新出行

你不知道的比亚迪另一项业务 详解打破国外垄断的 IGBT 4.0

或许说到纯电动车你最熟悉的就是电池、电机、续航里程;更熟悉一点的朋友会知道电池能量密度、永磁同步电机、交流异步电机等等。但可能会有很少的朋友会知道有一个叫“IGBT”零部件也是新能源车里非常重要的部分,而且目前这个零部件基本都被国外的企业所垄断。但从现在开始,这种垄断局面将由比亚迪来打破。

1.jpg

12 月 10 日,比亚迪在宁波发布了在车规级领域具有标杆性意义的 IGBT4.0 技术,将 IGBT 这个长期游离于人们视野、但又堪称电动车CPU的核心技术带到了“聚光灯”下。而比亚迪目前也是中国第一家实现车规级 IGBT 大规模量产、也是唯一一家拥有 IGBT 完整产业链的车企。

先来回答第一个问题,什么是 IGBT?
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 全称“绝缘栅双极型晶体管”,是一种大功率的电力电子器件,主要用于变频器逆变和其他逆变电路,将直流电压逆变成频率可调的交流电,俗称电力电子装置的“CPU”。对于电动车而言,IGBT 是直接控制驱动系统直、交流电的转换,同时对交流电机进行变频控制,决定了车辆的扭矩和最大输出功率等。

2.jpg
比亚迪车规级 IGBT

它有什么作用?
简单的理解,它就是车内电能的转换器,把电池系统的电能转换成适合的大小从而来驱动各个零部件(包括电机、空调等等)的工作,对于提高车辆的用电效率能起到关键的作用。目前 IGBT 技术主要还是掌握在国外其它的国际巨头手上,目前纯电动车应用的大部分都是来自于德国英飞凌。

3.jpg
IGBT 在一辆新能源车上发挥的作用

IGBT 难在哪里?
根据击穿电压(VBR)区分,IGBT 有 600V、650V、750V、1200V、1700V、2500V、3300V、4500V 和 6500V。1200V 及以下主要用在工业、汽车、家电等,属于低压类别;轨道交通主要使用的是 2500V~6500V 的 IGBT;电网主要使用 6500V 的 IGBT。

工业级别的 IGBT 和车规级的 IGBT 是不一样的,一方面它的寿命要求更高,一般要在 20 年以上,需要满足使用寿命期间数十万次甚至百万次的功率循环要求。另一方面,汽车需要面对的使用环境更加复杂,包括频繁的启停、各种爬坡涉水、高温、高寒、高振动等各种工况,对于 IGBT 的装配体积和散热效率要求都非常高。

5.jpg
IGBT 晶圆

此外车规级的 IGBT 也要求价格必须保持在合理的区间,毕竟乘用车是面向大众消费市场的产品。因此也就相当于车规级的 IGBT 要求要有高性价比的同时也要有高可靠性。

以上是对 IGBT 产品方面的高要求,从制造研发方面来看,IGBT 也要求非常高。首先是芯片层面,IGBT 芯片只有人指甲大小,需要在上面蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路,设计难度高。

晶圆(用于集成各种电路结构的载体)制作工艺难度大,采用最新的1200V FS技术的IGBT,需要将晶圆减薄到120um(约两根头发丝直径)的厚度,再进行10余道工序加工。同时制作晶圆的厂房对于洁净度的要求非常高,一个零点几微米的微尘掉落在晶圆上,就会造成一颗IGBT芯片失效。

4.jpg
IGBT 加工制造难度高

其次从模块层面来讲,设计时需要考虑材料匹配、散热、结构、功率密度、外观以及重量等多项指标,设计难度非常大。同时 IGBT 模块制造过程中大面积芯片的焊接需要在 0.1Kpa 的高真空下进行,作为参考,海平面标准的大气压为 101.325Kpa。

在真空科学中,真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。

比亚迪 IGBT 研发历程
国外厂商由于起步早,目前已经建立了较高的技术壁垒,同时国外高端制造业水平比国内要高很多,一定程度上支撑了国际厂商的技术优势。另一方面国内高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的 IGBT 模块规格在 6500V 以上,技术壁垒较强,并且核心技术也都掌握在国外企业手上,所以长期以来中国 IGBT 市场一直被国际巨头垄断,90% 的份额掌握在英飞凌、三菱等海外巨头手中。

6.jpg
比亚迪 IGBT 发展研发历程

不过在车规级 IGBT 领域,比亚迪昨晚发布的 IGBT 4.0 已经可以达到与国际主流水平一较高下的水平了。而回顾比亚迪 IGBT 的研发历程,从 2005 年开始,到今年已经走过了 13 个年头。用比亚迪第六事业部总经理陈刚的话来说,IGBT 并不是靠砸钱就能砸出来的。
  • 2005 年比亚迪组建 IGBT 研发团队,正式布局 IGBT 产业;
  • 2007 年建立 IGBT 模块生产线,完成首款电动汽车 IGBT 模块样品组装;
  • 2008 年投资建立晶圆工厂,同一年比尔盖茨到访了解比亚迪 IGBT 产品;
  • 2009 年比亚迪 IGBT 1.0 芯片研发成功,通过中国电力电子协会组织的科技成果鉴定;
  • 2010 年自主研发的 IGBT 产品批量供货给自家的新能源汽车 F3DM;
  • 2011 年自主研发的 IGBT 芯片开始在纯电动汽车 e6 上批量装车;
  • 2012 年全球首创将航空航天级 AlSiC(碳化硅铝)材料大批量用于车用 IGBT 模块,同年 IGBT 2.0 芯片成功;
  • 2013 年搭载 IGBT 2.0 芯片的模块通过汽车全面认证;
  • 2014 年搭载 IGBT 2.0 芯片的模块在 e6、K9 等新能源车型上批量装车;
  • 2015 年 IGBT 芯片研发成功,首款大巴专用 IGBT 模块研发成功;
  • 2016 年搭载 IGBT 2.5 芯片的模块批量装车,同年 IGBT 模块工厂通过标准认证;
  • 2017 年 IGBT 4.0 芯片研发成功,同年首款双面水冷 IGBT 模块研发成功;
  • 2018 年搭载 IGBT 2.5 芯片的模块开始批量外供,同年搭载 IGBT 4.0 芯片的模块顺利装车;
  • 2019 年将推出首个 SiC(碳化硅)电控的电动车;

比亚迪 IGBT 4.0 有什么亮点?
从上面比亚迪 IGBT 发展里程可以看到,今晚发布的 IGBT 4.0 芯片在去年就已经研发成功,不过在今年才首次顺利装车,首款装车的产品便是全新一代唐 DM,如果没有记错的话,秦Pro 搭载的也是 IGBT 4.0。

7.jpg
比亚迪 IGBT 4.0 晶圆结构

  • IGBT 产品规格:
  • 电压规格:1200V
  • 电流规格:25-200A
  • 工作频率:标准型 1-16KHZ 快速型 16-25KHZ

  • IGBT 应用领域:
  • 汽车牵引公里驱动
  • 汽车空调变频与制热
  • 汽车转向助力系统
  • 工业感应加热电器、电焊机、变频器等

比亚迪这次全新推出的 IGBT 在诸多关键性技术指标上都要优于目前市场主流产品,比如电流输出能力以及温度循环寿面要比当前市场主流更高、同等工况下的综合损耗也要比当前市场主流的 IGBT 产品要更低。

8.jpg
比亚迪 IGBT 4.0 特点:能耗更低、可控性更好

官方的资料信息显示,电流输出能力较当前市场主流的 IGBT 高 15%,支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力。

9.jpg
比亚迪 IGBT 4.0 相比主流产品总功耗降低约 20%,整车综合电耗约降低 0.6kWh

同等工况下,综合损耗较当前市场主流的产品降低了 20%,使得整车的电耗显著降低。以全新一代唐为例,在其他条件不变的情况下,仅此一项技术,就成功将百公里电耗降低约 3%。

提前布局第三代 SiC 整车性能再提升 10%
随着电动车性能的不断提升,对功率半导体组件也提出了更高的要求,当下的 IGBT 也已经将近逼近硅材料的性能极限。业界都在寻求更低芯片损耗、更强电流输出能力以及更耐高温的全新半导体材料,而这种材料便是 SiC(碳化硅)。

11.jpg
SiC 材料

目前特斯拉 Model 3 已经率先应用了采用 SiC 的 IGBT,而昨晚的发布会上比亚迪也宣布,已经成功研发了 SiC MOSFET(汽车功率半导体包括基于硅或碳化硅等材料打造的 IGBT或 MOSFET 等),有望于 2019 年推出搭载 SiC 电控的电动车。预计到 2023 年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现 SiC 基车用功率半导体对硅基 IGBT 的全面替代,将整车性能在现有基础上再提升 10%。

10.jpg
比亚迪 SiC 模块

至于什么产品会搭载全新的 IGBT,大家可以自己猜测一下,比如比亚迪计划中的电动跑车--汉。

编辑总结 /

比亚迪 IGBT 4.0 的推出,意味着纯电动车这一关键的零部件不再被国外企业所垄断,IGBT 4.0 在各项关键性能上已经超过了国外主流的产品。这不单是对于比亚迪,更是国内整个新能源产业的一大步。这也是继电池之外,又一项核心技术被牢牢的掌握在国内企业的手中,接下来更先进的 SiC MOSFET 也将进一步助力国内新能源车产业的发展。
分享到:

评论列表

一个字不服来战

推荐标签

也许我更懂你

  • 特斯拉
  • 纯电动车
  • 比亚迪
  • 无人驾驶
  • 充电桩
  • 游记
  • 两厢车
  • 三厢车
  • SUV
  • 沙龙
  • 跑车
分享到:
新出行CC + 关注
Archiver|手机版|小黑屋|
返回顶部 评论框