电动车上的IGBT是什么?
2020-03-02 16:34来源:我爱汽车网阅读量:

2018年12月,比亚迪发布了在车规级领域的IGBT 4.0技术,此前这项技术及零部件基本都被国外的企业所垄断。而发布此项技术之后,比亚迪成为了国内第一家实现车规级IGBT大规模量产、也是唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企。今天就跟大家聊聊IGBT和相关的事吧。

■ 什么是IGBT?它是干什么的?

IGBT中文称“绝缘栅双极型晶体管”,你可以把它理解为一个开关,用在电压几十到几百伏、电流几十到几百安的强电上。这时候你可能会想到,这个电压电流的量级,不就是我们日常家用电的量级吗?但家里的电灯开关是用实体按钮控制的,IGBT不用机械按钮,是由计算机控制的

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我们日常生活中,使用的都是交流电,发电厂发出来的都是交流电,但如果你想给电动车充电,必须把交流变成直流才能充进去,IGBT正好就能实现这个功能,电池放电的时候,通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电。这是IGBT的一个功能:交流直流互转。

IGBT其实离我们并不遥远,就算你家里没有汽车,有些很常用的东西里也有IGBT,比如电磁炉和变频空调。这涉及到IGBT的另一个功能,变频。比如电磁炉需要把普通的50赫兹交流电变成20-40千赫兹的高频交流电。

当然他也是变压器的组成部分。

                   

所以IGBT是一个很“均衡强势”的东西,虽然上面说的几个功能使用逆变器、整流器、变压器等也能实现,但一是他们不能承受那么高的电压,二是开关速度没有IGBT快,IGBT一秒钟可以开关几万次。

■ IGBT在电动车里干什么?

IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面:

1. 电控系统 大功率直流变交流(逆变器的功能)后驱动汽车电机;

2. 车载空调控制系统 小功率直流/交流逆变;

3. 充电桩 智能充电桩中IGBT模块被作为开关使用;

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▲ 比亚迪车规级IGBT模组

上面说了IGBT可以承受高电压、可以变频、可以控制交直流转换、可以变压,也就是说现在有了电压、频率都受控制的强电,这个强电就可以用来驱动汽车、高铁等交通工具的电机。

■ IGBT有点贵,并且长期被外国供应商垄断

据悉,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。

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▲ 2016-2020年IGBT应用收入

不仅是新能源车,直流充电桩和高铁的核心也是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。

著名的IGBT供应商是英飞凌,它几乎垄断了处日系厂商外所以电动车的IGBT,而日系比如丰田,其混动车的IGBT都是自己完成的,也是全球唯一能自产IGBT的厂商。

这回你明白比亚迪实现大规模量产IGBT的意义了吧。

■ 刚攻克的技术,怎么就被碳化硅取代了?

其实碳化硅(SiC)是下一代IGBT,碳化硅“取代”IGBT只是正常的技术上的更迭。碳化硅的优势很明显,近其通态阻抗(就是半导体器件在导通状态下的电阻)为通常硅器件的十分之一,本身发热量小,导致用其制作的器件的导热性能极优。还有,碳化硅功率器件可在400℃的高温下正常工作。其可利用体积微小的器件控制很大的电流。工作电压也高得多。

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▲ 比亚迪 SiC 模块

碳化硅的研究依旧是日本人领先,比如三菱等大厂现在可以做到量产碳化硅元件,丰田在2013年就 建立了碳化硅半导体试制线,预计2021年旗下的混动车和氢燃料电池车就全面使用碳化硅。不过比亚迪也很努力了,他们已经成功研发了SiC MOSFET,有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。预计到2023年实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代。

目前限制SiC应用主要是两方面,第一个当然是价格,其价格是传统Si型IGBT的6倍。其次是电磁干扰,当然也有工艺方面等难以攻克的问题。


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