

                 

                *EV用功率??榉庾凹际醴⒄?/em>

                 

                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,逆变器内温度最高可达大20度,同时还要考虑强振动条件,车规级的IGBT远在工业级之上。

                 

                工业级IGBT与车规级IGBT对比:

                解决散热的第一点,就是提高 IGBT??槟诓康牡既鹊嫉缧阅?、耐受功率循环的能力, IGBT??槟诓恳呒际蹙舜致料呒?、 铝带键合再到铜线键合的过程,提高了载流密度。

                 

                第二点,新的焊接工艺,传统焊料为锡铅合金, 成本低廉、工艺简单, 但存在环境污染问题, 且车用功率??榈男酒露纫丫咏噶先鄣悖?20℃)。

                 

                解决该问题的新技术主要有:低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。与传统工艺相比, 银烧结技术的导热性、耐热性更好, 具有更高的可靠性。

                 

                瞬态液相扩散焊接通过特殊工艺形成金属合金层, 熔点比传统焊料高, 机械性能更好。三菱则使用超声波焊接。

                 

                第三点,改进DBC和??榈装?,降低散热热阻, 提高热可靠性, 减小体积,降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常规陶瓷,热导率更高,与Si 材料的热膨胀系数匹配更好。 

                 

                此外,新型的散热结构,如 Pin Fin结构 和 Shower Power结构, 能够显著降低??榈恼迦茸?,提高散热效率。

                 

                第四点,就是扩大??橛肷⑷鹊装寮涞牧用婊?,如端子压接技术。

                 

                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。

                 

                IGBT的下一代SiC(碳化硅)技术已经崭露头角,鉴于它的重要性,丰田决定完全自主生产,实际丰田SiC的研究自上世纪80年代就开始了,足足领先全球30年。

                 

                SiC能将新能源车的效率再提高10%,这是新能源车提高效率最有效的技术。丰田汽车就表示:“SiC具有与汽油发动机同等的重要性?!?/p>

                 

                SiC有多重要?

                 

                目前限制SiC应用主要是两方面,一是价格,其价格是传统Si型IGBT的6倍。其次是电磁干扰。 SiC的开关频率远高于传统Si型IGBT,回路寄生参数已经大到无法忽略。

                 

                SiC基板是关键,落后日本企业很多的英飞凌在2016年7月决定收购美国CREE集团旗下的电源和RF部门(“Wolfspeed”),其核心就是SiC基板技术。

                 

                不过在2017年2月,美国的外国投资委员会(CFIUS)以关系到国家安全的原因否定了这项收购,美国之所以否定这项收购,是?;っ拦俚南冉ひ导际?,对日本厂家来说,SiC基板都没有丝毫难度,三菱、丰田、罗姆、富士电机、日立、瑞萨、东芝都有能力自己制造,全部是内部开发的技术。意法半导体技术也不错。

                 

                2014年5月20日,鉴于SiC的重要性,丰田特别召开了新闻发布会,宣布与电装、丰田中央研究所合作开发出了SiC功率半导体。

                 

                丰田开发的集成SiC晶体管的4英寸(100mm)晶圆(左)与集成了SiC二极管的4英寸晶圆(右)。

                 

                目前丰田正在研发混动版的佳美使用SiC,还有就是丰田的氢燃料电池公交车也在试验使用SiC,本田则在自己的氢燃料电池车使用了罗姆的SiC的MOSFET。目前SiC都是试验用的4英寸晶圆线,只有三菱启用了6英寸生产线,成本较低。

                 

                丰田预计2018年也启用6英寸生产线,可能在2021年丰田的混动和氢燃料电池车将全面使用SiC。

                 

                 

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