IGBT約占電機驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半 決定了整車的能源效率

編者按

IGBT約占電機驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅(qū)動系統(tǒng)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。

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(qū)動部分，而電機驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動要用IGBT，新能源的發(fā)電機和空調(diào)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(jié)地鐵需要50-80個 IGBT 模塊。

三菱電機的HVIGBT已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)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(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)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(qū)動線路；高速開關(guān)特性；導(dǎo)通狀態(tài)低損耗。

IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點，在綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

上圖主要是通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)的方式控制IGBT開關(guān)，將電流從DC轉(zhuǎn)換到AC（電池到電機，驅(qū)動電機)或者從AC轉(zhuǎn)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(qū)動電機外，另外還有一個發(fā)電機，可以由汽車的發(fā)動機帶動其發(fā)電，然后通過IGBT模塊AC/DC轉(zhuǎn)換后向電池充電。在DM車型中，該發(fā)電機還可以充當驅(qū)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：

多個芯片以絕緣方式組裝到金屬基板上；

空心塑殼封裝，與空氣的隔絕材料是高壓硅脂或者硅脂，以及其他可能的軟性絕緣材料；

同一個制造商、同一技術(shù)系列的產(chǎn)品，IGBT模塊的技術(shù)特性與同等規(guī)格的IGBT 單管基本相同。

模塊的主要優(yōu)勢有以下幾個：

多個IGBT芯片并聯(lián)，IGBT的電流規(guī)格更大。

多個IGBT芯片按照特定的電路形式組合，如半橋、全橋等，可以減少外部電路連接的復(fù)雜性。

多個IGBT芯片處于同一個金屬基板上，等于是在獨立的散熱器與IGBT芯片之間增加了一塊均熱板，工作更可靠。

一個模塊內(nèi)的多個IGBT芯片經(jīng)過了模塊制造商的篩選，其參數(shù)一致性比市售分立元件要好。

模塊中多個IGBT芯片之間的連接與多個分立形式的單管進行外部連接相比，電路布局更好，引線電感更小。

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(chǎn)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(chǎn)品的最高電壓規(guī)格為1700V，則模塊有2500V、3300V 乃至更高電壓規(guī)格的產(chǎn)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(gòu)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(qū)別在最終產(chǎn)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(qū)動和保護電路也封裝進IGBT模塊內(nèi)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(shè)計開發(fā)周期短，不得不采用單管設(shè)計。

相比寶馬I3，采用英飛凌新型HybridPACK 2模塊設(shè)計，每個模塊內(nèi)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(shè)計，每個模塊內(nèi)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(tǒng)對比：

可以看出豐田的功率密度是國內(nèi)密度的三倍左右，差距巨大。

IGBT目前已經(jīng)發(fā)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(shù)已經(jīng)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(guān)鍵：散熱和背板工藝

IGBT的關(guān)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(qū)別，區(qū)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(shù)。

*全球IGBT企業(yè)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(fā)生產(chǎn)設(shè)備，只有對生產(chǎn)線和設(shè)備都非常精通的企業(yè)才能勝任。

*EV用功率模塊封裝技術(shù)發(fā)展

自第六代以后，IGBT自身的潛力已經(jīng)挖掘的差不多了，大家都把精力轉(zhuǎn)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(yè)級要高得多，逆變器內(nèi)溫度最高可達大20度，同時還要考慮強振動條件，車規(guī)級的IGBT遠在工業(yè)級之上。

工業(yè)級IGBT與車規(guī)級IGBT對比：

解決散熱的第一點，就是提高 IGBT模塊內(nèi)部的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能、耐受功率循環(huán)的能力， IGBT模塊內(nèi)部引線技術(shù)經(jīng)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(tǒng)焊料為錫鉛合金， 成本低廉、工藝簡單， 但存在環(huán)境污染問題， 且車用功率模塊的芯片溫度已經(jīng)接近錫鉛焊料熔點（220℃）。

解決該問題的新技術(shù)主要有：低溫銀燒結(jié)技術(shù)和瞬態(tài)液相擴散焊接。與傳統(tǒng)工藝相比， 銀燒結(jié)技術(shù)的導(dǎo)熱性、耐熱性更好， 具有更高的可靠性。

瞬態(tài)液相擴散焊接通過特殊工藝形成金屬合金層， 熔點比傳統(tǒng)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(guī)陶瓷，熱導(dǎo)率更高，與Si 材料的熱膨脹系數(shù)匹配更好。

此外，新型的散熱結(jié)構(gòu)，如 Pin Fin結(jié)構(gòu) 和 Shower Power結(jié)構(gòu)， 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(shù)。

散熱的關(guān)鍵是材料，而材料科學(xué)是一個國家基礎(chǔ)科學(xué)的體現(xiàn)，中國在這方面非常落后，日本則遙遙領(lǐng)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(shù)已經(jīng)嶄露頭角，鑒于它的重要性，豐田決定完全自主生產(chǎn)，實際豐田SiC的研究自上世紀80年代就開始了，足足領(lǐng)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(shù)。豐田汽車就表示：“SiC具有與汽油發(fā)動機同等的重要性?！?/p>

SiC有多重要？

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

SiC基板是關(guān)鍵，落后日本企業(yè)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(shù)。

不過在2017年2月，美國的外國投資委員會（CFIUS）以關(guān)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(shù)極少的先進工業(yè)技術(shù)，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(nèi)部開發(fā)的技術(shù)。意法半導(dǎo)體技術(shù)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(fā)布會，宣布與電裝、豐田中央研究所合作開發(fā)出了SiC功率半導(dǎo)體。

豐田開發(fā)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(fā)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(chǎn)線，成本較低。

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