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國產高鐵IGBT芯片技術崛起,打破國外多年壟斷

在視頻開始之前,小鯨先問問大家:

妳們覺得電動車裏面,最核心的部件是什麽?

給大家幾個選項

1.電池

2.電機

3.其他部件

我目測選2的人會比較多,那麽先恭喜妳們答對了!

但是電機裏面最核心的部件,妳知道是什麽?

嗯,它就是咱們這壹期視頻的主角-IGBT芯片。

那麽IGBT究竟是何方神聖?

所謂IGBT就是絕緣柵雙極型晶體管。

它是由BJT,也就是雙極結型晶體三極管 和MOS,也就是絕緣柵型場效應管組成的復合全控型-電壓驅動式-功率半導體器件。

是不是聽的有點暈?

首先小鯨先給大家科普下,半導體器件分類。

它主要有兩種分類方法,是否可控和驅動方式。

是否可控裏面又細分:

不可控型,也就是不能用控制信號控制其通斷,比如普通功率二極管。

半控型,也就是可以控制導通,但是不能控制關斷,比如普通晶閘管。

全控型,也就是可以控制其導通和關斷,比如IGBT。

驅動方式方面,又分為電流驅動,也就是可以通過電流信號控制導通和關閉,比如三極管BJT。

電壓驅動,也就是可以通過電壓信號控制導通和關閉,比如IGBT。

細心的粉絲可能註意到,小鯨我前面說到IGBT是晶體管呀,那麽它算不算芯片呢?

咱們拿華為麒麟990 5G芯片來舉例。

它的芯片面積為113.31平方毫米,這麽小的地方集成了多達103億個晶體管。

可以看到芯片是由大規模晶體管組成的,所以嚴格來說,單個IGBT不能歸為芯片,而是功率半導體器件。

現在壹般說IGBT芯片,是指包括了IGBT功率器件和其他很多東西組成的。

IGBT的主要工作是控制和傳輸電能。

它可以處理6500W以上的功率,並且工作時可以在短短1秒的時間內,實現10萬次電流開關動作。

千萬不要小看它這個功能哦!

目前的電動車,之所以不需要設計復雜的發動機與變速箱等機械系統,IGBT的存在,可謂大功壹件。

並且IGBT芯片,和咱們日常提到的7nm,5nm集成電路芯片壹樣,也是國家02專項的重點扶持項目。02專項就是指"十二五"期間國家16個重大技術突破專項中的第二位。

也就是說,這塊芯片是目前功率電子器件裏技術最先進的產品。

就拿我們常用的電腦舉個例子。

電腦想要做高速運算的話,它需要CPU。

那像咱們高鐵或者電動車這樣的驅動,也是需要壹種器件,去作為電流的變換,而IGBT就是作為電能變換的這麽壹個CPU。

據統計,我國發電總量的60%都用在了各類電機上。

如果采用IGBT器件對電機進行變頻調速,電機耗費的電能可以節能大約1/3,即可節約全國總發電量的20%,相當於新建5個三峽大壩的效能。

根據工作電壓的高低,IGBT 模塊壹般被劃分為三類。

低壓600V以下

中壓600V-1200V

高壓 1700V-6500V

低壓IGBT模塊壹般用於消費電子、 汽車 零部件領域。

中壓IGBT模塊壹般用於新能源 汽車 、工業控制、家用電器等領域。

高壓IGBT模塊壹般用於軌道交通、新能源發電、智能電網等領域。

在電動車方面,IGBT成為電動車電驅系統的大頭,成本直接占去了壹半。

而電驅系統在電動車整車的成本占比約為15-20%,這意味著單單是IGBT就占去了整車成本的7-10%。

IGBT有多重要?

舉個形象的比喻,它就好像管妳寢室供電的宿管大爺。

什麽時候給電,什麽時候拉閘,大爺輕車熟路。具體給多少電大爺也管,妳要是用電不規範,偷偷用大功率電器,通報批評沒商量。

具體來說,IGBT可以直接控制直流、交流電的轉換。決定了驅動系統的扭矩以及最大輸出功率。所以妳這車加速能力怎樣,最高時速多少,能源效率如何全看它。

舉個例子:

比如在電動 汽車 特斯拉Model 3上面,提供電源的是密密麻麻的電池,這些電池提供400伏直流電。

而電動車的電機轉動必須用交流電,通過改變電機交流電的頻率來改變電機的轉速,從而精準的控制車輛行駛的速度和加速能力,這背後都是IGBT的功勞。

再比如高鐵上面。

在火車運行中,要在短時間內將速度從零提升到300公裏以上,或者在極短的時間內將正在高速行駛的列車平穩停下來。

這看似簡單的加速、減速過程,背後需要壹系列相關傳動設備,牽引變流器以及其他電動設備的配合才行。而這就需要確保各種設備所需的電流、電壓極為精準可靠。

在目前技術條件下,只有大功率的IGBT,才能滿足這壹苛刻要求。

而且在減速過程中,通過IGBT的作用,還可以將列車減速產生的能量轉為電能回饋給電網。

可以說,IGBT的裝置就是列車運行的"心臟"。

那麽IGBT的研發難不難?

跟傳統手機芯片研發壹樣。

IGBT 行業的上遊產業主要包括半導體材料,比如矽片、光刻膠等等。以及相關設備比如光刻機、刻蝕機等等。

IGBT行業根據芯片制造的工序,又可依次劃分為芯片設計、晶圓制造、模塊封裝與測試三個環節。

不過,IGBT芯片相較於手機芯片的制造工藝及設備來說,要求沒有這麽高。

另外不同功率等級的IGBT芯片,也有不同的尺寸大小。壹般來說,功率等級越高,芯片的尺寸就會越大。

目前IGBT 產品最具競爭力的生產線是8英寸和12 英寸。

世界最為領先的廠商是德國英飛淩,已經在12英寸生產線量產IGBT 產品。

國內晶圓的生產企業絕大部分,還停留在6 英寸產品的階段。目前國內實現8英寸產品量產的有深圳比亞迪、株洲中車時代和華虹宏力。但其產品良率與國際龍頭相比還存在壹定差距。

最後是IGBT行業的下遊產業。

它包括廣泛的各細分應用市場,IGBT 在工業控制、新能源 汽車 ,消費電子、電力儲能、軌道交通,家用電器等領域均有大量應用。

IGBT的技術,過去長期被極少數經濟發達國家所壟斷。

比如我國機車車輛使用的IGBT模塊都要從德國、日本進口,特別是在高等級的IGBT器件上。

2008年我國的第壹條高鐵京津城際鐵路開通,隨後又開通了更多的高鐵線路,對IGBT的需求成倍增加。

壹個8列標準動車組就需要152個IGBT芯片,光這個芯片的成本就高達將近兩百萬元,每年中國高鐵制造需要向國外采購十萬個以上IGBT模塊,采購資金超過12億元人民幣。

2014年6月,經過6年的不懈努力,由我國自主研制並具有完全知識產權的8英寸IGBT芯片成功下線。

打破了大規模半導體沒有自主芯片的 歷史 ,預示著我們的高鐵擁有了第壹顆"中國芯"。

最後小鯨我想說:

十多年前,IGBT芯片基本是歐洲和日本的天下。

高鐵用的IGBT被日本三菱重工壟斷,電動車的IGBT被德國英飛淩壟斷。

而如今國內各類企業開始加緊,對IGBT芯片進行自主研發。其中比較有名的就是深圳比亞迪,株洲中車時代電氣,杭州士蘭微等等。

目前復興號所涉及的高速動車組的254項重要標準中,中國標準占到了84%。

高鐵跑得快,全靠電機帶。

其中復興號的心臟也就是牽引電機。它擁有1152個IGBT芯片,這種能讓高鐵平穩運行的芯片,目前株洲中車自主研發的生產線,每年可以生產50萬個。

中國中車生產的IGBT芯片,不僅可以滿足自己的需求,還可以達到出口國外的標準,也已達到世界壹流水平。

不得不說,中國標準的意義就在於每壹項核心突破,拉動的都是整個體系的升級。而壹個個體系的升級,最終使得中國制造走向全球。

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