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IGBT通俗講解

發(fā)布時間:2020-09-28 點擊次數(shù):2890


2018年12月,比亞迪發(fā)布了在車規(guī)級領域的IGBT 4.0技術,此前這項技術及零部件基本都被國外的企業(yè)所壟斷。而發(fā)布此項技術之后,比亞迪成為了國內第一家實現(xiàn)車規(guī)級IGBT大規(guī)模量產、也是唯一一家擁有IGBT完整產業(yè)鏈的車企。今天跟大家聊聊和IGBT相關的事吧。




什么是IGBT?它是干什么的?

IGBT中文稱“絕緣柵雙極型晶體管”,你可以把它理解為一個開關,用在電壓幾十到幾百伏、電流幾十到幾百安的強電上。這時候你可能會想到,這個電壓電流的量級,不就是我們日常家用電的量級嗎?但家里的電燈開關是用實體按鈕控制的,IGBT不用機械按鈕,是由計算機控制的。

IGBT模塊結構

我們日常生活中,使用的都是交流電,發(fā)電廠發(fā)出來的都是交流電,但如果你想給電動車充電,必須把交流變成直流才能充進去,IGBT正好就能實現(xiàn)這個功能,電池放電的時候,通過IGBT把直流電轉變成交流電機使用的交流電。這是IGBT的一個功能:交流直流互轉。

IGBT其實離我們并不遙遠,就算你家里沒有汽車,有些很常用的東西里也有IGBT,比如電磁爐和變頻空調。這涉及到IGBT的另一個功能,變頻。比如電磁爐需要把普通的50赫茲交流電變成20-40千赫茲的高頻交流電。

當然它也是變壓器的組成部分。

IGBT應用領域

所以IGBT是一個很“均衡強勢”的東西,雖然上面說的幾個功能使用逆變器、整流器、變壓器等也能實現(xiàn),但一是他們不能承受那么高的電壓,二是開關速度沒有IGBT快,IGBT一秒鐘可以開關幾萬次。




IGBT在電動車里干什么?

IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面:

◆1. 電控系統(tǒng) 大功率直流變交流(逆變器的功能)后驅動汽車電機;

◆2. 車載空調控制系統(tǒng) 小功率直流/交流逆變;

◆3. 充電樁 智能充電樁中IGBT模塊被作為開關使用;


比亞迪車規(guī)級IGBT模組

▲ 比亞迪車規(guī)級IGBT模組

面說了IGBT可以承受高電壓、可以變頻、可以控制交直流轉換、可以變壓,也就是說現(xiàn)在有了電壓、頻率都受控制的強電,這個強電就可以用來驅動汽車、高鐵等交通工具的電機。




IGBT有點貴,并長期被國外供應商壟斷

據(jù)悉,IGBT約占電機驅動系統(tǒng)成本的一半,而電機驅動系統(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。

 2016-2020年IGBT應用收入

▲ 2016-2020年IGBT應用收入

不僅是新能源車,直流充電樁和高鐵的核心也是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。

著名的IGBT供應商是英飛凌,它幾乎壟斷了處日系廠商外所以電動車的IGBT,而日系比如豐田,其混動車的IGBT都是自己完成的,也是全球唯一能自產IGBT的廠商。

這回你明白比亞迪實現(xiàn)大規(guī)模量產IGBT的意義了吧。




剛攻克的技術,為何被碳化硅取代了?

其實碳化硅(SiC)是下一代IGBT,碳化硅“取代”IGBT只是正常的技術上的更迭。碳化硅的優(yōu)勢很明顯,近其通態(tài)阻抗(就是半導體器件在導通狀態(tài)下的電阻)為通常硅器件的十分之一,本身發(fā)熱量小,導致用其制作的器件的導熱性能極優(yōu)。還有,碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多。

比亞迪碳化硅模塊

▲ 比亞迪 SiC 模塊

碳化硅的研究依舊是日本人領先,比如三菱等大廠現(xiàn)在可以做到量產碳化硅元件,豐田在2013年就 建立了碳化硅半導體試制線,預計2021年旗下的混動車和氫燃料電池車就全面使用碳化硅。不過比亞迪也很努力了,他們已經成功研發(fā)了SiC MOSFET,有望于2019年推出搭載SiC電控的電動車。預計到2023年實現(xiàn)SiC基車用功率半導體對硅基IGBT的全面替代。

目前限制SiC應用主要是兩方面,第一個當然是價格,其價格是傳統(tǒng)Si型IGBT的6倍。其次是電磁干擾,當然也有工藝方面等難以攻克的問題。




點評

好的,以上就是IGBT和其下一代碳化硅的基本信息,其實這些內容更多的涉及到新材料、半導體等方面的知識在新能源汽車領域的應用,所以我們十分歡迎更加專業(yè)的朋友們在評論區(qū)交流,大家一起學習吧。

IGBT用石墨制品坩堝


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