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为什么说新能源汽车的核心是IGBT?

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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。

不仅电机驱动要用IGBT,新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT。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。

什么是 IGBT?
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,。
与以前的各种电力电子器件相比,IGBT具有以下特点:高输入阻抗,可采用通用低成本的驱动线路;高速开关特性;导通状态低损耗。
IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点:驱动功率小而饱和压降低,是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件。
IGBT在综合性能方面占有明显优势,非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

这个原理类似空调的变频,变频空调中都装有变频器,这个变频控制器是如何工作的?

国内规定的电压220V,频率50Hz的电流经整流滤波后得到310V左右的直流电,此直流电经过逆变后,就可以得到用以控制压缩机运转的变频电源,这就能将50赫兹的电网频率转变为30-130赫兹,利用电源频率可以控制平滑控制压缩机转速,达到自动无级变速,使压缩机始终处于最佳工作状态。
在电动车上,可以把电机看成压缩机。两者原理几乎完全一致。
对于混合动力,除驱动电机外,另外还有一个发电机,可以由汽车的发动机带动其发电,然后通过IGBT模块AC/DC转换后向电池充电。在DM车型中,该发电机还可以充当驱动电机的作用。
IGBT模块(Module)
IGBT最常见的形式其实是模块(Module),而不是单管。

模块的3个基本特征:

1、多个芯片以绝缘方式组装到金属基板上;
2、空心塑壳封装,与空气的隔绝材料是高压硅脂或者硅脂,以及其他可能的软性绝缘材料;
3、同一个制造商、同一技术系列的产品,IGBT模块的技术特性与同等规格的IGBT 单管基本相同。

模块的主要优势:

1、多个IGBT芯片并联,IGBT的电流规格更大。
2、多个IGBT芯片按照特定的电路形式组合,如半桥、全桥等,可以减少外部电路连接的复杂性。
3、多个IGBT芯片处于同一个金属基板上,等于是在独立的散热器与IGBT芯片之间增加了一块均热板,工作更可靠。
4、一个模块内的多个IGBT芯片经过了模块制造商的筛选,其参数一致性比市售分立元件要好。
5、模块中多个IGBT芯片之间的连接与多个分立形式的单管进行外部连接相比,电路布局更好,引线电感更小。
6、模块的外部引线端子更适合高压和大电流连接。同一制造商的同系列产品,模块的最高电压等级一般会比IGBT 单管高1-2个等级,如果单管产品的最高电压规格为1700V,则模块有2500V、3300V 乃至更高电压规格的产品。

GBT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。

IGBT作为新能源汽车电驱动系统的核心功率器件,其性能直接影响电动汽车整车运行性能。由于汽车运行工况复杂,可靠性要求严苛,且IGBT技术门槛高,曾长期被德国、日本等国家所垄断,这对国产汽车IGBT提出了巨大的挑战。

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