IGBT,电动汽车下一个战场的制胜法宝? |车创观察

发布时间:2019-01-14

  经常会有人问王传福,比亚迪的技术积累到底怎么样?早些年被汽车圈称为“狂人”的王传福,他总是这样回答道:“比亚迪有技术‘鱼池’,里面有各种各样的技术,市场需要时,我们就捞一条出来,电动车、轨道交通都是‘鱼池’里的大鱼。”
  
  在去年的12月10日,比亚迪在宁波发布了车规级领域的IGBT4.0技术。也许,在这一天之前,除了业内人士,普罗大众对于IGBT都感到比较陌生。只是,现在比亚迪把IGBT这一个长期游离于大众视野中,却又是新能源汽车的“CPU”核心技术展示在聚光灯之下。
 
比亚迪 IGBT4.0核心技术解析会
  
  这一次,比亚迪又捞出一条“大鱼”,欲想把它变成下一个“独角兽”。

 
                                                        

 
 
  IGBT有个看起来很专业的中文名字——绝缘栅双极型晶体管。IGBT是由BJT(双极结型晶体三极管) 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,其具有自关断的特征。
  
  IGBT并不是近几年的技术产物,它的技术发展历史已经有60多年。在近几十年的发展中,IGBT已经更新迭代到第六代,其技术发展趋势是向着降低损耗与降低生产成本而走。
  
  如果我们从某一个维度去分析,比如从结构上讲,IGBT主要有三个发展方向:
  
  ·IGBT纵向结构:非透明集电区NPT型、带缓冲层的PT型、透明集电区NPT型和FS电场截止型;
  
  ·IGBT栅极结构:平面栅机构、Trench沟槽型结构;
  
  ·硅片加工工艺:外延生长技术、区熔硅单晶;
 
  
比亚迪IGBT产品晶圆
  
  就像开头所说,可能在很多人眼里都是比较陌生的名词。但其实IGBT在多个行业领域都占据着极为重要的位置,已经广泛应用于轨道交通、工业、航空航天、电动汽车等不同行业领域。
 
                                                        
 
  
  尽管IGBT只有指甲盖的大小,但是其身上布满着十几万乃至几十万的微观结构电路,充当着电子装置“CPU”的角色,起着在能源转换与传输中起着心脏般的重要作用。
  
  之前大家曾经一致地认为,得电池者,便可得新能源汽车天下。但最近,这一论调渐渐又受到了质疑。有些人认为,IGBT才是新能源汽车的真正核心。
  
  IGBT是新能源汽车中最重要的核心零部件之一,这是毋庸置疑。
  
  IGBT是电机驱动部分最核心的元件。在电力驱动系统中,IGBT用于逆变器模块,该模块将蓄电池的直流电转换交流电驱动电机;在电源系统中,IGBT用于各种交流/直流与直流/直流变换器中,实现为蓄电池充电与完成所需电压等级的电源变换等功能。同时,IGBT也是充电桩的核心部件。
  
  也就是说,在电动汽车电池组充放电、动力系统,甚至空调系统、转向系统中都发挥这关键的作用。
  
  我们都知道,之所以电池对于电动汽车来说那么重要,除了它担任着“能量驱动”的角色以外,它的成本是整车第一高。只有控制了电池的成本,电动汽车的成本才会降下来。
  
  同样的道理,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。
  
  因此,把握住IGBT的成本也许也是制胜的一步。
  
  要获取制胜法宝,显然是不易。
  
  与工业级的相比,应用于新能源汽车的IGBT技术有着更高的要求。
  
  按照目前的市场情况,不断扩大的新能源汽车市场与需求,催生了专用于车机功率的电子器件。目前的汽车功率半导体是从工业电子器件演化而来,而经过汽车认证后的电子院器件作为车规级产品,需要有着更好、更可靠的性能。
  
  另外,汽车的大众消费属性对IGBT的寿命要求更高,只有满足使用寿命内数十万次甚至是百万次的功率循环要求的产品,才能在汽车领域被采纳。也就是说,现在的汽车IGBT已经走过了初期的“将就用”的阶段,进入了精细化设计时期。
 
  
  随着汽车智能化的发展,以及对于功能安全、使用情况的要求越来越高,作为被动执行的功率器件IGBT,在技术设计上需要额外增加逻辑判断和保护功能。
  
  比如说,在IGBT内部需要增加温度传感器。当系统可能出故障之时,可以做出初步判断,再结合应用,达到快速反馈到处理器的效果,尝试降低车辆输出扭矩和速度,形成诊断的闭环。这是IGBT由被动执行变为主动执行的一个“角色转换”。

 
                                                        

 
  
  按照目前的行业形势,我国的电池产业发展的比较快,2018年我国动力电池累计产量突破了65GWh,与日本、韩国形成“三足鼎立”的局面。
  
  反观 IGBT,国内相关的企业技术发展却是滞后。
  
  IGBT犹如高岭之花,因设计门槛高、制造技术难、投资大,很少人能把它摘取下来。此前,因为该技术主要掌握在国际巨头手中,导致国内甚至一度出现“一芯难求”的尴尬局面。
  
  根据相关的报告显示,中国功率半导体市场占世界市场的50%以上,但是掌握着IGBT主要研发技术的公司却基本上被欧美、日本等国家所垄断,如英飞凌、三菱、富士等巨头企业。所以,中国的在中高端 MOSFET 及 IGBT 主流器件市场上,90%都是要依赖进口。
  
  这一次,比亚迪发布车规级领域的IGBT4.0技术,可以说在一定程度上改变了这个“尴尬”的情况。
 
  
  据了解,比亚迪所推出的IGBT4.0,其称之可达到“全球领先水平”。这当然是充满着公关气味的描述,但也不能因此质疑比亚迪IGBT4.0的实力。
  
  从发布会我们可以得知,比亚迪IGBT4.0在诸多关键技术指标上都优于当前市场主流产品,如电流输出能力较当前市场主流的IGBT高15%;同等工况下,综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%;温度循环寿命可以做到当前市场主流IGBT的10倍以上……
  
  显然,国内的行内人士对于比亚迪都充满着信心。中国电器工业协会电力电子分会秘书长蔚红旗讲道:“中国新能源汽车的‘中国芯’就在比亚迪,比亚迪在这方面给中国人争了口气。功率器件这块如果国产做好了,不但别人卡不了脖子,我们自己也能省很多钱。”
  
  成功一直都不是一蹴而就的事情。
  
  比亚迪在IGBT已经布局10余年有多,目前比亚迪已经陆续掌握IGBT芯片设计和制造、模组设计和制造、大功率器件测试应用平台、电源及电控等环节,成为中国唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企。
 
  
  “当初,我们做IGBT,是因为行业里没有标准、也没有合适的器件,所以自己的团队搭建了这样的能力,以前是自给自足。现在是一个开放型平台,我们的IGBT器件秉持开放式心态,对外界的车厂做沟通和交流。” 陈刚表示。
  
  比亚迪虽然是国内第一家拥有IGBT完整产业链的车企,但国内紧盯着IGBT的不止比亚迪。
  
  2017年年底,江苏宏微科技股份有限公司就与北汽新能源汽车股份公司联合成立宏微-北汽新能源IGBT联合实验室;2018年3月,上汽集团股份有限公司与英飞凌以51:49股比合资成立的上汽英飞凌汽车功率半导体(上海)有限公司正式开业;4月,针对新能源市场,中科君芯推出新能源汽车领域DCS-IGBT芯片。
  
  而纵观全球,其实早已经有拥有IGBT完整产业链车企的玩家在了。
  
  有着“先见之明”的丰田就早早地选择将IGBT管完全控制在自己手中,成为了全球唯一能够自产IGBT管的汽车厂家。普锐斯也因此获得强大的生命力,成为口碑极佳的强混合动力车。
 
  
  现在,被认为是IGBT的下一代“拯救者”SiC(碳化硅)技术已经崭露头角,丰田对于SiC的研究自上世纪80年代就开始了,比其他选手快乐30余年。
  
  可想而知,与其他国家相比,我们还是有一定差距。
 
                                                        
 
  
  根据相关报告分析,2018-2025年期间,中国新能源汽车及相关产业带动的IGBT市场规模共计超过1200亿元。
  
  无疑,新能源汽车带给了IGBT更多无限的可能。同时,这里面也存在着无数的挑战。需要注意的是,中国半导体需要快马加鞭追上世界的潮流。从目前全球格局来讲,我们现在也只能说是迎头赶上。


 
  
  作者|梁承贤
  
  图片来源于网络
点赞()
收藏 :  分享至 :