它是高铁最核心的部件!也把握着新能源行业的命脉!

它是高铁最核心的部件!也把握着新能源行业的命脉!,第1张

大家好,我是电动车公社的社长。

说到高铁,相信大家的第一印象,都是又快、又稳、又安全,坐实了世界第一的名号。

从北京去上海,1200公里自驾要十几个小时,但高铁却只要4个半小时。

如果考一考大家,高铁的核心部件是什么,相信很多人都想象不到。

既不是能让列车达到350km/h极速、功率上万千瓦的电机组,也不是能够源源不断提供电力的高铁输电线路网,而是只有我们指甲大小的IGBT芯片

简单来说,高铁的加速快慢、最高时速多少、电耗高低、能不能瞬间起跑、能不能舒适行驶、能不能稳定停车,都要看这块小小的IGBT。

然而,自从1988年第一代IGBT芯片诞生以来,其制造的核心技术就一直牢牢掌握在英飞凌、三菱等海外巨头手里。即使是国家级别的高铁列车组,也不得不斥巨资对外采购。

就拿08年来说,随着“基建狂魔”迅速把高铁铺设到全国每一个角落,一趟8节车厢的列车就需要152个芯片,成本高达200万元。

每年10万个芯片的需求,四舍五入就是13个亿!

就拿日本三菱来说,单是垄断了中国高铁的肥单,就已经赚得盆满钵满,甚至战略性地放弃了2500伏的低压市场。反正有中国养着,有恃无恐。

那么,这个小小的零件,到底是什么来头?

这个高铁同款的核心部件,又会对新能源行业产生怎样的影响?

今天,社长就来和大家简单聊一聊IGBT的事情。

01.IGBT,是什么来头?

IGBT,学名绝缘栅双极型晶体管,是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

是不是有点听不懂了?没关系,听社长给大家解释:

我们知道,金属导电性能比较好,属于导体;陶瓷、塑料导电性能不好,属于绝缘体。

导电性能介于二者之间的材料,就是半导体了。

如果能够人为地控制半导体的导电性能,就能在日常生活中发挥想象不到的作用!

咱们今天的主角IGBT,就是这样一种导电性可控的半导体。

简单来说,IGBT就是一个控制电路非通即断的开关。

它导通的时候,可以承受几十到几百安培的电流;

它关断的时候,可以承受几百至几千伏特的电压。

而IGBT最大的特点,就是在这个级别的电流和电压下,一秒钟可以开关近万次(10kHz)!

只要通过脉宽调制,就能轻松地把输入的电流变成人们所需频率的交流电!

这个电,就可以用来驱动高铁的交流电机了。并且,还能通过改变交流电的频率来改变电机的转速,从而达到为高铁变速的目的。是不是很神奇?

IGBT,就是这样一种负责能源转换与传输的核心器件,因此也被称为电力电子装置的“CPU”。

所以,IGBT被列入位居“十二五”期间国家16个重大技术突破专项中的第二位,也就不足为奇了。

02.对一台新能源车来说,IGBT能有多重要?

和高铁一样,IGBT也一样是新能源车上除了电池之外,最核心的零部件。

这一点,从成本上就能看出来:

除了动力电池之外,一台新能源车制造成本第二高的零部件,就是IGBT。

作为电机驱动系统的核心,IGBT的成本,要占到整车制造成本的将近10%!

就更不用说,直流充电桩30%的原材料成本,都要交给IGBT这个烧钱大户了。

IGBT能够把电池输出的大功率直流电逆变成交流电,提供给交流电机,并通过变频、变压改变交流电机的转速,从而精准地改变车辆行驶的速度和加速能力。

在用交流充电桩充电的时候,也同样需要IGBT转变成直流电,并把电压提高到电池组的电压,才能给电池组充电。这也影响了新能源车的充电效率和充电速度。

直流充电桩也一样,只不过把变电的过程放到了充电桩里。

这还没完。

不仅电机驱动要用到IGBT,新能源车的发电机和空调部分,也需要IGBT协同工作。

原理嘛,和电机驱动系统差不多,只不过从大功率逆变变成了小功率逆变,电流会更小一些。

所以,IGBT的好坏,会直接影响功率、效率、能耗等等这些新能源车最直观的性能表现,成本这么高也就可以理解了。

在2016年,全球的电动车(含商用车)销量约200万辆,采购IGBT的成本就要差不多9亿美元,平均下来一台车要花掉450美元,是电动车里除电池外最昂贵的部件。

例如特斯拉Model X,在极致控制成本的思路下,采用了英飞凌提供的132个IGBT单管来进行控制,其中前电机36个,后电机96个,总成本是650美元。

如果使用更加完善的IGBT模块,成本可能会突破到1500美元……

而全球车企市值第一的丰田,早在上世纪90年代开发混合动力车型的时候,就认定电控的核心——IGBT,必须要完全掌握在自己手中。

按照社长丰田章男的说法就是:“IGBT具有与发动机同等的重要性”。

所以,丰田理所当然地成为了当时全球唯一一家自研自产IGBT的车企,还拉上了自己的好基友、御用供应商电装,大家有钱一起赚。

早在2014年,丰田中央研究所就和电装合作,开发出了世界顶尖的新型IGBT芯片。

但这还不够:丰田销量全球第一,产能不足怎么办?

于是乎,丰田借助电装之手,投资德国汽车半导体巨头、也是世界上最重要的车规级IGBT供应商英飞凌。

这样一绑定(绑架),就再也不用担心供应安全问题了。

这也从侧面验证了,IGBT对于一家车企来说,到底有多重要。

03 . IGBT的未来

目前,在世界范围内,IGBT已经发展到了7.5代。

电动车公社为大家整理了一下历代IGBT的发展路线:

1-5代的性能比起上一代都有着较大幅度的提升,但从第六代开始,说是慢慢“挤牙膏”也不为过,20年间的技术并没有太多突飞猛进的增长。

这是因为材料的限制。

IGBT使用的硅(Si)基功率器件驱动系统,已经逼近、甚至触及了材料本身的天花板。

想要进一步突破,必须要有一种新型材料。

这时,性能更强的SiC(碳化硅),出现了。

SiC器件不仅提高了2.5倍的工作频率和10倍的阻断电压、降低了大约80%的工作损耗,还把工作结温从175℃提升到了600℃,功率密度也得到了进一步提升。

说人话,就是能让新能源车获得更长的续航和更快的充电速度。

尽管SiC的成本比普通Si价格贵6倍,但依然凭借强大的性能,获得了众多厂商的青睐。

特斯拉Model 3,就是第一台吃螃蟹的新能源车。

用上SiC以后,腰不酸了腿也不痛了,仅用75kWh的电池包就能跑出664km续航的优异成绩。

V3超充仅需15分钟就能补充250公里续航,同样离不开SiC对升压充电的支持。

可以负责任地说,SiC就是电控系统未来的趋势和绝对的核心。

但SiC也不是没有缺点。

SiC的技术门槛很高,所以产能有限。高昂的成本,也使得只有高端产品才能使用它。

截止到目前,也还在IGBT到SiC的过渡期。

只有技术进步、成本降低以后,才能大规模普及和应用。

04.国内的现状

IGBT在中国的地位,可以说和石油旗鼓相当。

根据著名投行摩根士丹利的预计, 2020年国内的IGBT市场将达到192亿元人民币的规模,占全世界市场份额的35.6%。其中27%的份额、大约51亿元的市场当属新能源汽车,堪称用芯大户。

但国内的技术水平却依然落后,只能贡献不到20%的产能,IGBT芯片依然严重依赖进口。

这时候,是比亚迪率先站了出来。

早在2003年比亚迪还没开始造车的时候,就已经开始着手布局IGBT,2005年研发团队都搭建完毕了。那会别说电动车了,量产的混动车都只有丰田一家。

这里还有个有意思的小插曲。

当时和半导体行业还八竿子打不着的比亚迪,看中了宁波中纬的6英寸半导体生产线专利。

趁着宁波中纬资不抵债、宣布破产的机会,比亚迪仅用了当年投资额的1/10、也就是1.7亿元,趁火打劫般地进行了收购。

按说,无论是从战略布局的角度,还是从经济的角度,这笔交易都堪称教科书级别。

人们却并不买账,业界更是骂声一片。体现在股价上,分分钟就是暴跌30%。

但好在有了人才、又有了产线,潜心钻研后的比亚迪,成功通过了国家级的科技成果鉴定,实现了IGBT芯片从0到1的巨大突破,打破了国际巨头的技术垄断。

后面的故事,你们也知道了。2018年底,比亚迪发布了全面自主研发的“IGBT4.0”技术,也向世界宣告自己和丰田一样,拥有了世界一流的完整IGBT产业链。

这一等,就是将近20年。

至于下一代半导体材料SiC,比亚迪也斥巨资投入生产研发,目前已经在比亚迪唐EV上部分应用,来提高唐EV的充电效率。而且据说,在即将发布的比亚迪汉上,也会全面应用SiC。关注比亚迪汉的小伙伴们,可以好好期待一下汉的续航表现和快充功率了。

除了比亚迪,国内其他的半导体企业也没闲着。

今年年初,全球IGBT市场份额前十的中国企业——嘉兴斯达半导体股份有限公司,正式在主板敲钟上了市。再加上国有控股的株洲中车时代电气股份有限公司,全球IGBT市场份额Top15中,已经挤进了两家中国企业。

其他企业,也在奋起直追,努力抹平和世界一流厂商之间的差距。

社长也相信,未来的Top15里,一定会涌现更多优秀的中国企业。

写 在 最 后

1956年7月13日,中国生产的第一台自主汽车解放正式下线。举国欢腾的同时,也宣告着国内汽车工业新的篇章正式拉开序幕。

在那个属于燃油车的时代,国内的汽车工业却一直被变速箱掣肘,没有发展起来。

变速箱和IGBT一样,都是核心零部件,核心技术也都是掌握在别人手里。

想要?对不起,拿钱来买。利润,自然也要三七分成。

你三,人家七。

在对方眼里,这就是跪着挣钱,生意嘛,不寒碜。

时间拨转到近几年,汽车行业进入了电气化时代。

随着国家一句“弯道超车”的口号,国内各类企业开始加紧对三电系统进行自主研发。

除了自持三电和IGBT的比亚迪以外,

电池巨头宁德时代,站起来了;

赴美上市的蔚来,走出去了;

后面还有小鹏、理想、以及一大批供应商企业,在小步快跑地追赶着……

慢慢地,人们发现,在政策和技术这一文一武的支持下,?就是能站着,还能站着把钱挣了。

腰杆子挺直了,说话也就硬气了。

我很期待,国内的新能源车凭借自己的硬实力,走出国门、走向世界,成为行业佼佼者的那一天。

我们一直在致力于做一家良心且客观公正的新能源汽车媒体,也在尽力写出对大家有用的新闻和评论内容,如果觉得我们的东西有点意思,记得关注我们~

前段时间,我们根据销量和热度榜

刚做了11款热门车的真实续航测试

当我们把这11款车的电全部跑光

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回复「续航」,就可以看到啦!

本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。

IGBT是可控器件,即可通过开关信号控制它的门极实现CE间输出关断。现在热门的高铁、风电、光伏、电动汽车等新能源行业中DC-AC的开关器件,将母线上的直流电转化为交流输出,也就是常说的逆变单元。相近应用的元件比较,IGBT较GTO具备更高的开关频率,较MOS具备更高的耐压。

IGBT相对于MOSFET的缺点有二:

1)开关速度低。

2)同时有多子和少子起作用,这导致他工作的时候是内阻是负温度系数。这不利于多管并联,也不利于高可靠性工作。

优点,那就是应为是少子和多子同时起作用。所以导通压降小。

在视频开始之前,小鲸先问问大家:

你们觉得电动车里面,最核心的部件是什么?

给大家几个选项

1.电池

2.电机

3.其他部件

我目测选2的人会比较多,那么先恭喜你们答对了!

但是电机里面最核心的部件,你知道是什么?

嗯,它就是咱们这一期视频的主角-IGBT芯片。

那么IGBT究竟是何方神圣?

所谓IGBT就是绝缘栅双极型晶体管。

它是由BJT,也就是双极结型晶体三极管 和MOS,也就是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。

是不是听的有点晕?

首先小鲸先给大家科普下,半导体器件分类。

它主要有两种分类方法,是否可控和驱动方式。

是否可控里面又细分:

不可控型,也就是不能用控制信号控制其通断,比如普通功率二极管。

半控型,也就是可以控制导通,但是不能控制关断,比如普通晶闸管。

全控型,也就是可以控制其导通和关断,比如IGBT。

驱动方式方面,又分为电流驱动,也就是可以通过电流信号控制导通和关闭,比如三极管BJT。

电压驱动,也就是可以通过电压信号控制导通和关闭,比如IGBT。

细心的粉丝可能注意到,小鲸我前面说到IGBT是晶体管呀,那么它算不算芯片呢?

咱们拿华为麒麟990 5G芯片来举例。

它的芯片面积为113.31平方毫米,这么小的地方集成了多达103亿个晶体管。

可以看到芯片是由大规模晶体管组成的,所以严格来说,单个IGBT不能归为芯片,而是功率半导体器件。

现在一般说IGBT芯片,是指包括了IGBT功率器件和其他很多东西组成的。

IGBT的主要工作是控制和传输电能。

它可以处理6500W以上的功率,并且工作时可以在短短1秒的时间内,实现10万次电流开关动作。

千万不要小看它这个功能哦!

目前的电动车,之所以不需要设计复杂的发动机与变速箱等机械系统,IGBT的存在,可谓大功一件。

并且IGBT芯片,和咱们日常提到的7nm,5nm集成电路芯片一样,也是国家02专项的重点扶持项目。02专项就是指"十二五"期间国家16个重大技术突破专项中的第二位。

也就是说,这块芯片是目前功率电子器件里技术最先进的产品。

就拿我们常用的电脑举个例子。

电脑想要做高速运算的话,它需要CPU。

那像咱们高铁或者电动车这样的驱动,也是需要一种器件,去作为电流的变换,而IGBT就是作为电能变换的这么一个CPU。

据统计,我国发电总量的60%都用在了各类电机上。

如果采用IGBT器件对电机进行变频调速,电机耗费的电能可以节能大约1/3,即可节约全国总发电量的20%,相当于新建5个三峡大坝的效能。

根据工作电压的高低,IGBT 模块一般被划分为三类。

低压600V以下

中压600V-1200V

高压 1700V-6500V

低压IGBT模块一般用于消费电子、 汽车 零部件领域。

中压IGBT模块一般用于新能源 汽车 、工业控制、家用电器等领域。

高压IGBT模块一般用于轨道交通、新能源发电、智能电网等领域。

在电动车方面,IGBT成为电动车电驱系统的大头,成本直接占去了一半。

而电驱系统在电动车整车的成本占比约为15-20%,这意味着单单是IGBT就占去了整车成本的7-10%。

IGBT有多重要?

举个形象的比喻,它就好像管你寝室供电的宿管大爷。

什么时候给电,什么时候拉闸,大爷轻车熟路。具体给多少电大爷也管,你要是用电不规范,偷偷用大功率电器,通报批评没商量。

具体来说,IGBT可以直接控制直流、交流电的转换。决定了驱动系统的扭矩以及最大输出功率。所以你这车加速能力怎样,最高时速多少,能源效率如何全看它。

举个例子:

比如在电动 汽车 特斯拉Model 3上面,提供电源的是密密麻麻的电池,这些电池提供400伏直流电。

而电动车的电机转动必须用交流电,通过改变电机交流电的频率来改变电机的转速,从而精准的控制车辆行驶的速度和加速能力,这背后都是IGBT的功劳。

再比如高铁上面。

在火车运行中,要在短时间内将速度从零提升到300公里以上,或者在极短的时间内将正在高速行驶的列车平稳停下来。

这看似简单的加速、减速过程,背后需要一系列相关传动设备,牵引变流器以及其他电动设备的配合才行。而这就需要确保各种设备所需的电流、电压极为精准可靠。

在目前技术条件下,只有大功率的IGBT,才能满足这一苛刻要求。

而且在减速过程中,通过IGBT的作用,还可以将列车减速产生的能量转为电能回馈给电网。

可以说,IGBT的装置就是列车运行的"心脏"。

那么IGBT的研发难不难?

跟传统手机芯片研发一样。

IGBT 行业的上游产业主要包括半导体材料,比如硅片、光刻胶等等。以及相关设备比如光刻机、刻蚀机等等。

IGBT行业根据芯片制造的工序,又可依次划分为芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试三个环节。

不过,IGBT芯片相较于手机芯片的制造工艺及设备来说,要求没有这么高。

另外不同功率等级的IGBT芯片,也有不同的尺寸大小。一般来说,功率等级越高,芯片的尺寸就会越大。

目前IGBT 产品最具竞争力的生产线是8英寸和12 英寸。

世界最为领先的厂商是德国英飞凌,已经在12英寸生产线量产IGBT 产品。

国内晶圆的生产企业绝大部分,还停留在6 英寸产品的阶段。目前国内实现8英寸产品量产的有深圳比亚迪、株洲中车时代和华虹宏力。但其产品良率与国际龙头相比还存在一定差距。

最后是IGBT行业的下游产业。

它包括广泛的各细分应用市场,IGBT 在工业控制、新能源 汽车 ,消费电子、电力储能、轨道交通,家用电器等领域均有大量应用。

IGBT的技术,过去长期被极少数经济发达国家所垄断。

比如我国机车车辆使用的IGBT模块都要从德国、日本进口,特别是在高等级的IGBT器件上。

2008年我国的第一条高铁京津城际铁路开通,随后又开通了更多的高铁线路,对IGBT的需求成倍增加。

一个8列标准动车组就需要152个IGBT芯片,光这个芯片的成本就高达将近两百万元,每年中国高铁制造需要向国外采购十万个以上IGBT模块,采购资金超过12亿元人民币。

2014年6月,经过6年的不懈努力,由我国自主研制并具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片成功下线。

打破了大规模半导体没有自主芯片的 历史 ,预示着我们的高铁拥有了第一颗"中国芯"。

最后小鲸我想说:

十多年前,IGBT芯片基本是欧洲和日本的天下。

高铁用的IGBT被日本三菱重工垄断,电动车的IGBT被德国英飞凌垄断。

而如今国内各类企业开始加紧,对IGBT芯片进行自主研发。其中比较有名的就是深圳比亚迪,株洲中车时代电气,杭州士兰微等等。

目前复兴号所涉及的高速动车组的254项重要标准中,中国标准占到了84%。

高铁跑得快,全靠电机带。

其中复兴号的心脏也就是牵引电机。它拥有1152个IGBT芯片,这种能让高铁平稳运行的芯片,目前株洲中车自主研发的生产线,每年可以生产50万个。

中国中车生产的IGBT芯片,不仅可以满足自己的需求,还可以达到出口国外的标准,也已达到世界一流水平。

不得不说,中国标准的意义就在于每一项核心突破,拉动的都是整个体系的升级。而一个个体系的升级,最终使得中国制造走向全球。


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