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IGBT和替换品碳化硅到底是什么?

日期:2019-12-12 15:46
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摘要: 一直以来,很多人都认为新能源汽车的关键是电池,甚至“三电”之中,电池始终排在**位,但事实上,新能源汽车,尤其是中国新能源汽车发展*有提升空间的,当属驱动电机。 2018年12月16日,在中国电动汽车百人会论坛媒体吹风会上,中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高院士结合《“十三五”新能源汽车重点专项》年度总结,介绍了有关新能源汽车技术的发展情况,在驱动电机方面,欧阳明高指出:碳化硅将取代IGBT。 等等,IGBT是什么?碳化硅又是什么? 与驱动电机是什么关系? IGBT是什么? 发...

一直以来,很多人都认为新能源汽车的关键是电池,甚至“三电”之中,电池始终排在**位,但事实上,新能源汽车,尤其是中国新能源汽车发展*有提升空间的,当属驱动电机。

2018年12月16日,在中国电动汽车百人会论坛媒体吹风会上,中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高院士结合《“十三五”新能源汽车重点专项》年度总结,介绍了有关新能源汽车技术的发展情况,在驱动电机方面,欧阳明高指出:碳化硅将取代IGBT

等等,IGBT是什么?碳化硅又是什么? 与驱动电机是什么关系?

IGBT是什么?

发明于上个世纪 80 年代初的IGBT,学名绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor),是国际上公认的电力电子技术第三次*具代表性的产品。

形象地说,IGBT是一个控制电能的上等开关,能决定整车的能源效率;简单点理解,它就是电力电子行业里的“CPU”。

一般而言,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*贵的部件。

不仅电机驱动要用IGBT,新能源的发电机和空调部分也需要IGBT。不仅是新能源汽车,直流充电桩和机车(高铁)的核心也是IGBT管,直流充电桩30%的原材料成本就是IGBT。

中国IGBT发展

这么重要的高科技,在中国是怎么样的呢?

如你所料,长期以来,IGBT的核心技术都掌握在欧美和日韩手里。为了实现技术突破,“十二五”期间国家16个重大技术突破专项中,排在第二位的就是IGBT。

2008年,中车时代电气股份有限公司收购了世界上*早进行IGBT技术研发的英国丹尼克斯半导体公司75%的股权。

2009年9月,比亚迪IGBT芯片通过了中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定。

2014年,中车株洲所造出了具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片,从此中国高铁和新能源汽车开始有了“中国心”。

2015年,中车IGBT变流器首次出口海外,拿到了印度100辆机车的订单。

2018年3月,中车时代电气IGBT模块击败国际竞争对手,再次获得印度1000只订单。

除了印度、中车自主的IGBT芯片还在马来西亚;在俄罗斯、意大利及中欧市场有了小批量订单。

2018年12月10日,比亚迪发布了IGBT4.0技术,据介绍,该产品具有更大的输出功率、更小的综合损坏,更高的可靠性,以及更长的使用寿命。

中外IGBT差距

正因为有了中车、比亚迪和众多企业坚持不懈的攻关和研发,中国IGBT关键核心器件已经被攻克,而且市场份额不断上升,据欧阳明高院士介绍:到2018年,大约40%的IGBT来自中国企业。

但实际上,我们的差距还是比较明显的。中国IGBT的发展之路势必充满荆棘。

据2016年国际调研机构公布的报告,德国英飞凌以全球24.5%的份额居榜首,日本三菱电机以24.4%的份额位列全球第二,富士电机(FujiElectric)以12.2%的占有率夺得季军。

此外,日本的日立、东芝,美国的仙童、欧洲的赛米控(西门康)、ABB等都在国际上排名靠前。中车大概位列第十名左右。

那么,我们的IGBT和国外先进的IGBT相比,差距在哪里呢?

首先,从技术、工艺、效率、材料等多个方面,我们都还是有明显不足的。举例来说,比亚迪有自己的IGBT,比亚迪经济型车使用的是自有的IGBT,但优异车型会采用进口产品,因为进口产品电耗会更低一点。

具体点说,IGBT的技术关键有两点,一是散热,二是背板工艺。而其中*关键的材料科学,是中国的薄弱点,日本的优越项。

IGBT的下一代SiC(碳化硅)

日本更优越的技术是碳化硅。

丰田曾经公开表示:SiC具有与汽油发动机同等的重要性。从上世纪80年代开始,丰田就在研究SiC,比国际同行提前30年。

是什么原因让丰田这么重视碳化硅呢?毕竟目前SiC材料的成本据估算是IGBT的8-10倍。

因为碳化硅是一个更先进的做控制器的电力电子芯片,可以通过大幅度提高电机的转速实现电机比功率的升高,它的频率和效率可以做到很高、体积可以非常小,比现在的IGBT要减少大概70—80%。

参照美国能源部2025年目标,电机的功率密度是50千瓦/升,碳化硅控制器是100千瓦/升。

碳化硅还具有在高频率时损耗低的优势,能将车辆的效率再提高10%左右,这还意味着续航里程可以得到同样的提升,电池成本有可能大幅下降。

在应用方面,特斯拉Model3使用的控制器就是碳化硅,比亚迪也宣布已投入巨资布局第三代半导体材料SiC。此外,国内还有多家团队开始产业化。

估阳明高院士估计,到2025年会碳化硅将取代IGBT。这个时间表,中国将与世界同步。

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