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[汽车学堂] 功率变流装置的“CPU”,你知道IGBT吗?

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发表于 2018-11-26 17:40:28 |显示全部楼层
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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。


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