新能源汽车的核心不是电池,不是电机,而是它

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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。

三菱电机的HVIGBT已经成为业内默认的标准,中国的高速机车用IGBT由三菱完全垄断,同时欧洲的阿尔斯通、西门子、庞巴迪也是一半以上采用三菱电机的IGBT。

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除了日系厂家,英飞凌包揽了几乎所有电动车的IGBT,而三菱电机则沉醉于中国高铁的丰厚利润中无法自拔,在低于2500V市场几乎一无所获。

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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。

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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。

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特斯拉Model X使用132个IGBT管,由英飞凌提供,其中后电机为96个,前电机为36个,每个单管的价格大约4-5美元,合计大约650美元。

如果改用模块的话,估计需要12-16个模块,成本大约1200-1600美元。特斯拉使用单管的原因主要是成本,尤其是其功率比一般的电动车要大不少,加上设计开发周期短,不得不采用单管设计。

相比宝马I3,采用英飞凌新型HybridPACK 2模块设计,每个模块内含6个单管型IGBT,750V/660A,电流超大,只需要两个模块即可,体积大大缩小,成本大约300美元。 

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采用英飞凌的新型HybridPACK 2模块设计,每个模块内含6个单管型IGBT,750V/660A,电流超大,只需要两个模块即可,体积大大缩小。 

典型新能源车功率系统对比:

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可以看出丰田的功率密度是国内密度的三倍左右,差距巨大。

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IGBT目前已经发展到7.5代,第7代由三菱电机在2012年推出,三菱电机目前的水平可以看作7.5代,同时IGBT的下一代SiC技术已经在日本全面普及,无论三菱这样的大厂还是Fuji、Rohm这样的小厂都有能力轻松制造出SiC元件,我国目前停留在第三代水平上,差距在20年以上。

IGBT的关键:散热和背板工艺

 


 

IGBT的关键有两点,一是散热,二是背板工艺。

IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS没区别,区别在背面,背面工艺有几点,首先是减薄,大约需要减薄6-8毫米,减得太多容易碎片,减得太少没有效果。接下来是离子注入,注入一层薄磷做缓冲层,第四代需要两次注入磷,本来硅片就很薄了,两次注入很容易碎片。

然后是清洗,接下来金属化,在背面蒸镀一层钛或银,最后是Alloy,因为硅片太薄,很容易翘曲或碎片。英飞凌特别擅长减薄技术。

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*全球IGBT企业排名

这些工艺不仅需要长期摸索,同时还需要针对工艺开发生产设备,只有对生产线和设备都非常精通的企业才能胜任。

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*EV用功率模块封装技术发展

自第六代以后,IGBT自身的潜力已经挖掘的差不多了,大家都把精力转移到IGBT的封装上,也就是散热。

车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多,逆变器内温度最高可达大20度,同时还要考虑强振动条件,车规级的IGBT远在工业级之上。

工业级IGBT与车规级IGBT对比:

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解决散热的第一点,就是提高 IGBT模块内部的导热导电性能、耐受功率循环的能力, IGBT模块内部引线技术经历了粗铝线键合、 铝带键合再到铜线键合的过程,提高了载流密度。

第二点,新的焊接工艺,传统焊料为锡铅合金, 成本低廉、工艺简单, 但存在环境污染问题, 且车用功率模块的芯片温度已经接近锡铅焊料熔点(220℃)。

解决该问题的新技术主要有:低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。与传统工艺相比, 银烧结技术的导热性、耐热性更好, 具有更高的可靠性。

瞬态液相扩散焊接通过特殊工艺形成金属合金层, 熔点比传统焊料高, 机械性能更好。三菱则使用超声波焊接。

第三点,改进DBC和模块底板,降低散热热阻, 提高热可靠性, 减小体积,降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常规陶瓷,热导率更高,与Si 材料的热膨胀系数匹配更好。

此外,新型的散热结构,如 Pin Fin结构 和 Shower Power结构, 能够显著降低模块的整体热阻,提高散热效率。

第四点,就是扩大模块与散热底板间的连接面积,如端子压接技术。

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散热的关键是材料,而材料科学是一个国家基础科学的体现,中国在这方面非常落后,日本则遥遥领先,不仅在德国之上,还在美国之上。

IGBT的下一代SiC(碳化硅)技术已经崭露头角,鉴于它的重要性,丰田决定完全自主生产,实际丰田SiC的研究自上世纪80年代就开始了,足足领先全球30年。

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。丰田汽车就表示:“SiC具有与汽油发动机同等的重要性。”

SiC有多重要?

 
 

 

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目前限制SiC应用主要是两方面,一是价格,其价格是传统Si型IGBT的6倍。其次是电磁干扰。 SiC的开关频率远高于传统Si型IGBT,回路寄生参数已经大到无法忽略。

SiC基板是关键,落后日本企业很多的英飞凌在2016年7月决定收购美国CREE集团旗下的电源和RF部门(“Wolfspeed”),其核心就是SiC基板技术。

不过在2017年2月,美国的外国投资委员会(CFIUS)以关系到国家安全的原因否定了这项收购,美国之所以否定这项收购,是保护美国为数极少的先进工业技术,对日本厂家来说,SiC基板都没有丝毫难度,三菱、丰田、罗姆、富士电机、日立、瑞萨、东芝都有能力自己制造,全部是内部开发的技术。意法半导体技术也不错。

2014年5月20日,鉴于SiC的重要性,丰田特别召开了新闻发布会,宣布与电装、丰田中央研究所合作开发出了SiC功率半导体。

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丰田开发的集成SiC晶体管的4英寸(100mm)晶圆(左)与集成了SiC二极管的4英寸晶圆(右)。

目前丰田正在研发混动版的佳美使用SiC,还有就是丰田的氢燃料电池公交车也在试验使用SiC,本田则在自己的氢燃料电池车使用了罗姆的SiC的MOSFET。目前SiC都是试验用的4英寸晶圆线,只有三菱启用了6英寸生产线,成本较低。

 

丰田预计2018年也启用6英寸生产线,可能在2021年丰田的混动和氢燃料电池车将全面使用SiC。