新能源汽车的核心之一:IGBT

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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,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。 
 
 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。2017年全球纯电动汽车销量达到123万辆,中国市场份额超过50%,增存量市场空间巨大。
 
什么是 IGBT? 
 
 
IGBT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。 与以前的各种电力电子器件相比,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, 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。
 
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: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。 近来还有一种叫IPM的模块,把门级驱动和保护电路也封装进IGBT模块内部,不过工作频率自然不能太高咯。 单管的价格要远低于模块,但是单管的可靠性远不及模块。
 
IGBT的关键有两点,一是散热,二是背板工艺。 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。
 
这些工艺不仅需要长期摸索,同时还需要针对工艺开发生产设备,只有对生产线和设备都非常精通的企业才能胜任。
 
自第六代以后,IGBT自身的潜力已经挖掘的差不多了,大家都把精力转移到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条件,车规级的IGBT远在工业级之上。
 
解决散热的第一点,就是提高 IGBT模块内部的导热导电性能、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℃)。 解决该问题的新技术主要有:低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。与传统工艺相比, 银烧结技术的导热性、耐热性更好, 具有更高的可靠性。 瞬态液相扩散焊接通过特殊工艺形成金属合金层, 熔点比传统焊料高, 机械性能更好。
 
第三点,改进DBC和模块底板,降低散热热阻, 提高热可靠性, 减小体积,降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常规陶瓷,热导率更高,与Si 材料的热膨胀系数匹配更好。
 
此外,新型的散热结构,如 Pin Fin结构 和 Shower Power结构, 能够显著降低模块的整体热阻,提高散热效率。
 
第四点,就是扩大模块与散热底板间的连接面积,如端子压接技术。
 
散热的关键是材料,GBT的下一代SiC(碳化硅)技术已经崭露头角, 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有效的技术
 
使用SiC元器件能让设备体积更小,功耗更低。因具备高耐压、高耐热特性,使在小空间和严酷环境下的安装成为可能。应用于混合动力汽车和电动汽车,可大幅降低油耗,扩大车内空间,从而有更多空间设置更大的电池,有效提高行驶距离。
 
罗姆的SiC器件可以大幅降低逆变器的能量损耗,并且随着体积的减小,对新能源汽车的性能提升有着非常大的帮助。

 

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