中国在汽车领域的发展速度是有目共睹的,全球每销售10辆乘用车,就有3辆在中国,而新能源汽车的比例更是夸张,全球每销售10辆新能源汽车,其中有5辆都是在中国。无疑新能源汽车已经成为了全球汽车发展的新方向,在新能源汽车发展的初期,三电系统之一的电池一直是限制国内主机厂产量的关键因素,供应商能提供多少套电池组,主机厂才能对应产出多少台车。而在电池产量逐步攀升,能满足市场需求之后,国家对新能源汽车的补贴也在逐步退坡。那么继电池之后,什么将会成为限制新能源汽车发展的下一个技术瓶颈?比亚迪给出的答案只有四个字母:IGBT。

什么是IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)的全称是绝缘栅双极型晶体管,是一种大功率的电力电子器件,主要用于变频器逆变和其他逆变电路,能够将直流电压逆变成频率可调的交流电,俗称电力电子装置的“CPU”。IGBT并没有放大电压的功能,可以理解为是一个“非通即断”的开关,导通时可以看做导线,断开时当做开路。

IGBT的芯片只有人的指甲大小,但在这么小的芯片上,却要蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路,甚至要通过显微镜才能看清电路的结构。作为能源变换与传输的核心器件。使用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,从而缓解能源短缺问题成为降低碳排放的关键技术。

IGBT有什么用

作为电控系统的一部分,IGBT与电池成为了目前制约着新能源汽车发展的两大核心技术,而一块只有手掌大小的IGBT模块,却是驾驭一台新能源汽车的“命脉”。IGBT的性能直接影响电动车功率的释放速度,它控制着直、交流电的转换,同时对交流电机进行变频控制,车辆驱动系统的扭矩(直接影响汽车加速能力)、最大输出功率(直接影响汽车最高时速)。并且IGBT除了应用在汽车领域,它在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源装备,以及工业等领域(高压大电流场合的交直流电转换和变频控制)都应用极广,是主流的新型电力电子元器件。

技术瓶颈在哪里

作为新能源汽车核心零部件,只有手掌大小的IGBT模块却在整车成本中占到了5%左右的比例。由于这项技术的研发难度高、投资规模大,它和汽车动力电池一起,被业界并称为新能源汽车核心技术的“珠穆拉玛峰”。

首先是芯片的技术要求高,在仅有指甲大小的半导体材料上,要蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路,这些电路小到仅能通过显微镜进行观察,生产制造时要求的工艺精度可见一斑。并且芯片的设计难度也非常高,虽然仅仅是作为开关器件使用,但涉及到的参数多达十几个,很多参数之间是相互矛盾,需要根据应用在众多相互矛盾的参数中,找到最完美的那个折中点。

并且晶圆的制造工艺难度也非常大,其中的薄片加工处理采用最新的1200V FS技术的IGBT,需要将晶圆减薄到120um(约两根头发丝直径)的厚度,再进行10余道工序加工。所以晶圆制造的厂房洁净度要求非常高,要达到要一级净化标准。一个零点几微米的微尘掉落在晶圆上,都就会造成一颗IGBT芯片失效。

并且不同于工业级产品,用在新能源汽车上的IGBT模块要达到车规级的标准。设计寿命在20年以上,需要满足使用寿命内数十万次甚至百万次的功率循环要求。另一方面,汽车面临着更为复杂的适用工况,需频繁启停、爬坡涉水、经历不同路况和环境温度等,高温、高湿、高振动对IGBT是极为严苛的考验,对装配体积和散热效率的要求都非常严格。

曾经IGBT技术大多掌握在发达国家手里,国内主机厂主要通过采购的模式从海外进口。我国通过大规模推广新能源汽车,凭借着先发优势,已经在全球市场中占据了一定的优势,在电动化将成为汽车历史最大的变革的大背景下,多一些掌握核心技术的企业,能帮助企业乃至国内的新能源汽车领域完成弯道超车,在全球新能源汽车的发展中走到领先的地位。

 

 

 

 

(责编:李子龙)

热门资讯