一文讀懂新能源車的第三大心臟：IGBT

當前的新能源車的模塊系統(tǒng)由很多部分組成，如電池、VCU、BSM、電機等，但是這些都是發(fā)展比較成熟的產(chǎn)品，國內(nèi)外的模塊廠商已經(jīng)開發(fā)了很多，但是有一個模塊需要引起行業(yè)內(nèi)的重視，那就是電機驅(qū)動部分，則是電機驅(qū)動部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管芯片）。

首先我們先來了解一下。它是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，它擁有的特性是：高輸入阻抗，可采用通用低成本的驅(qū)動線路；高速開關(guān)特性；導(dǎo)通狀態(tài)低損耗。IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點：驅(qū)動功率小而飽和壓降低，是一種適合于中、大功率應(yīng)用的電力電子器件。IGBT在綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

所以不難看出，IGBT對新能源汽車的價值所在就是在直流充電樁和電機系統(tǒng)的作用之大，它決定了電機的工作效率以及直流充電樁的傳輸效率。IGBT約占電機驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅(qū)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。

IGBT的應(yīng)用范圍很廣，不僅電機驅(qū)動要用IGBT，新能源的發(fā)電機和空調(diào)部分一般也需要IGBT。所以一些主機廠把這一塊的開發(fā)牢牢控制在了自己的手上，比如豐田的混合動力汽車便是如此。而豐田也成為了世界唯一能自主生產(chǎn)IGBT的廠家。

不僅是新能源車，直流充電樁和機車（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。

三菱電機的HVIGBT已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)默認的標準，中國的高速機車用IGBT由三菱完全壟斷，同時歐洲的阿爾斯通、西門子、龐巴迪也是一半以上采用三菱電機的IGBT。

除了日系廠家，英飛凌包攬了幾乎所有電動車的IGBT，而三菱電機則沉醉于中國高鐵的豐厚利潤中無法自拔，在低于2500V市場幾乎一無所獲。

2016年全球電動車銷量大約200萬輛，共消耗了大約9億美元的IGBT管，平均每輛車大約450美元，是電動車里除電池外最昂貴的部件。

其中，混合動力和PHEV大約77萬輛，每輛車需要大約300美元的IGBT，純電動車大約123萬輛，平均每輛車使用540美元的IGBT，大功率的純電公交車用的IGBT可能超過1000美元。

和MOS相比，IGBT管在低于400伏的低壓領(lǐng)域完全無優(yōu)勢，無論開關(guān)頻率還是成本，MOS優(yōu)勢都非常明顯。400伏領(lǐng)域，安森美剛剛收購的仙童半導(dǎo)體居于領(lǐng)導(dǎo)地位。

汽車主要是600V到1200V之間，英飛凌具有壓倒性優(yōu)勢，安森美雖然在600V－1200V領(lǐng)域也有市場，但主要是非車載領(lǐng)域。三菱和富士電機，則分享了日本市場。而豐田混動所用的IGBT全部內(nèi)部完成，不假手外人。

在電動車上，可以把電機看成壓縮機。兩者原理幾乎完全一致。主要是通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式控制IGBT開關(guān)，將電流從DC轉(zhuǎn)換到AC（電池到電機，驅(qū)動電機）或者從AC轉(zhuǎn)化到DC（電機到電池，剎車、下坡時能量回收）對于混合動力，除驅(qū)動電機外，另外還有一個發(fā)電機，可以由汽車的發(fā)動機帶動其發(fā)電，然后通過IGBT模塊AC／DC轉(zhuǎn)換后向電池充電。在DM車型中，該發(fā)電機還可以充當驅(qū)動電機的作用。

IGBT最常見的形式其實是模塊（Module），而不是單管。模塊的3個基本特征：多個芯片以絕緣方式組裝到金屬基板上；空心塑殼封裝，與空氣的隔絕材料是高壓硅脂或者硅脂，以及其他可能的軟性絕緣材料；同一個制造商、同一技術(shù)系列的產(chǎn)品，IGBT模塊的技術(shù)特性與同等規(guī)格的IGBT 單管基本相同。

模塊的主要優(yōu)勢有以下幾個：多個IGBT芯片并聯(lián)，IGBT的電流規(guī)格更大。多個IGBT芯片按照特定的電路形式組合，如半橋、全橋等，可以減少外部電路連接的復(fù)雜性。多個IGBT芯片處于同一個金屬基板上，等于是在獨立的散熱器與IGBT芯片之間增加了一塊均熱板，工作更可靠。一個模塊內(nèi)的多個IGBT芯片經(jīng)過了模塊制造商的篩選，其參數(shù)一致性比市售分立元件要好。模塊中多個IGBT芯片之間的連接與多個分立形式的單管進行外部連接相比，電路布局更好，引線電感更小。模塊的外部引線端子更適合高壓和大電流連接。同一制造商的同系列產(chǎn)品，模塊的最高電壓等級一般會比IGBT 單管高1－2個等級，如果單管產(chǎn)品的最高電壓規(guī)格為1700V，則模塊有2500V、3300V 乃至更高電壓規(guī)格的產(chǎn)品

晶圓上的一個最小全功能單元稱為Cell，晶圓分割后的最小單元，構(gòu)成IGBT 單管或者模塊的一個單元的芯片單元，合稱為IGBT的管芯。

一個IGBT管芯稱為模塊的一個單元，也稱為模塊單元、模塊的管芯。模塊單元與IGBT管芯的區(qū)別在最終產(chǎn)品，模塊單元沒有獨立的封裝，而管芯都有獨立的封裝，成為一個IGBT管。

最近還出了一種叫IPM的模塊，把門級驅(qū)動和保護電路也封裝進IGBT模塊內(nèi)部，結(jié)構(gòu)雖然很簡單但是工作頻率不能太高。所以應(yīng)用的較少，姑且不談。

雖然單管的成本要遠低于模塊，但是單管的可靠性遠不及模塊。在電動車領(lǐng)域，模塊已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用，但有一些例外就是咱們中國特色主義的老年代步車還有特斯拉還是堅持用單管。不由得感慨特斯拉對成本的重視程度遠高于對人命的重視程度。

特斯拉Model X使用132個IGBT管，由英飛凌提供，其中后電機為96個，前電機為36個，每個單管的成本大約4－5美元，合計大約650美元。

如果改用模塊的話，估計需要12－16個模塊，成本大約1200－1600美元。特斯拉使用單管的原因主要是成本，尤其是其功率比一般的電動車要大不少，加上設(shè)計開發(fā)周期短，不得不采用單管設(shè)計。

相比寶馬I3，采用英飛凌新型HybridPACK 2模塊設(shè)計，每個模塊內(nèi)含6個單管型IGBT，750V／660A，電流超大，只需要兩個模塊即可，體積大大縮小，成本大約300美元。采用英飛凌的新型HybridPACK 2模塊設(shè)計，每個模塊內(nèi)含6個單管型IGBT，750V／660A，電流超大，只需要兩個模塊即可，體積大大縮小

而IGBT工藝的關(guān)鍵在于散熱和背板工藝。IGBT的正面工藝和標準BCD的LDMOS沒區(qū)別，區(qū)別在背面，背面工藝有幾點，首先是減薄，大約需要減薄6－8毫米，減得太多容易碎片，減得太少沒有效果。接下來是離子注入，注入一層薄磷做緩沖層，第四代需要兩次注入磷，本來硅片就很薄了，兩次注入很容易碎片。然后是清洗，接下來金屬化，在背面蒸鍍一層鈦或銀，最后是Alloy，因為硅片太薄，很容易翹曲或碎片。英飛凌特別擅長這種技術(shù)，所以做出來的體積是同行難以逾越的目標。

最后扯一下散熱，首先需要提高 IGBT模塊內(nèi)部的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和耐受功率循環(huán)的能力， IGBT模塊內(nèi)部引線技術(shù)經(jīng)歷了粗鋁線鍵合、 鋁帶鍵合再到銅線鍵合的過程，提高了載流密度。第二點，新的焊接工藝，傳統(tǒng)焊料為錫鉛合金， 成本低廉、工藝簡單， 但存在環(huán)境污染問題， 且車用功率模塊的芯片溫度已經(jīng)接近錫鉛焊料熔點（220℃）。所以一個小小的器件對新能源汽車的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻，對我國的汽車制造業(yè)而言，還有很多路要走。

（作者：廣電計量莫工）