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新能源汽車的核心——IGBT
上傳更新:2018-08-03

摘自:半導體行業觀察 2018-08-03

 

對新能源車來說,電池、VCU、BSM、電機效率都缺乏提升空間,最有提升空間的當屬電機驅動部分,而電機驅動部分最核心的元件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管芯片)則是最需要重視的。

 

IGBT約占電機驅動系統成本的一半,而電機驅動系統占整車成本的15-20%,也就是說IGBT占整車成本的7-10%,是除電池之外成本第二高的元件,也決定了整車的能源效率。

 

不僅電機驅動要用IGBT,新能源的發電機和空調部分一般也需要IGBT。不僅是新能源車,直流充電樁和機車(高鐵)的核心也是IGBT管,直流充電樁30%的原材料成本就是IGBT。電力機車一般需要 500 個IGBT 模塊,動車組需要超過100個IGBT模塊,一節地鐵需要50-80個 IGBT 模塊。

 

三菱電機的HVIGBT已經成為業內默認的標準,中國的高速機車用IGBT由三菱完全壟斷,同時歐洲的阿爾斯通、西門子、龐巴迪也是一半以上采用三菱電機的IGBT。

 

除了日系廠家,英飛凌包攬了幾乎所有電動車的IGBT,而三菱電機則沉醉于中國高鐵的豐厚利潤中無法自拔,在低于2500V市場幾乎一無所獲。

  

2016年全球電動車銷量大約200萬輛,共消耗了大約9億美元的IGBT管,平均每輛車大約450美元,是電動車里除電池外最昂貴的部件。

 

其中,混合動力和PHEV大約77萬輛,每輛車需要大約300美元的IGBT,純電動車大約123萬輛,平均每輛車使用540美元的IGBT,大功率的純電公交車用的IGBT可能超過1000美元。

 

什么是 IGBT?

 

IGBT是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。

 

與以前的各種電力電子器件相比,IGBT具有以下特點:高輸入阻抗,可采用通用低成本的驅動線路;高速開關特性;導通狀態低損耗。

 

IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點,在綜合性能方面占有明顯優勢,非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

 

上圖主要是通過脈沖寬度調制(PWM)的方式控制IGBT開關,將電流從DC轉換到AC(電池到電機,驅動電機)或者從AC轉化到DC(電機到電池,剎車、下坡時能量回收)。

 

對于混合動力,除驅動電機外,另外還有一個發電機,可以由汽車的發動機帶動其發電,然后通過IGBT模塊AC/DC轉換后向電池充電。在DM車型中,該發電機還可以充當驅動電機的作用。

 

IGBT最常見的形式其實是模塊(Module),而不是單管。模塊的3個基本特征:

模塊的外部引線端子更適合高壓和大電流連接。同一制造商的同系列產品,模塊的最高電壓等級一般會比IGBT 單管高1-2個等級,如果單管產品的最高電壓規格為1700V,則模塊有2500V、3300V 乃至更高電壓規格的產品。

 

 

晶圓上的一個最小全功能單元稱為Cell,晶圓分割后的最小單元,構成IGBT 單管或者模塊的一個單元的芯片單元,合稱為IGBT的管芯。

 

一個IGBT管芯稱為模塊的一個單元,也稱為模塊單元、模塊的管芯。模塊單元與IGBT管芯的區別在最終產品,模塊單元沒有獨立的封裝,而管芯都有獨立的封裝,成為一個IGBT管。

 

近來還有一種叫IPM的模塊,把門級驅動和保護電路也封裝進IGBT模塊內部,這是給那些最懶的工程師用的,不過工作頻率自然不能太高咯。

 

單管的價格要遠低于模塊,但是單管的可靠性遠不及模塊。全球除特斯拉和那些低速電動車外,全部都是使用模塊,只有特斯拉對成本的重視程度遠高于對人命的重視程度。

 

特斯拉Model X使用132個IGBT管,由英飛凌提供,其中后電機為96個,前電機為36個,每個單管的價格大約4-5美元,合計大約650美元。

 

如果改用模塊的話,估計需要12-16個模塊,成本大約1200-1600美元。特斯拉使用單管的原因主要是成本,尤其是其功率比一般的電動車要大不少,加上設計開發周期短,不得不采用單管設計。

 

相比寶馬I3,采用英飛凌新型HybridPACK 2模塊設計,每個模塊內含6個單管型IGBT,750V/660A,電流超大,只需要兩個模塊即可,體積大大縮小,成本大約300美元。 

 

采用英飛凌的新型HybridPACK 2模塊設計,每個模塊內含6個單管型IGBT,750V/660A,電流超大,只需要兩個模塊即可,體積大大縮小。  

 

典型新能源車功率系統對比:

 

可以看出豐田的功率密度是國內密度的三倍左右,差距巨大。

 

IGBT目前已經發展到7.5代,第7代由三菱電機在2012年推出,三菱電機目前的水平可以看作7.5代,同時IGBT的下一代SiC技術已經在日本全面普及,無論三菱這樣的大廠還是Fuji、Rohm這樣的小廠都有能力輕松制造出SiC元件,我國目前停留在第三代水平上,差距在20年以上。

 

IGBT的關鍵:散熱和背板工藝

 

IGBT的關鍵有兩點,一是散熱,二是背板工藝。

 

IGBT的正面工藝和標準BCD的LDMOS沒區別,區別在背面,背面工藝有幾點,首先是減薄,大約需要減薄6-8毫米,減得太多容易碎片,減得太少沒有效果。接下來是離子注入,注入一層薄磷做緩沖層,第四代需要兩次注入磷,本來硅片就很薄了,兩次注入很容易碎片。

 

然后是清洗,接下來金屬化,在背面蒸鍍一層鈦或銀,最后是Alloy,因為硅片太薄,很容易翹曲或碎片。英飛凌特別擅長減薄技術。

 

*全球IGBT企業排名

 

這些工藝不僅需要長期摸索,同時還需要針對工藝開發生產設備,只有對生產線和設備都非常精通的企業才能勝任。

 

*EV用功率模塊封裝技術發展

 

自第六代以后,IGBT自身的潛力已經挖掘的差不多了,大家都把精力轉移到IGBT的封裝上,也就是散熱。

 

車用IGBT的散熱效率要求比工業級要高得多,逆變器內溫度最高可達大20度,同時還要考慮強振動條件,車規級的IGBT遠在工業級之上。

 

工業級IGBT與車規級IGBT對比:

解決散熱的第一點,就是提高 IGBT模塊內部的導熱導電性能、耐受功率循環的能力, IGBT模塊內部引線技術經歷了粗鋁線鍵合、 鋁帶鍵合再到銅線鍵合的過程,提高了載流密度。

 

第二點,新的焊接工藝,傳統焊料為錫鉛合金, 成本低廉、工藝簡單, 但存在環境污染問題, 且車用功率模塊的芯片溫度已經接近錫鉛焊料熔點(220℃)。

 

解決該問題的新技術主要有:低溫銀燒結技術和瞬態液相擴散焊接。與傳統工藝相比, 銀燒結技術的導熱性、耐熱性更好, 具有更高的可靠性。

 

瞬態液相擴散焊接通過特殊工藝形成金屬合金層, 熔點比傳統焊料高, 機械性能更好。三菱則使用超聲波焊接。

 

第三點,改進DBC和模塊底板,降低散熱熱阻, 提高熱可靠性, 減小體積,降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常規陶瓷,熱導率更高,與Si 材料的熱膨脹系數匹配更好。 

 

此外,新型的散熱結構,如 Pin Fin結構 和 Shower Power結構, 能夠顯著降低模塊的整體熱阻,提高散熱效率。

 

第四點,就是擴大模塊與散熱底板間的連接面積,如端子壓接技術。

 

散熱的關鍵是材料,而材料科學是一個國家基礎科學的體現,中國在這方面非常落后,日本則遙遙領先,不僅在德國之上,還在美國之上。

 

IGBT的下一代SiC(碳化硅)技術已經嶄露頭角,鑒于它的重要性,豐田決定完全自主生產,實際豐田SiC的研究自上世紀80年代就開始了,足足領先全球30年。

 

SiC能將新能源車的效率再提高10%,這是新能源車提高效率最有效的技術。豐田汽車就表示:“SiC具有與汽油發動機同等的重要性。”

 

SiC有多重要?

 

目前限制SiC應用主要是兩方面,一是價格,其價格是傳統Si型IGBT的6倍。其次是電磁干擾。 SiC的開關頻率遠高于傳統Si型IGBT,回路寄生參數已經大到無法忽略。

 

SiC基板是關鍵,落后日本企業很多的英飛凌在2016年7月決定收購美國CREE集團旗下的電源和RF部門(“Wolfspeed”),其核心就是SiC基板技術。

 

不過在2017年2月,美國的外國投資委員會(CFIUS)以關系到國家安全的原因否定了這項收購,美國之所以否定這項收購,是保護美國為數極少的先進工業技術,對日本廠家來說,SiC基板都沒有絲毫難度,三菱、豐田、羅姆、富士電機、日立、瑞薩、東芝都有能力自己制造,全部是內部開發的技術。意法半導體技術也不錯。

 

2014年5月20日,鑒于SiC的重要性,豐田特別召開了新聞發布會,宣布與電裝、豐田中央研究所合作開發出了SiC功率半導體。

 

豐田開發的集成SiC晶體管的4英寸(100mm)晶圓(左)與集成了SiC二極管的4英寸晶圓(右)。

 

目前豐田正在研發混動版的佳美使用SiC,還有就是豐田的氫燃料電池公交車也在試驗使用SiC,本田則在自己的氫燃料電池車使用了羅姆的SiC的MOSFET。目前SiC都是試驗用的4英寸晶圓線,只有三菱啟用了6英寸生產線,成本較低。

 

豐田預計2018年也啟用6英寸生產線,可能在2021年豐田的混動和氫燃料電池車將全面使用SiC。

 

 

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