什么是IGBT？為什么說(shuō)新能源汽車(chē)的核心是IGBT？

對(duì)新能源車(chē)來(lái)說(shuō)，電池、VCU、BSM、電機(jī)效率都缺乏提升空間，最有提升空間的當(dāng)屬電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車(chē)成本的15-20%，也就是說(shuō)IGBT占整車(chē)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(chē)的能源效率。

不僅電機(jī)驅(qū)動(dòng)要用IGBT，新能源的發(fā)電機(jī)和空調(diào)部分一般也需要IGBT。不僅是新能源車(chē)，直流充電樁和機(jī)車(chē)（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(jī)車(chē)一般需要 500 個(gè)IGBT 模塊，動(dòng)車(chē)組需要超過(guò)100個(gè)IGBT模塊，一節(jié)地鐵需要50-80個(gè) IGBT 模塊。

三菱電機(jī)的HVIGBT已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)的高速機(jī)車(chē)用IGBT由三菱完全壟斷，同時(shí)歐洲的阿爾斯通、西門(mén)子、龐巴迪也是一半以上采用三菱電機(jī)的IGBT。

除了日系廠(chǎng)家，英飛凌包攬了幾乎所有電動(dòng)車(chē)的IGBT，而三菱電機(jī)則沉醉于中國(guó)高鐵的豐厚利潤(rùn)中無(wú)法自拔，在低于2500V市場(chǎng)幾乎一無(wú)所獲。

2016年全球電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量大約200萬(wàn)輛，共消耗了大約9億美元的IGBT管，平均每輛車(chē)大約450美元，是電動(dòng)車(chē)?yán)锍姵赝庾畎嘿F的部件。

其中，混合動(dòng)力和PHEV大約77萬(wàn)輛，每輛車(chē)需要大約300美元的IGBT，純電動(dòng)車(chē)大約123萬(wàn)輛，平均每輛車(chē)使用540美元的IGBT，大功率的純電公交車(chē)用的IGBT可能超過(guò)1000美元。

什么是 IGBT？

IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)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(diǎn)：高輸入阻抗，可采用通用低成本的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路；高速開(kāi)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(diǎn)，在綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢(shì)，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(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

　　上圖主要是通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式控制IGBT開(kāi)關(guān)，將電流從DC轉(zhuǎn)換到AC（電池到電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)）或者從AC轉(zhuǎn)化到DC（電機(jī)到電池，剎車(chē)、下坡時(shí)能量回收）。

　　對(duì)于混合動(dòng)力，除驅(qū)動(dòng)電機(jī)外，另外還有一個(gè)發(fā)電機(jī)，可以由汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)其發(fā)電，然后通過(guò)IGBT模塊AC/DC轉(zhuǎn)換后向電池充電。在DM車(chē)型中，該發(fā)電機(jī)還可以充當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用。

　　IGBT最常見(jiàn)的形式其實(shí)是模塊（Module），而不是單管。模塊的3個(gè)基本特征：

　　多個(gè)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(gè)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(shì)有以下幾個(gè)：

　　多個(gè)IGBT芯片并聯(lián)，IGBT的電流規(guī)格更大。

　　多個(gè)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(gè)IGBT芯片處于同一個(gè)金屬基板上，等于是在獨(dú)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(gè)模塊內(nèi)的多個(gè)IGBT芯片經(jīng)過(guò)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(gè)IGBT芯片之間的連接與多個(gè)分立形式的單管進(jìn)行外部連接相比，電路布局更好，引線(xiàn)電感更小。

　　模塊的外部引線(xiàn)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(jí)一般會(huì)比IGBT 單管高1-2個(gè)等級(jí)，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(gè)最小全功能單元稱(chēng)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(gè)單元的芯片單元，合稱(chēng)為IGBT的管芯。

一個(gè)IGBT管芯稱(chēng)為模塊的一個(gè)單元，也稱(chēng)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(méi)有獨(dú)立的封裝，而管芯都有獨(dú)立的封裝，成為一個(gè)IGBT管。

近來(lái)還有一種叫IPM的模塊，把門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路也封裝進(jìn)IGBT模塊內(nèi)部，這是給那些最懶的工程師用的，不過(guò)工作頻率自然不能太高咯。

單管的價(jià)格要遠(yuǎn)低于模塊，但是單管的可靠性遠(yuǎn)不及模塊。全球除特斯拉和那些低速電動(dòng)車(chē)外，全部都是使用模塊，只有特斯拉對(duì)成本的重視程度遠(yuǎn)高于對(duì)人命的重視程度。

特斯拉Model X使用132個(gè)IGBT管，由英飛凌提供，其中后電機(jī)為96個(gè)，前電機(jī)為36個(gè)，每個(gè)單管的價(jià)格大約4-5美元，合計(jì)大約650美元。

如果改用模塊的話(huà)，估計(jì)需要12-16個(gè)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(dòng)車(chē)要大不少，加上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短，不得不采用單管設(shè)計(jì)。

相比寶馬I3，采用英飛凌新型HybridPACK 2模塊設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊內(nèi)含6個(gè)單管型IGBT，750V/660A，電流超大，只需要兩個(gè)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(jì)，每個(gè)模塊內(nèi)含6個(gè)單管IGBT，750V/660A，電流超大，只需要兩個(gè)模塊即可，體積大大縮小。?