【电动汽车资源网EV江湖 广电计量莫工】当前的新能源车的模块系统由很多部分组成,如电池、VCU、BSM、电机等,但是这些都是发展比较成熟的产品,国内外的模块厂商已经开发了很多,但是有一个模块需要引起行业内的重视,那就是电机驱动部分,则是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)

首先我们先来了解一下。它是由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,它拥有的特性是: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。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点:驱动功率小而饱和压降低,是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件。IGBT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。

所以不难看出,IGBT对新能源汽车的价值所在就是在直流充电桩和电机系统的作用之大,它决定了电机的工作效率以及直流充电桩的传输效率。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。

IGBT的应用范围很广,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。所以一些主机厂把这一块的开发牢牢控制在了自己的手上,比如丰田的混合动力汽车便是如此。而丰田也成为了世界唯一能自主生产IGBT的厂家。

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 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。

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。

和MOS相比,IGBT管在低于400伏的低压领域完全无优势,无论开关频率还是成本,MOS优势都非常明显。400伏领域,安森美刚刚收购的仙童半导体居于领导地位。

汽车主要是600V到1200V之间,英飞凌具有压倒性优势,安森美虽然在600V-1200V领域也有市场,但主要是非车载领域。三菱和富士电机,则分享了日本市场。而丰田混动所用的IGBT全部内部完成,不假手外人。

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。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模块AC/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模块(Module),而不是单管。模块的3个基本特征:多个芯片以绝缘方式组装到金属基板上;空心塑壳封装,与空气的隔绝材料是高压硅脂或者硅脂,以及其他可能的软性绝缘材料;同一个制造商、同一技术系列的产品,IGBT模块的技术特性与同等规格的IGBT 单管基本相同。

模块的主要优势有以下几个:多个IGBT芯片并联,IGBT的电流规格更大。多个IGBT芯片按照特定的电路形式组合,如半桥、全桥等,可以减少外部电路连接的复杂性。多个IGBT芯片处于同一个金属基板上,等于是在独立的散热器与IGBT芯片之间增加了一块均热板,工作更可靠。一个模块内的多个IGBT芯片经过了模块制造商的筛选,其参数一致性比市售分立元件要好。模块中多个IGBT芯片之间的连接与多个分立形式的单管进行外部连接相比,电路布局更好,引线电感更小。模块的外部引线端子更适合高压和大电流连接。同一制造商的同系列产品,模块的最高电压等级一般会比IGBT 单管高1-2个等级,如果单管产品的最高电压规格为1700V,则模块有2500V、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 单管或者模块的一个单元的芯片单元,合称为IGBT的管芯。

一个IGBT管芯称为模块的一个单元,也称为模块单元、模块的管芯。模块单元与IGBT管芯的区别在最终产品,模块单元没有独立的封装,而管芯都有独立的封装,成为一个IGBT管。

最近还出了一种叫IPM的模块,把门级驱动和保护电路也封装进IGBT模块内部,结构虽然很简单但是工作频率不能太高。所以应用的较少,姑且不谈。

虽然单管的成本要远低于模块,但是单管的可靠性远不及模块。在电动车领域,模块已经被大规模应用,但有一些例外就是咱们中国特色主义的老年代步车还有特斯拉还是坚持用单管。不由得感慨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,每个单管的成本大约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。

相比宝马I3,采用英飞凌新型HybridPACK 2模块设计,每个模块内含6个单管型IGBT,750V/660A,电流超大,只需要两个模块即可,体积大大缩小,成本大约300美元。采用英飞凌的新型HybridPACK 2模块设计,每个模块内含6个单管型IGBT,750V/660A,电流超大,只需要两个模块即可,体积大大缩小

而IGBT工艺的关键在于散热和背板工艺。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。英飞凌特别擅长这种技术,所以做出来的体积是同行难以逾越的目标。

最后扯一下散热,首先需要提高 IGBT模块内部的导热导电性能和耐受功率循环的能力, IGBT模块内部引线技术经历了粗铝线键合、 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, 且车用功率模块的芯片温度已经接近锡铅焊料熔点(220℃)。所以一个小小的器件对新能源汽车的发展做出了不可磨灭的贡献,对我国的汽车制造业而言,还有很多路要走。

 (来源:电动汽车资源网EV江湖  广电计量莫工)

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