我们提到高铁,谈到国产化,就会提到国内已经成功开发出高铁的关键电子控制部件IGBT。
同时,比亚迪的芯片生产也提到量产出自己的IGBT部件,甚至有些人称IGBT器件的重要性,相当于量产7纳米级的CPU芯片,
那么究竟什么是IGBT呢?
所有受电力驱动的器件或者设备,都是通过控制电路的,输出功率大小和通断时间,来控制电子设备的工作。
这就好像是水厂,通过总水管送水到千家万户,用水流量和多少,是受各家各户的水阀控制,而IGBT就是相当于这个控制阀门的关键元器件,原理上IGBT是一个受电压控制的半导体开关元器件。
IGBT被称为大功率绝缘栅双极型晶体管,是由 BJT(双极结型晶体三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合功率半导体器件。是一个输入阻抗很高的电压通断型的开关器件。简单讲,IGBT是一个受栅级电压控制,非通即断的半导体开关,导通时可以看做短路,断开时当做开路。
IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点,输入只需要电压驱动,因此驱动功率很小,驱动非常容易。IGBT导通输出呈现为半导体PN结的特性,饱和压降低。
在日常生活中,我们很多电器设备,可能都早已使用上了IGBT,比如说电视机电源中的开关管,甚至是手机充电器中的开关管。
原则上来说,IGBT并不是一个新生事物,普通的IGBT也并没有什么高科技含量。
几十年来IGBT已经成熟应用在各种电子控制环境中,家用的电磁炉、变频空调等,已经成熟应用多年。
其实,民用级的IGBT国内很多厂家均可以生产,也没有什么技术障碍,比较有难度的是高耐压,大电流和大功率的一类特殊用途的IGBT。
那么高铁为什么需要IGBT器件?因为高铁本质上是个电气化列车,是通过引入供电接触网上的高压交流电,经过变压器降压和四象限整流器转换成直流电,再经过速度控制电路,用超大功率IGBT器件调制PWM变频,输入三相异步/同步牵引电动机,通过传动系统带动车轮运行,以此驱动列车运转,高铁驱动的所有能量,均需要受控于IGBT器件,因此其性能和可靠性要求极高,其重要性就可想而知了。
类似于高铁,现在每一辆电动新能源汽车,也有一套受控制的电路管理的大功率IGBT器件调制PWM变频用来控制电机的实时转速和功率输出。
IGBT在我们生活的基础领域,发电送电环节也是很重要的存在。在发电领域,风、水、太阳能等能源发出的电是一种粗糙的、不可控的、不稳定的电能,就是我们俗说的“粗电”,而要想转换成精细的、可控的、稳定的能够并入电网的“精电”,进而适合不同功率的电力设备,
需采用IGBT等电力电子器件实现对电能的品质转化,以风电为例,风机的叶片带动发电机旋转,发电机发出的频率往往不到电网频率的一半,因此需要用高压大电流的IGBT模块,重新产生稳频稳压的交流电。
IGBT可以通过控制逆变器实现不同电压的转换,也可以通过计算机控制电路实现IGBT对新能源车的马达进行精确控制。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能和绿色环保的特点,是解决能源短缺问题,降低碳排放的关键支撑技术。
国外企业如英飞凌、 ABB、三菱等厂商,在IGBT深耕多年,研发的IGBT器件产品规格涵盖电压600V-6500V,电流2A-3600A,已形成完善的IGBT产品系列。在1700V以上电压等级的工业IGBT领域占绝对优势;在3300V以上电压等级的高压IGBT技术领域几乎处于垄断地位。
而中国大陆功率半导体市场占世界市场的50%以上,早期,尽管我国拥有最大的功率半导体市场,但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上,90%主要依赖进口。国内功率半导体产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距,特别是IGBT等高端器件差距更加明显。核心技术均掌握在发达国家企业手中,IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。
2011年12月23日,中国北车永济电机公司,对外发布了其生产的11类,处于国际领先水平的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)产品。其中六种产品填补了国内空白,足以替代同类进口产品,这些都是市场急需的产品,将解决国内IGBT器件依赖进口的“瓶颈”问题。
中国北车自此成为世界第四个、国内第一个能够封装6500V以上IGBT产品的企业。
在这里请注意“封装”,不是设计,也不是生产。应该是只能算是个来料加工。
从此,北车永济电机公司IGBT封装能力,与发达国家并肩站在了世界最高技术平台上。
据报道,比亚迪在2018年12月份发布了自己的IGBT4.0技术。其产品电流输出能力,较当前主流的IGBT产品提高了15%,综合损耗降低了约20%,温度循环寿命可提高到当前产品的10倍以上。在1200V车规级IGBT芯片的晶圆厚度上,比亚迪减薄到了120um,已处于全球先进水平。
从车规级性能及发布的消息看,比亚迪已经具备与国外品牌竞争的能力,但后续的量产、稳定性等方面还需要进一步观察。
可以说比亚迪是当前中国IGBT的代表企业,是目前国内唯一一家拥有IGBT完整产业链的企业。在1200V等级的大功率IGBT器件领域,完成了设计、流片、封装的一体化发展。
由此可见我国的1200V新能源车用高端IGBT产品,已经突破了国外的市场垄断地位,向更高更强迈进了坚实的一大步。
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