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为什么说新能源汽车的焦点是IGBT?新疆时时彩

作者:admin 发布时间:2018-08-12 14:54

  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。

  不只电机驱动要用IGBT,新能源的发电机和空调部门一般也需要IGBT。不只是新能源车,直流充电桩和机车(高铁)的焦点也是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,动车组需要跨越100个IGBT模块,一节地铁需要50-80个 IGBT 模块。

  三菱电机的HVIGBT曾经成为业内默认的尺度,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,英飞凌包办了几乎所有电动车的IGBT,而三菱电机则沉浸于中国高铁的丰厚利润中无法自拔,在低于2500V市场几乎一无所得。

  2016年全球电动车销量大约200万辆,共耗损了大约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高贵的部件。

  此中,夹杂动力和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,平均每辆车利用540美元的IGBT,大功率的纯电公交车用的IGBT可能跨越1000美元。

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

  与以前的各类电力电子器件比拟,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;高速开关特征;导通形态低损耗。

  IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的长处,在分析机能方面拥有较着劣势,很是适合使用于直流电压为600V及以上的变流系统如交换电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等范畴。

  上图次要是通过脉冲宽度调制(PWM)的体例节制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、下坡时能量收受接管)。

  对于夹杂动力,除驱动电机外,别的还有一个发电机,能够由汽车的策动机带动其发电,新能源汽车驱动系统然后通过IGBT模块AC/DC转换后向电池充电。在DM车型中,该发电机还能够充任驱动电机的感化。

  IGBT最常见的形式其实是模块(Module),而不是单管。模块的3个根基特征:

  空心塑壳封装,与空气的隔断材料是高压硅脂或者硅脂,以及其他可能的软性绝缘材料;

  统一个制造商、统一手艺系列的产物,IGBT模块的手艺特征与划一规格的IGBT 单管根基不异。

  多个IGBT芯片按照特定的电路形式组合,如半桥、全桥等,能够削减外部电路毗连的复杂性。

  多个IGBT芯片处于统一个金属基板上,等于是在独立的散热器与IGBT芯片之间添加了一块均热板,工作更靠得住。

  一个模块内的多个IGBT芯片颠末了模块制造商的筛选,其参数分歧性比市售分立元件要好。

  模块中多个IGBT芯片之间的毗连与多个分立形式的单管进行外部毗连比拟,电路结构更好,引线电感更小。

  模块的外部引线端子更适合高压和大电流毗连。统一制造商的同系列产物,模块的最高电压品级一般会比IGBT 单管高1-2个品级,若是单管产物的最高电压规格为1700V,则模块有2500V、3300V 甚至更高电压规格的产物。

  晶圆上的一个最小全功能单位称为Cell,晶圆朋分后的最小单位,形成IGBT 单管或者模块的一个单位的芯片单位,合称为IGBT的管芯。

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

  近来还有一种叫IPM的模块,把门级驱动和庇护电路也封装进IGBT模块内部,这是给那些最懒的工程师用的,不外工作频次天然不克不及太高咯。

  单管的价钱要远低于模块,可是单管的靠得住性远不及模块。全球除特斯拉和那些低速电动车外,全数都是利用模块,只要特斯拉对成本的注重程度远高于对人命的注重程度。

  特斯拉Model X利用132个IGBT管,由英飞凌供给,此中后电机为96个,前电机为36个,每个单管的价钱大约4-5美元,合计大约650美元。

  若是改用模块的线美元。新疆时时彩注册特斯拉利用单管的缘由次要是成本,特别是其功率比一般的电动车要大不少,加上设想开辟周期短,不得不采用单管设想。

  比拟宝马I3,采用英飞凌新型HybridPACK 2模块设想,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模块设想,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。

  IGBT目前曾经成长到7.5代,第7代由三菱电机在2012年推出,三菱电机目前的程度能够看作7.5代,同时IGBT的下一代SiC手艺曾经在日本全面普及,无论三菱如许的大厂仍是Fuji、Rohm如许的小厂都有能力轻松制造出SiC元件,我国目前逗留在第三代程度上,差距在20年以上。

  IGBT的反面工艺和尺度BCD的LDMOS没区别,区别在后背。后背工艺有几点,起首是减薄,大约需要减薄6-8毫米,减得太多容易碎片,减得太少没无效果。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,在后背蒸镀一层钛或银,最初是Alloy,由于硅片太薄,很容易翘曲或碎片。英飞凌出格擅长减薄手艺。

  这些工艺不只需要持久试探,同时还需要针对工艺开辟出产设备,只要对出产线和设备都很是通晓的企业才能胜任。

  自第六代当前,IGBT本身的潜力曾经挖掘的差不多了,大师都把精神转移到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前提,车规级的IGBT远在工业级之上。

  处理散热的第一点,就是提高 IGBT模块内部的导热导电机能、耐受功率轮回的能力, IGBT模块内部引线手艺履历了粗铝线键合、 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,保守焊料为锡铅合金, 成本低廉、工艺简单, 但具有情况污染问题, 且车用功率模块的芯片温度曾经接近锡铅焊料熔点(220℃)。

  处理该问题的新手艺次要有:低温银烧结手艺和瞬态液相扩散焊接。与保守工艺比拟, 银烧结手艺的导热性、耐热性更好, 具有更高的靠得住性。

  瞬态液相扩散焊接通过特殊工艺构成金属合金层, 熔点比保守焊料高, 机械机能更好。三菱则利用超声波焊接。

  第三点,改良DBC和模块底板,降低散热热阻, 提高热靠得住性, 减小体积,降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料代替 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常规陶瓷,热导率更高,与Si 材料的热膨胀系数婚配更好。

  此外,新型的散热布局,如 Pin Fin布局 和 Shower Power布局, 可以或许显著降低模块的全体热阻,提高散热效率。

  散热的环节是材料,而材料科学是一个国度根本科学的表现,中国在这方面很是掉队,日本则遥遥领先,不只在德国之上,还在美国之上。

  IGBT的下一代SiC(碳化硅)手艺曾经崭露头角,鉴于它的主要性,丰田决定完全自主出产,现实丰田SiC的研究自上世纪80年代就起头了,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无效的手艺。丰田汽车就暗示:“SiC具有与汽油策动机划一的主要性。”

  目前限制SiC使用次要是两方面,一是价钱,其价钱是保守Si型IGBT的6倍。其次是电磁干扰。SiC的开关频次远高于保守Si型IGBT,回路寄生参数曾经大到无法忽略。

  SiC基板是环节,掉队日本企业良多的英飞凌在2016年7月决定收购美国CREE集团旗下的电源和RF部分(“Wolfspeed”),其焦点就是SiC基板手艺。

  不外在2017年2月,美国的外国投资委员会(CFIUS)以关系到国度平安的缘由否认了这项收购,美国之所以否认这项收购,是庇护美国为数少少的先辈工业手艺,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、东芝都有能力本人制造,全数是内部开辟的手艺。意法半导体手艺也不错。

  2014年5月20日,鉴于SiC的主要性,丰田出格召开了旧事发布会,颁布发表与电装、丰地步方研究所合作开辟出了SiC功率半导体。

  丰田开辟的集成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利用SiC,还有就是丰田的氢燃料电池公交车也在试验利用SiC,本田则在本人的氢燃料电池车利用了罗姆的SiC的MOSFET。目前SiC都是试验用的4英寸晶圆线英寸出产线,成本较低。

  丰田估计2018年也启用6英寸出产线年丰田的混动和氢燃料电池车将全面利用SiC。



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