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对于召开年第二届国际新动力汽车功率半导体关键技巧论坛的报告

对新动力车来讲，电池、VCU、BSM、机电效率都不足提拔起间，最有提拔起间确当属机电启动部份，而机电启动部份最重心的元件IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管芯片）则是最需求器重的。

IGBT约占机电启动系统成本的一半，而机电启动系统占整车成本的15-20%，也便是说IGBT占整车成本的7-10%，是除电池除外成本第二高的元件，也决计了整车的动力效率。

不光机电启动要用IGBT，新动力的发机电和空调部份寻常也需求IGBT。不光是新动力车，直流充电桩和机车（高铁）的重心也是IGBT管，直流充电桩30%的原材料成本便是IGBT。电力机车寻常需求个IGBT模块，动车组需求超越个IGBT模块，一节地铁需求50-80个IGBT模块。

三菱机电的HVIGBT曾经成为业内默许的准则，华夏的高速机车用IGBT由三菱全部把持，同时欧洲的阿尔斯通、西门子、庞巴迪也是一半以上采纳三菱机电的IGBT。

除了日系厂家，英飞凌包办了险些统统电动车的IGBT，而三菱机电则沉迷于华夏高铁的丰富成本中无奈自拔，在低于2V商场险些一无所得。

年寰球电动车销量大略万辆，共花费了大略9亿美元的IGBT管，平衡每辆车大略美元，是电动车里除电池外最昂贵的部件。

个中，混杂动力和PHEV大略77万辆，每辆车需求大略美元的IGBT，纯电动车大略万辆，平衡每辆车操纵美元的IGBT，大功率的纯电公交车用的IGBT大概超越0美元。

甚么是IGBT？

IGBT是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）构成的复合全控型电压启动式功率半导体器件。

与从前的各样电力电子器件比拟，IGBT具备如下特点：高输入阻抗，可采纳通用低成本的启动路线；高速开关特点；导通状况低花费。

IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的益处，在归纳机能方面占据显然上风，分外合适运用于直流电压为V及以上的变流系统如相易机电、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等范围。

上图主如果经由脉冲宽度调制(PWM)的方法把持IGBT开关，将电流从DC变换到AC（电池到机电，启动机电)或许从AC变化到DC（机电到电池，刹车、下坡时能量回收）。

对于混杂动力，除启动机电外，此外再有一个发机电，能够由汽车的带动机带动其发电，而后经由IGBT模块AC/DC变换后向电池充电。在DM车型中，该发机电还能够充任启动机电的影响。

IGBT最罕见的样子原来是模块（Module），而不是单管。模块的3个根本特色：

多个芯片以绝缘方法组装到金属基板上；

空腹塑壳封装，与空气的阻遏材料是高压硅脂或许硅脂，以及其余大概的软性绝缘材料；

统一个建立商、统一技巧系列的产物，IGBT模块的技巧特点与等同规格的IGBT单管基真雷同。

模块的紧要上风有如下几个：

多个IGBT芯片并联，IGBT的电流规格更大。

多个IGBT芯片遵照特定的电路样子组合，如半桥、全桥等，能够缩小外部电路延续的繁杂性。

多个IGBT芯片处于统一个金属基板上，等因而在自力的散热器与IGBT芯片之间增添了一齐均热板，劳动更靠得住。

一个模块内的多个IGBT芯片经由了模块建立商的挑选，其参数一致性比市售分立元件要好。

模块中多个IGBT芯片之间的延续与多个分立样子的单管实行外部延续比拟，电路布局更好，引线电感更小。

模块的外部引线端子更合适高压和大电流延续。统一建立商的同系列产物，模块的最高电压品级寻常会比IGBT单管高1-2个品级，假设单管产物的最高电压规格为V，则模块有2V、3V甚至更高电压规格的产物。

晶圆上的一个最小全功用单位称为Cell，晶圆分隔后的最小单位，构成IGBT单管或许模块的一个单位的芯片单位，合称为IGBT的管芯。

一个IGBT管芯称为模块的一个单位，也称为模块单位、模块的管芯。模块单位与IGBT管芯的差别在终究产物，模块单位没有自力的封装，而管芯都有自力的封装，成为一个IGBT管。

最近再有一种叫IPM的模块，把门级启动和维护电路也封装进IGBT模块内部，这是给那些最懒的工程师用的，不过劳动频次果然不能过高咯。

单管的价钱要远低于模块，然而单管的靠得住性远不及模块。寰球除特斯拉和那些低速电动车外，统统都是操纵模块，惟独特斯拉对成本的器重程度远高于对生命的器重程度。

特斯拉ModelX操纵个IGBT管，由英飞凌供给，个中后机电为96个，前机电为36个，每个单管的价钱大略4-5美元，总计大略美元。

假设改用模块的话，估测需求12-16个模块，成本大略1-1美元。特斯拉操纵单管的起源主如果成本，特为是其功率比寻常的电动车要大不少，加之计划开采周期短，不得不采纳单管计划。

比拟名驹I3，采纳英飞凌新式HybridPACK2模块计划，每个模块内含6个单管型IGBT，V/A，电流超大，只要要两个模块便可，体积大大收缩，成本大略美元。

采纳英飞凌的新式HybridPACK2模块计划，每个模块内含6个单管型IGBT，V/A，电流超大，只要要两个模块便可，体积大大收缩。

模范新动力车功率系统比拟：

能够看出丰田的功率密度是国内密度的三倍左右，差异庞大。

IGBT当前曾经进展到7.5代，第7代由三菱机电在年推出，三菱机电当前的程度能够看做7.5代，同时IGBT的下一代SiC技巧曾经在日本通盘遍及，不管三菱如此的大厂照样Fuji、Rohm如此的小厂都有本领轻便建立出SiC元件，我国当前逗留在第三代程度上，差异在20年以上。

IGBT的关键：散热和背板工艺

IGBT的关键有两点，一是散热，二是背板工艺。

IGBT的正面工艺和准则BCD的LDMOS没差别，差别在后面，后面工艺有几点，首先是减薄，大略需求减薄6-8毫米，减得太多简明碎片，减得太少没有用果。接下来是离子注入，注入一层薄磷做缓冲层，第四代需求两次注入磷，向来硅片就很薄了，两次注入很简明碎片。

而后是洗涤，接下来金属化，在后面蒸镀一层钛或银，末了是Alloy，由于硅片太薄，很简明翘曲或碎片。英飞凌分外善于减薄技巧。

*寰球IGBT企业排名

这些工艺不光需求恒久试探，同时还需求针对工艺开产临盆征战，惟独对临盆线和征战都分外通晓的企业本领胜任。

*EV用工率模块封装技巧进展

自第六代往后，IGBT自己的潜力曾经发掘的差未几了，众人都把精神变化到IGBT的封装上，也便是散热。

车用IGBT的散热效率请求比产业级要高许多，逆变器内温度最高可达大20度，同时还要思考强振荡前提，车规级的IGBT远在产业级之上。

产业级IGBT与车规级IGBT比拟：

收拾散热的第一点，便是抬高IGBT模块内部的导热导电机能、耐受功率轮回的本领，IGBT模块内部引线技巧体验了粗铝线键合、铝带键合再到铜线键合的流程，抬高了载流密度。

第二点，新的焊接工艺，保守焊料为锡铅合金，成本省钱、工艺简明，但存在处境浑浊题目，且车用工率模块的芯片温度曾经亲近锡铅焊料熔点（℃）。

收拾该题目的新技巧紧要有：低温银烧结技巧和瞬态液相散布焊接。与保守工艺比拟，银烧结技巧的导热性、耐热性更好，具备更高的靠得住性。

瞬态液相散布焊接经由非凡工艺造成金属合金层，熔点比保守焊料高，板滞机能更好。三菱则操纵超声波焊接。

第三点，鼎新DBC和模块底板，消沉散热热阻，抬高热靠得住性，减小体积，消沉成本等。以AlN和AlSiC等材料庖代DBC中的Al2O3和Si3N4等旧例陶瓷，热导率更高，与Si材料的热膨胀系数般配更好。

其它，新式的散热组织，如PinFin结洽商ShowerPower组织，能够显著消沉模块的大伙热阻，抬高散热效率。

第四点，便是张大模块与散热底板间的延续面积，如端子压接技巧。

散热的关键是材料，而材料科学是一个国度底子科学的呈现，华夏在这方面分外掉队，日本则遥遥带头，不光在德国之上，还在美国之上。

IGBT的下一代SiC（碳化硅）技巧曾经出现头角，鉴于它的首要性，丰田决计全部自立临盆，实践丰田SiC的研讨自上世纪80年头就发端了，足足带头寰球30年。

SiC能将新动力车的效率再抬高10%，这是新动力车抬高效率最有用的技巧。丰田汽车就示意：“SiC具备与汽油带动机等同的首要性。”

SiC有多首要？

当前束缚SiC运用主如果两方面，一是价钱，其价钱是保守Si型IGBT的6倍。其次是电磁烦扰。SiC的开关频次远高于保守Si型IGBT，回路寄生参数曾经大到无奈疏忽。

SiC基板是关键，掉队日本企业许多的英飞凌在年7月决计采购美国CREE团体旗下的电源和RF部门（“Wolfspeed”），其重心便是SiC基板技巧。

不过在年2月，美国的番邦投资委员会（CFIUS）以关联到国度平安的起源否认了这项采购，美国之以是否认这项采购，是维护美国为数少许的先进产业技巧，对日本厂家来讲，SiC基板都没有涓滴难度，三菱、丰田、罗姆、富士机电、日立、瑞萨、东芝都有本领本身建立，统统是内部开采的技巧。意法半导体技巧也不错。

年5月20日，鉴于SiC的首要性，丰田分外召开了音讯颁布会，宣告与电装、丰田中间研讨所协做开采出了SiC功率半导体。

丰田开采的集成SiC晶体管的4英寸（mm）晶圆（左）与集成了SiC二极管的4英寸晶圆（右）。

当前丰田正在研发混动版的佳美操纵SiC，再有便是丰田的氢燃料电池公交车也在实验操纵SiC，本田则在本身的氢燃料电池车操纵了罗姆的SiC的MOSFET。当前SiC都是实验用的4英寸晶圆线，惟独三菱起用了6英寸临盆线，成本较低。

丰田估测年也起用6英寸临盆线，大概在年丰田的混动和氢燃料电池车将通盘操纵SiC。

原因：新智驾/L

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