IGBT在新能源汽车中的应用及重要地位

2024-11-18 12:40   北京  
IGBT具有高频、高电压、大电流、易于开关、低导通阻抗、不消耗驱动电流,非常适合大功率驱动场景;被业界誉为电力电子装置的“CPU”和新能源“芯片”

在新能源汽车中,IGBT其实是很重要的一部分,它对于一辆汽车的稳定性与安全性有着至关重要的影响;燃油车和新能源汽车的差异,主要体现在动力系统方面,而动力系统=动力电池+电机+电控系统,在新能源汽车中,IGBT主要应用于驱动系统、空调和充电桩领域;新能源汽车中升压器(电控用)、逆变器(空调和电池热管理)和充电桩都需要IGBT
功率器件按照驱动方式可以分为两大类,分别是电压型控制器件和电流型控制器件。电压型控制器件主要是通过改变调节控制端电压来控制器件的开通与关断,而电流型控制器件则主要是通过改变调节控制端电流大小来控制器件的开通与关断。电流控制型器件的共同特点是导通损耗小,所需驱动功率小,但是驱动电路复杂,工作频率较低,如晶闸管、二极管、BJT等。而电压控制型器件的共同特点在于输入阻抗高、所需驱动功率小、驱动电路简单、工作频率高,如IGBT、MOSFET等。

  MOSFET主要应用于中小功率场合如电脑功率电源、家用电器等,具有门极输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快、开关损耗小的特点。但随着下游应用发展越来越快,MOSFET的电流能力显然已经不能满足市场需求。为了在保留MOSFET优点的前提下降低器件的导通电阻,人们曾经尝试通过提高MOSFET衬底的掺杂浓度以降低导通电阻,但衬底掺杂的提高会降低器件的耐压。如果在MOSFET结构的基础上引入一个双极型BJT结构,就不仅能够保留MOSFET的原有优点,还可以通过BJT结构提高器件的电流能力。

BJT即为双极型晶体管,而MOS管只有多子导电,称为单极型器件。在放大状态工作时,三极管发射结正偏,有基极电流,相应的输入电阻较小,约为103Ω。由于BJT 是双极性器件,在工作过程中,器件结构漂移区中有注入载流子贮存时间,导致其不能在高频下工作。

在经过技术上的不断改进后,结合了两者优势的IGBT应运而生。目前,IGBT已经能够覆盖从600V~6500V的电压范围,应用涵盖从工业电源、变频器、新能源汽车、新能源发电到轨道交通、国家电网等一系列领域。IGBT凭借其高工作频率、高电流性能、开关损耗小等优点在庞大的功率器件世界中赢得了自己的一片领域。


电动车之所以具备碾压燃油车的加速体验,和这枚“心脏”的作用不无关系。
新能源汽车是通过电池驱动电机来给汽车提供动力输出的,所以存在交流市电给汽车电池充电和电池放电来驱动电机使汽车行驶的场景。这两个过程都是需要通过使用IGBT设计的电路来实现。
IGBT约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15-20%,也就是说IGBT占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,也决定了整车的能源效率。
IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面:
1、电动控制系统大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机。
2、车载空调控制系统小功率直流/交流(DC/AC)逆变,使用电流较小的IGBT和FRD。
3、充电桩智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用。
新能源汽车的生产需要用到的芯片可达到500-800个,有的甚至超过1000个不同类型的芯片;汽车的芯片种类主要包括主控芯MCU、存储芯片、传感器类器件、IGBT功率类芯片、其次是信号链类的通信芯片;IGBT可以说是电动车的的核心技术之一,IGBT的好坏直接影响电动车功率的释放速度。
目前市面上出现的晶圆直径主要是150mm、200mm、300mm,分别对应6英寸、8英寸、12英寸的晶圆;国产芯片在晶圆的产能上,也就是在6寸上有优势;
在电动汽车的“三电”方面,TESLA的Model S使用的三相异步驱动电机,其中每一相的驱动控制需要使用28颗塑封的IGBT芯片,三相共需要使用84颗IGBT芯片。算算总量,就可知需求的庞大。此外,充电桩的核心部件也要用到IGBT芯片。

按照IGBT模块工作时的电压,它的应用领域大致分为五类:

650V——应用于新能源汽车、家电和工业变频;

1200V——应用于光伏、电磁炉、电焊机、新能源汽车行业;

1700V——应用于太阳能,风电等领域;

3300V——应用于动车、高铁、国家电网等领域;

6500V——高铁、工业电机、动车、智能电网等领域;

从IGBT下游应用领域的占比来看,前三个场景分别是新能源汽车(占比31%)、家电(占比27%)、工业控制(占比为20%)。

总结:

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点,是电动汽车核心技术之一,直接影响电动车功率的释放速度。

IGBT在电动汽车中的作用是实现交流电和直流电的转换,同时承担电压的高低转换功能。在现代交通系统中,IGBT的重要性不言而喻,如直流充电桩、电力机车、动车组、地铁等都离不开IGBT。IGBT约占电机驱动系统成本的一半,是除电池之外成本第二高的元件。

IGBT在新能源电动汽车中的应用至关重要,它不仅关系到电动汽车的性能,还直接影响整车成本。IGBT作为电力电子装置的核心器件,其性能和可靠性对电动汽车的能源效率和续航里程有着重要影响。

然而,中国在IGBT领域与国际先进水平相比仍有较大差距,目前仍处于追赶阶段。尽管如此,国产IGBT企业已经开始布局产业链,通过合作和技术创新,逐步缩小与国际先进水平的差距。随着技术的进步和市场的推动,相信中国在IGBT领域也将取得更多的突破和发展。


1、IGBT定义

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),绝缘栅双极型晶体管

IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品


2、IGBT的用途

IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,应用于直流电压为600V及以上的变流系统如轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。

封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上


3、IGBT模块的特点

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点


4、用最简单的语言概括IGBT的功能和作用

控制能源的变换和传输


5、为什么电动汽车需要IGBT?

IGBT的作用是交流电和直流电的转换,同时IGBT还承担电压的高低转换的功能。

外界充电的时候是交流电,需要通过IGBT转变成直流电然后给电池,同时要把220V电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。

电池放电的时候,把通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电,同时起到对交流电机的变频控制,当然变压是必不可少的。

IGBT是功率半导体器件,可以说是电动车的的核心技术之一,IGBT的好坏直接影响电动车功率的释放速度。


6、IGBT的工作原理

以空调压缩机为例:国内规定的电压220V,频率50Hz的电流经整流滤波后得到310V左右的直流电,此直流电经过逆变后,就可以得到用以控制压缩机运转的变频电源,这就能将50赫兹的电网频率转变为30-130赫兹,利用电源频率可以控制平滑控制压缩机转速,达到自动无级变速,使压缩机始终处于最佳工作状态。

在电动车上,可以把电机看成压缩机。两者原理几乎完全一致。


7、IGBT在现代交通系统中的重要性

直流充电桩30%的原材料成本是IGBT

电力机车一般需要500个IGBT模块

动车组需要超过100个IGBT模块

一节地铁需要50-80个IGBT模块


8、IGBT成本的重要性

IGBT约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15-20%,也就是说IGBT占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,也决定了整车的能源效率。


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