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打破国外多年垄断,国产高铁IGBT芯片技术崛起

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打破国外多年垄断,国产高铁IGBT芯片技术崛起
2020-09-17 18:06:00 阅读:1 发布人:纵横智控

在视频开始之前,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。


IGBT介绍

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,也就是能够最终靠电流信号控制导通和关闭,比如三极管BJT。

电压驱动,也就是能够最终靠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。

打破国外多年垄断

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。

能够正常的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作用

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。

绝对不能小看它这个功能哦!

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。


IGBT分类

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%,这在某种程度上预示着单单是IGBT就占去了整车成本的7-10%。


IGBT重要性

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。

何时给电,何时拉闸,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"。

IGBT研发

那么IGBT的研发难不难?

跟传统手机芯片研发一样。

IGBT 行业的上游产业最重要的包含半导体材料,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国产情况

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"。

感悟

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,不但可以满足自己的需求,还能够达到出口国外的标准,也已达到世界一流水平。

必须得说,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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