新能源汽车的发展,哪种技术得利最大?

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新能源汽车市场在近2年及未来10年,都有着不可估量的发展趋势。纵观全球范围,不管是美国,欧洲,还是中国,都对新能源汽车提出了各种优惠政策,促使新能源汽车产业的发展。

新能源汽车的核心技术总结为“三电”:电机、电控、电池,这也是影响新能源汽车的发展因素。对新能源车来说,电池、VCU、BSM、电机效率都缺乏提升空间,最有提升空间的当属电机驱动部分,而电机驱动部分最核心的元件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管芯片)则是最需要重视的。

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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。

不仅电机驱动要用IGBT,新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT。不仅是新能源车,直流充电桩和机车(高铁)的核心也是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,动车组需要超过100个IGBT模块,一节地铁需要50-80个 IGBT 模块。

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。

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。
 

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上图主要是通过脉冲宽度调制(PWM)的方式控制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、下坡时能量回收)。

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3个基本特征:

-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。


模块的主要优势有以下几个:

-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。


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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,这是给那些最懒的工程师用的,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。全球除特斯拉和那些低速电动车外,全部都是使用模块,只有特斯拉对成本的重视程度远高于对人命的重视程度。


IGBT目前已经发展到7.5代,同时IGBT的下一代SiC(碳化硅)技术已经崭露头角,并在日本全面普及,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。全球知名半导体制作商ROHM也可以制作出SiC元件。

日前,ROHM新开发出兼备业界顶级低传导损耗※1和高速开关特性的650V耐压IGBT※2“RGTV系列(短路耐受能力※3保持版)”和“RGW系列(高速开关版)”,共21种机型。这些产品非常适合用于UPS(不间断电源)、焊接机及功率控制板工业设备、空调、IH(感应加热)等消费电子产品的通用变频器及转换器的功率转换。

<术语解说>

1  导通损耗

MOSFETIGBT等晶体管因元器件结构的缘故,在电流流动时发生电压下降。导通损耗是因这种元器件的电压下降而产生的损耗。

 

2 IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极晶体管)

MOSFET的高速开关特性和双极晶体管的低传导损耗特性兼备的功率晶体管。

 

3 短路耐受能力

对引起元器件损坏的短路(电子电路的2点用低阻值的电阻器连接)的耐受能力。

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