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「汇眼独具」总功耗降低20%,IGBT这家企业走在了最前列

电车汇消息:提到比亚迪,大家很容易联想到的就是汽车,尤其是新能源汽车。比亚迪在今年前11个月累计销售纯电动乘用车82258辆,插电混动乘用车107884辆,并且还销售了11019辆新能源商用车,可以说,在新能源汽车领域,比亚迪成绩斐然。

与其他车企不同的是,比亚迪新能源汽车的核心零部件均为自产,大到像电池、电机和电控这样的部件,小到IGBT模块,比亚迪都是自己研发的。

电池、电机、电控这些零部件的确是更多的被人提起,IGBT则很少为人所知了。在过去相当长的时间里,IGBT的核心技术始终掌握在国外厂商手里,中高端IGBT市场90%的份额被国际巨头垄断,导致“一芯难求”,成为制约我国电动车行业健康、快速发展的主要瓶颈。

而比亚迪在十多年前就开展了这一技术的攻关,研发出了自己的IGBT,打破国际巨头对的技术垄断;昨日(12月10日),比亚迪又在宁波发布了在车规级领域具有标杆性意义的 IGBT4.0 技术,再次将堪称电动车CPU的核心技术带到了“聚光灯”下。据电车汇了解,比亚迪是目前中国第一家实现车规级 IGBT 大规模量产、也是唯一一家拥有 IGBT 完整产业链的车企。

IGBT在电动汽车上的用途

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 全称“绝缘栅双极型晶体管”,是一种大功率的电力电子器件,主要用于变频器逆变和其他逆变电路,将直流电压逆变成频率可调的交流电。对于电动车而言,IGBT 直接控制驱动系统直、交流电的转换,同时对交流电机进行变频控制,IGBT的好坏直接决定了车辆的扭矩和最大输出功率。

简单来讲,IGBT是车内电能的转换器,把电池系统的电能转换成适合的大小从而来驱动各个零部件(包括电机、空调等等)的工作,对于提高车辆的用电效率能起到关键的作用。

IGBT的技术难点

IGBT的研发制造难度极高。IGBT芯片仅有人的指甲大小,但却要在其上蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路,仅能在显微镜下查看。

IGBT芯片设计难度高。IGBT虽然是一个开关器件,但涉及到的参数多达十几个,很多参数之间是相互矛盾,需要根据应用折衷考虑。

晶圆制造工艺难度大。最主要体现在薄片加工处理上。采用最新的1200V FS技术的IGBT,需要将晶圆减薄到120um(约两根头发丝直径)的厚度,再进行10余道工序加工。

晶圆制造的厂房洁净度要求非常高,需要一级净化。一个零点几微米的微尘掉落在晶圆上,就会造成一颗IGBT芯片失效。

比亚迪IGBT的研发历程

长期以来,IGBT的核心技术始终掌握在国外厂商手里。为了攻克这些技术难题,比亚迪率先开展了相关研究。

昨晚比亚迪发布的 IGBT 4.0 已经可以达到与国际主流水平一较高下的水平了。而回顾比亚迪 IGBT 的研发历程,从 2005 年开始,到今年已经走过了 13 个年头。用比亚迪第六事业部总经理陈刚的话来说,IGBT 并不是靠砸钱就能砸出来的。

2005 年比亚迪组建 IGBT 研发团队,正式布局 IGBT 产业;

2007 年建立 IGBT 模块生产线,完成首款电动汽车 IGBT 模块样品组装;

2008 年投资建立晶圆工厂,同一年比尔盖茨到访了解比亚迪 IGBT 产品;

2009 年比亚迪 IGBT 1.0 芯片研发成功,通过中国电力电子协会组织的科技成果鉴定;

2010 年自主研发的 IGBT 产品批量供货给自家的新能源汽车 F3DM;

2011 年自主研发的 IGBT 芯片开始在纯电动汽车e6上批量装车;

2012 年全球首创将航空航天级 AlSiC(碳化硅铝)材料大批量用于车用 IGBT 模块,同年 IGBT 2.0 芯片成功;

2013 年搭载 IGBT 2.0 芯片的模块通过汽车全面认证;

2014 年搭载 IGBT 2.0 芯片的模块在e6、K9等新能源车型上批量装车;

2015 年 IGBT 芯片研发成功,首款大巴专用IGBT模块研发成功;

2016 年搭载 IGBT 2.5 芯片的模块批量装车,同年IGBT模块工厂通过标准认证;

2017 年 IGBT 4.0 芯片研发成功,同年首款双面水冷IGBT模块研发成功;

2018 年搭载 IGBT 2.5 芯片的模块开始批量外供,同年搭载IGBT 4.0芯片的模块顺利装车;

2019 年将推出搭载SiC(碳化硅)电控的电动车;

目前,比亚迪是中国唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企:包含IGBT芯片设计和制造、模组设计和制造、大功率器件测试应用平台、电源及电控等。

比亚迪打破IGBT市场格局

相关数据显示,传统IGBT市场90%已经被欧美、日本国际巨头占据。大多数IGBT厂商都涉足该领域有数十年之久。国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、ABB、三菱、西门康、日立、富士、TOSHIBA、IXYS和APT公司等,其IGBT技术成熟,已实现了大规模商品化生产,IGBT产品电压规格涵盖600V-6500V,电流规格涵盖2A-3600A,形成了完善的IGBT产品系列。其中,西门康、仙童(被安森美收购)等企业在1700V及以下电压等级的消费级IGBT领域处于优势地位;ABB、英飞凌、三菱电机在1700V-6500V电压等级的工业级IGBT领域占绝对优势,3300V以上电压等级的高压IGBT技术更是被英飞凌、ABB、三菱三家公司所垄断,它们代表着国际IGBT技术最高水平。

然而,此次比亚迪推出的IGBT4.0,在诸多关键技术指标上都优于当前市场主流产品,例如:

1、电流输出能力较当前市场主流的IGBT高15%,支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力。

2、同等工况下,综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%。这意味着电流通过IGBT器件时,受到的损耗降低,使得整车电耗显著降低。

3、温度循环寿命可以做到当前市场主流IGBT的10倍以上。这意味着比亚迪电动车在应对各种极端气候、路况时,能有更高的可靠性和更长的使用寿命。

掌握核心技术的带来的优势

得益于较早进行电动汽车相关核心技术的研发,比亚迪的很多市场策略都走在了行业前列。

2008年,比亚迪推出全球首款量产的插电式混合动力汽车F3DM。这是全球第一款上市的不依赖专业充电站的双模电动车,搭载了全球首创的双动力混合系统(EV+HEV)。

2010年5月,850辆比亚迪e6纯电动出租车陆续在深圳投放运营,成为国内首个批量投入运营的纯电动出租车队。2017年底,深圳已累计推广应用纯电动出租车近1.3万辆,占全市所有出租车近65%,成为全球纯电动出租车规模最大、应用最广的城市。

2010年5月,约800辆K9纯电动巴士开始陆续在深圳投放。至2017年12月,深圳推广各类纯电动巴士16359辆,除保留少部分非纯电动车作为应急运力外,实现了全市专营公交车辆的电动化。近8年间,行驶路程最长的比亚迪电动巴士已经运行了423595公里,相当于深圳往返宁波192次。2014-2017年,比亚迪连续四年位居纯电动大客车(长度为10米及以上)全球销量第一。

比亚迪在IGBT领域取得的成就让电动汽车的这一核心技术不再受制于人,而今IGBT4.0的推出,不仅能够支撑比亚迪汽车在各项性能上领先,也让中国的新能源汽车产业有了更多底气。

文章摘自电车汇  20181211 发自北京

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