功率变流装置的“CPU”，你知道IGBT吗？

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新能源汽车发展已有时日，不少感兴趣的朋友已经对新能源汽车的电池、电机技术有所了解，但我们今天的主角很多人可能并不熟悉，它身材娇小，平时在车辆内部也不引人注意，但同样，它也是新能源汽车身上不可缺少的部分，被行业誉为功率变流装置的“CPU”。如果说新能源汽车打开了人类未来出行的大门，那么可以毫不夸张地说，这个小东西便是打开这扇大门的钥匙，它就是IGBT！



IGBT是英文Insulate-Gate Bipolar Transistor的缩写，中文大名是绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管BJT和绝缘栅型场效应管MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。以上是学术界的定义，换成我们通俗易懂的理解来看，IGBT就是一个开关，在电路上控制通断，可能大家会说这不就是我们家吊灯的开关按钮吗？那你就想错了，IGBT是用在几十到几百伏特的电压、几十到几百安培电流的强电电路上的装置，并且不需要通过机械结构进行控制，在这个电流电压量级下，IGBT可以实现每秒万次的开关速度。有了如此快的开关能力，IGBT就可以承担起普通变压器所不具备的功能，通过IGBT这种开关可以设计出一套系统，通过计算机控制IGBT，把强电电路电源侧的交流电变成给定电压的直流电，也可以把各种电变成所需频率的交流电。
IGBT本身的特性使其非常适用于新能源汽车产业的应用，对于新能源汽车来说，无论是充电和放电都涉及到大量的强电交直流转换过程，因此IGBT就成为了新能源汽车所必备的组件。在新能源汽车中，逆变器用于控制汽车电机为汽车运行提供动力，而IGBT功率模块是电动汽车逆变器的核心功率器件。在电动控制系统中，IGBT将大功率直流/交流电(DC/AC)逆变后，驱动汽车电机。在车载电子系统中，也需要使用电流较小的IGBT，将小功率直流/交流电(DC/AC)逆变。因此IGBT可以称得上是电动车的CPU，就如高通之于手机、Intel之于电脑。


IGBT除了在新能源汽车身上大量应用之外，也是直流充电桩的核心器件，并且成本占到新能源整车成本的10%，更占充电桩成本的20%。在众多新能源汽车利好政策的推动下，IGBT的市场需求量越来越大， 而我国的功率半导体技术包括芯片设计、制造和模块封装技术目前都还处于起步阶段。功率半导体芯片技术研究也多采取“设计加代工”模式，即先提出芯片设计方案，再由国内外的集成电路公司代工生产。而集成电路公司大多没有独立的功率器件生产线，只能用现有的集成电路生产工艺完成订单，更难解决的是我国芯片工艺技术的不成熟，先进设备多依赖进口，国外高端IGBT制造技术普遍有专利保护，由于技术壁垒，难以从国外购买IGBT设计和制造技术。
发展道路的艰辛并不意味着没有成果，像国内著名的新能源主机厂比亚迪就通过十几年的努力，成为除中国中车外，国内为数不多能够量产高压大功率IGBT芯片的企业，同时也是唯一能够量产新能源汽车用高压大功率IGBT芯片的企业。比亚迪同时拥有 IGBT 研发、制造，及大规模应用的数据和场景，在国内大多数只能对IGBT做模块封装的时候，比亚迪已经实现了自主研发、自主设计IGBT芯片，带来了众多出色的产品，例如1200V 200A IGBT芯片——BWG193N120L就曾获得2017年第十二届“中国芯”最具潜质产品称号。V-315系列更是全球首款大批量应用于双模混合动力汽车的1200V大功率IGBT模块，是全球装车量最多的全桥IGBT模块。


新能源汽车产业是我国的重点新兴产业，同时也是国际汽车业的发展方向，IGBT无论是从功能的重要性还是从技术的发展难度上来看，已经成为新能源汽车发展的“命门”，自主设计制造国产IGBT芯片，才能不受制于人，才能在激烈的竞争中抢到行业的高点，掌握IGBT全产业链，是未来国家和相关企业必须要走的路。