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《变频器世界》电力电子 | 一文读懂IGBT在新能源电动汽车中的应用

2018-01-20  电机CAD


1、IGBT定义


2、IGBT的用途



3、IGBT模块的特点


IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点


当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块


4、用最简单的语言概括IGBT的功能和作用


控制能源的变换和传输



5、为什么电动汽车需要IGBT?




6、IGBT的工作原理



7、IGBT在现代交通系统中的重要性


直流充电桩30%的原材料成本是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


8、IGBT成本的重要性


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。


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。



9、丰田是世界上唯一能自产IGBT的车厂


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。


10、中国高铁IGBT市场已基本被日本三菱垄断


三菱电机生产的IGBT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


11、英飞凌则包揽了几乎所有电动汽车的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无法自拔,在低于2500V市场几乎一无所获。



12、特斯拉用IGBT的成本情况


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。


13、中国制造IGBT的现状


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。



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,同时还要考虑强振动条件,汽车级的IGBT远在工业级之上。


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。


14、国产IGBT也在起步


2015年10月,深圳比亚迪微电子有限公司与上海先进半导体制造股份有限公司签订建立战略产业联盟合作协议,共同打造IGBT国产化产业链。


目前比亚迪已整合IGBT产业链,包括芯片设计、晶圆制造、测试、封装等。


2015年12月,北汽集团旗下的北汽新能源公司与中国中车旗下的时代电气在株洲签署战略合作协议,开启新能源汽车领域的合作。



【小结】


中国高铁在全世界享有盛誉,我们也因之自豪;


中国电动汽车也已经是世界最大的市场,方兴未艾;


但追索到核心技术,仍是缺失的,不是我们研发不出来,而是需要时间和积累;


这个情形跟C919大飞机一样,我们自己做的总体设计和规划,但是并不妨碍我们全球采购零部件包括发动机;


但只要假以时间,相信凭借中国人的聪明勤劳和智慧,掌握这些技术指日可待。


来源:驱动视界

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