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本文来源： 佐思汽车研究 佐思产研将对汽车电子和半导体领域的技术做一次梳理，本系列文章共4篇。第一篇为：新能源车的汽车电子核心是什么？主要介绍IGBT与电机控制。第二篇为ADAS时代处理器核心是什么？主要分析车用处理器四大核心架构ARM、Power、x86、SuperH。第三篇为Infotainment电子架构现状与趋势，主要分析各种软硬件结合的生态体系。第四篇为无人车时代的处理器会是谁？主要分析CPU、GPU、FPGA在无人车上的应用。 2015年汽车半导体市场大约275亿美元，其中功率半导体大约75亿美元，MCU大约65亿美元，传感器大约40亿美元，ASSP大约38亿美元，ASIC大约30亿美元，存储器大约8亿美元。功率半导体所占比例最高，在新能源车中功率半导体所占比例更高。 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则是最需要重视的。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。 也正因为IGBT太重要，丰田在开发混合动力车时就认定IGBT管要完全控制在手中，丰田也是全球唯一能够自产IGBT管的汽车厂家（自产，而不是买别人的晶圆再做封装）。普锐斯也因此获得强大的生命力，也是目前全球唯一的强混合动力车。不仅是新能源车，直流充电桩和机车（高铁和地铁）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。中国目前有近 1500 列动车组，每列动车组需采 用 80~150 个 IGBT 模 块 ， 常 用 模 块 等 级 为 3300V/1200A 和6500V/600A。而三菱电机的HVIGBT已经成为业内默认的标准，中国的机车用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。 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，在欧美市场一无所获。 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。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大; MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低,是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件，IGBT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。 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。
单管的价格要远低于模块，但是单管的可靠性远不及模块。全球除特斯拉和低速电动车外，全部都是使用模块。 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。 典型新能源车功率系统对比 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。 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。IGBT的下一代SiC技术已经在日本全面普及，三菱、Fuji、Rohm等都有能力制造出SiC元件。中国企业大多还停留在第三代水平上。 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。 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20度，同时还要考虑强振动条件，车规级的IGBT难度远在工业级之上。
工业级IGBT与车规级IGBT对比 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。 解决散热的第二点是依靠新的焊接工艺。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， Semikron 的 SkiN 技术已采用了银烧结工艺 。 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， Infineon已经将其应用在衬板焊接工艺中。三菱则使用超声波焊接。 解决散热的第三点，是改进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。三菱第七代采用了厚铜陶瓷基板，大大提高热导率。 解决散热的第四点，就是扩大模块与散热底板间的连接面积，如端子压接技术。 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，中国在这方面还很落后，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，甚至包括SiC基板。2014年丰田已经能试产SiC型IGBT，英飞凌则收购了Cree的SiC业务。三菱电机从 1994 年开始，已经启动碳化硅的功率器件的研究，至今已有 20 多款产品面世，部分产品应用在日本新干线和 700 系列车上。三菱电机在牵引变流器、工业自动化、变频空调器里面都已采用混合碳化硅功率模块，并实现商业化。顺便说下，三菱电机功率器件的CTO是位美国人，但美国企业热衷于互联网等偏软件赚快钱的科技，这位GourabMajumdar 博士郁郁不得志，到了三菱后就大展拳脚。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。 SiC与Si对比 目前限制SiCC型IGBT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型IGBT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。 |
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