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专家解读汽车功率半导体器件,碳化硅有望成主角?

电力电子网2020-02-13 16:33:39


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1月14日-15日,2017中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆举行,会上,中国工程院院士丁荣军做了基于自主芯片电动汽车功率半导体器件的开发和系统集成的主题演讲。



中国工程院院士 丁荣军


以下为发言实录:
尊敬的各位来宾、各位同行,大家上午好!非常高兴今天有这个机会跟大家汇报,基于自主芯片电动汽车功率半导体器件的开发和系统集成。


我的汇报分三个部分。


首先简单介绍汽车功率半导体器件的发展趋势。


功率半导体器件最早都是由晶闸管后来变成GTO到MOSFET,到现在用得比较多的IGBT器件。IGBT器件跟传统的器件相比,主要是驱动比较简单,同时损耗比较小,比较适合用于牵引传动包括电机控制器等。IGBT器件包括原来讲的功率半导体器件,都被誉为传统系统,在高铁里一样,把它称之为“心脏”。它主要起到能量传输和能量的点的转换,是电机控制系统的CPU。


目前电动汽车器件大概占到控制器总成本的30%左右,目前在国内市场上用的电机控制器芯片基本由外国公司提供。


就控制器技术发展来说,第一阶段是单个模块,到第二阶段有些定制,现在慢慢进入第三阶段,采用双面冷却集成,发展到最后不管是旋转电池、吸热用电池,还是未来冷补电池,可能会把控制器和电机集成到一起去。


现在IGBT发展到第二阶段中间这一块,第三阶段双面结合的正在研究过程中,发展很快即将会推出。


目前,国际上面绝大部分公司汽车用的IGBT器件都是定制的,国内基本采用比较标准的封装形式。下一步估计碳化硅由于它有很多的优越性将会被用到汽车上面,现在由于它量不是很大,再加上成本还是很高,目前在汽车上面应用还是有点困难。


第二部分想汇报一下株洲所这几年关于器件开发做的工作。


株洲所1959年成立,长期从事电驱动系统,口号是“把高铁的技术应用到电动汽车上面来”。最核心的是1964年开始研究的晶闸管,到2008年收购英国Dynex之后,进入IGBT。到2014年开始建8英寸线,2015年建成,现在已经从650伏到6500伏,全系列IGBT将进入市场,并且在去年已经批量出口到印度。


从并购以来,这几年由最早的Dynex平面栅技术到现在高性能沟槽栅芯片技术,我们全面掌握,这为下一步汽车级IGBT开发奠定了非常好的基础。


针对电动汽车应用来说,目前已经开发了三款,包括750V/200A、1200V/200A、750V/300A,300A是双面焊的,后面会介绍到,今天也带来了,有兴趣大家可以看一看,总体性能无论关闸性能还是过载能力,都达到了国际上的领先水平。


建立了完整的8英寸IGBT生产线,从芯片设计、制造和封装都是自己完成的,采用精细化的沟槽设计后,对产品性能有非常好的提升。


这条生产线是世界上第二条8英寸的IGBT生产线,第一条是英国的德夫林建在马来西亚。目前形成的能力是每年10万片芯片,大概30万IGBT,按原来的封装形式是这样的。


功率半导体器件从未来满足用户需求,现在已经可以提供第一代采用平面栅标准模块,到第二代双面沟槽栅,包括同件建核的,包括平面双面焊的,根据用户需求可以提供。


从功率组件角度,通用IGBT建了生产线,从这可以看到,框的这块采用双面焊,把控制平台和整个器件集中到一起,这样也便于整车企业应用,相对比较简单。并且功率密度由原来的每升10-20千瓦,最高提到24-25千瓦。


这是功率半导体组件的建设情况。


采用双面冷却之后,对散热的效率有很大的提升,特别是现在采用智能,把驱动系统和器械结合在一起以后,更加可以提高整个驱动器电机控制器的安全性能。


这是最新批量生产两种型号的产品,第一种型号是额定功率60千瓦,峰值功率到120千瓦,还有额定功率85千瓦,峰值功率125千瓦,功率密度到24L,重量可以看到前面是5.4公斤,后面是5.6公斤,今天把样品带到现场来了。


这是关于功率半导体组件,这是最新的,左下角图可以看到,器械都已经集中到一起,已经不是原来单个IGBT模块的概念,是变流器的概念。


这是下一代正在开发的碳化硅,正在建设生产线,预计今年6、7月份这条生产线会建成。并且现在碳化硅采用IGBT和碳化硅二极管反变量二极管混合型, 1500伏的器械已经在地铁上得到批量应用。


下一步发展规划。


关于IGBT在现在铝工业基础上,下一步第一通过沟槽栅精细技术提高功率技术;第二采用同功率损耗,降低控制器的重量;第三通过开发智能节能芯片,对整个系统是一个健康管理。下一步过渡到碳化硅上面去


目前产品规划,今年开始将推出IGBT功率组件这个产品,到2020年,希望碳化硅的功率模块会推向市场

 (来源:电力电子网;感谢作者的分享,如有侵权,请联系我们;小编微信:lengxue100006)


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