激活新能源車(chē)的關(guān)鍵

李爾欣

IGBT是什么？

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（絕緣柵雙極性晶體管）的簡(jiǎn)稱(chēng)，一般由BJT雙極性晶體管和MOS絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組成，是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體。與其他功率半導(dǎo)體一樣，IGBT也可以承受高電壓和大電流，并且具有轉(zhuǎn)換交直流電、放大電信號(hào)、導(dǎo)通或阻斷電路等功能。

而在現(xiàn)實(shí)世界里，IGBT早已成為主流功率半導(dǎo)體產(chǎn)品，并被普遍用于多種場(chǎng)景。不僅在家用電器中能見(jiàn)到IGBT單管，同時(shí)，由IGBT與FWD續(xù)流二極管和驅(qū)動(dòng)電路等一起封裝組成的IGBT模塊也已廣泛用于工業(yè)用電、交通工具、新能源應(yīng)用等領(lǐng)域。

具體到以電動(dòng)車(chē)為主的新能源汽車(chē)，針對(duì)日益普及的大功率高壓電氣部件，相關(guān)廠商陸續(xù)選擇用直接融合MOSFET金屬氧化皮膜半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并且更耐高壓，還可輸出更大功率的IGBT取代從傳統(tǒng)燃油車(chē)那兒沿用過(guò)來(lái)的MOSFET。目前，IGBT正以翻倍的數(shù)量普遍被布置在新能源車(chē)的DC/DC變換器、OBC車(chē)載充電器等諸多電氣部件的周?chē)?，用以頻繁完成相應(yīng)的交直流變換與電氣控制工作。例如，在進(jìn)行能量回收時(shí)，就要通過(guò)以IGBT為主要組件的逆變器，先把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，才好充進(jìn)電池里去。

車(chē)規(guī)的IGBT不一般

現(xiàn)役的新能源汽車(chē)，尤其是純電動(dòng)車(chē)，所搭載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)論是永磁同步型還是交流異步型，其實(shí)都屬于交流電機(jī)，故得先把電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成交流電才能供應(yīng)使用。因此在相應(yīng)的電機(jī)控制器中必需配有IGBT模塊，以控制電驅(qū)系統(tǒng)的交直流轉(zhuǎn)換乃至電動(dòng)機(jī)的電壓、電流等參數(shù)。這意味著，電機(jī)控制器里頭的IGBT模塊直接關(guān)系到驅(qū)動(dòng)電機(jī)能否正常工作、以及能輸出多大的功率和扭矩。

同樣，混合動(dòng)力車(chē)型所用的車(chē)載發(fā)電機(jī)，也需要通過(guò)IGBT模塊才能給電池充入直流電?？梢?jiàn)，IGBT是真正激活新能源汽車(chē)的關(guān)鍵所在。順便一提，專(zhuān)用于汽車(chē)的IGBT模塊與用于其他工業(yè)領(lǐng)域的同類(lèi)產(chǎn)品在功率損耗、驅(qū)動(dòng)功率等指標(biāo)上會(huì)有所不同。一般而言，汽車(chē)專(zhuān)用的IGBT模塊需承受200-900A的電流，以及400-1200V的電壓，并且考慮到在實(shí)際工作過(guò)程中，像驅(qū)動(dòng)電機(jī)這種部件的IGBT輸出電流會(huì)急速上升，因此在選擇器件時(shí)還得留有余地。比如比亞迪F3DM的電池平時(shí)只有330V的電壓，但在車(chē)輛急加速時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的IGBT卻要承受800V以上的電壓，所以其配備的是額定值高達(dá)1200V/600A的IGBT模塊。

功率半導(dǎo)體并非只有IGBT

雖然IGBT是新能源汽車(chē)身上的重要功率器件，但實(shí)際上MOSFET也仍有用武之地。譬如在48V輕混系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)功率在15kW左右時(shí)MOSFET已經(jīng)夠用。事實(shí)上，新能源汽車(chē)制造商會(huì)根據(jù)需要選用IGBT或MOSFET。

硅or碳化硅？

按理說(shuō)，這樣的IGBT功率模塊已足夠新能源汽車(chē)使用。但是，廠商永遠(yuǎn)追求更高效的產(chǎn)品。于是，一些應(yīng)用新材料的解決方案便應(yīng)運(yùn)而生。其中最有望取代現(xiàn)役Si硅基材料的，便是SiC碳化硅乃至GaN氮化鎵等寬帶隙半導(dǎo)體材料。事實(shí)上，盡管基于Si硅基材料打造的IGBT產(chǎn)品仍在迭代進(jìn)化中，但早在21世紀(jì)初，英飛凌等海外廠商便已先后發(fā)布并投產(chǎn)基于SiC的功率半導(dǎo)體器件，諸如JBS結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管、PiN功率二極管等SiC二極管，近年更已實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的量產(chǎn)。然后，就會(huì)輪到基于SiC的IGBT絕緣柵雙極性晶體管。

而廠商之所以青睞SiC碳化硅材料，那是因?yàn)橄啾萐i硅基材料，SiC碳化硅材料可以承受更高的工作溫度以及更高的工作電壓。不僅如此，根據(jù)國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠商的測(cè)試數(shù)據(jù)，同等性能的半導(dǎo)體器件，基于SiC碳化硅材料制作的組件可比由Si硅基材料打造的組件的體積減少1/5，更可減重40-60%;并且在不同工況下，SiC碳化硅組件的功率損耗均下降60-80%。而這些數(shù)據(jù)反應(yīng)到車(chē)輛身上，便體現(xiàn)為應(yīng)用SiC碳化硅材料的功率模塊，可讓電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程增加10%。

功率半導(dǎo)體的中國(guó)芯

目前在國(guó)際市場(chǎng)上，美國(guó)廠商的功率半導(dǎo)體份額總量仍處于領(lǐng)先地位，其后是日本廠商，而德國(guó)英飛凌的獨(dú)立IGBT功率晶體和IGBT模塊的市場(chǎng)占有率則分別位列世界第一和第二。中國(guó)雖說(shuō)也有實(shí)力不俗的芯片設(shè)計(jì)廠商和制造廠商，但高端產(chǎn)品的核心技術(shù)仍被國(guó)外廠商壟斷，專(zhuān)業(yè)級(jí)生產(chǎn)設(shè)備也主要靠進(jìn)口。不過(guò)，隨著《電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》的發(fā)布，國(guó)內(nèi)整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)都已開(kāi)始加速追趕。例如比亞迪便于2018年宣布已自主研發(fā)成功SiC MOSFET，并計(jì)劃于2023年全面取代現(xiàn)有的Si硅基IGBT系列產(chǎn)品。

特斯拉Model S用的是開(kāi)放式IGBT晶體管陣列，而非IGBT模塊，原因據(jù)說(shuō)是為散熱。而到最新的Model 3，特斯拉又改用有封裝的SiC MOSFET功率模塊。

只不過(guò)，目前碳化硅單晶材料的加工技術(shù)仍不夠完善，以至于在實(shí)際生產(chǎn)中，SiC晶體管的成本要遠(yuǎn)高于Si晶體管。來(lái)自中科院電工所的數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)階段SiC晶體管的成品率依然偏低，從而導(dǎo)致成本過(guò)高。例如，同等級(jí)別下，SiC MOSFET就比SiIGBT貴8-12倍。此外，以純SiC材料為基板的晶體管測(cè)試數(shù)據(jù)也不夠多，難以預(yù)料大批量投產(chǎn)后會(huì)暴露出怎樣的缺陷。因此，有研究認(rèn)為，在繼續(xù)用Si硅基材料制造功率器件的同時(shí)，不妨嘗試用Si與SiC的混合材料打造功率器件。因?yàn)椋瑥膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，混合材料功率器件所承受的電壓與電流均高于純SiC碳化硅材料制成的產(chǎn)品，并且得益于Si硅基材料晶體管的成熟生產(chǎn)工藝及相對(duì)低廉的價(jià)格，混合材料功率器件的成本還會(huì)低于純SiC碳化硅材料的版本。

當(dāng)然，以上說(shuō)法還僅限于理論分析，等到海外供應(yīng)商在2030年左右率先投產(chǎn)以SiC碳化硅晶體為基板的功率器件后，事實(shí)自會(huì)揭曉答案：新能源汽車(chē)功率模塊的未來(lái)到底是屬于SiC等新型材料，還是由Si硅基材料繼續(xù)把持，抑或是由二者共享？結(jié)局值得期待！

IGBT進(jìn)化史

早在上世紀(jì)80年代，就已經(jīng)出現(xiàn)從MOSFET生產(chǎn)工藝中衍生出的IGBT產(chǎn)品，但正式量產(chǎn)應(yīng)用則是在90年代。此后，盡管單晶芯片的蝕刻工藝從平面棚進(jìn)化到淘槽柵欄，而垂直結(jié)構(gòu)則從PT穿通到NPT非穿通，再逐漸到FS場(chǎng)截止、LPT弱穿通，但基板部是Si硅基材料。

倒是封裝技術(shù)日益復(fù)雜，在采用IC驅(qū)動(dòng)電路以及各種保護(hù)電路之后，已經(jīng)進(jìn)化到IPM智能功率模塊，并逐漸向高電壓、大電流方向發(fā)展。今后，芯片基板很可能會(huì)改由Sic碳化硅材料制成，而封裝技術(shù)則進(jìn)一步趨向智能化、模塊化。