IGBT约占电机驱动系统成本的一半 决定了整车的能源效率
编者按
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。
对新能源车来说，电池、vcu、bsm、电机效率都缺乏提升空间，最有提升空间的当属电机驱动部分，而电机驱动部分最核心的元件igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管芯片）则是最需要重视的。
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。
不仅电机驱动要用igbt，新能源的发电机和空调部分一般也需要igbt。不仅是新能源车，直流充电桩和机车（高铁）的核心也是igbt管，直流充电桩30%的原材料成本就是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。
三菱电机的hvigbt已经成为业内默认的标准，中国的高速机车用igbt由三菱完全垄断，同时欧洲的阿尔斯通、西门子、庞巴迪也是一半以上采用三菱电机的igbt。
除了日系厂家，英飞凌包揽了几乎所有电动车的igbt，而三菱电机则沉醉于中国高铁的丰厚利润中无法自拔，在低于2500v市场几乎一无所获。
2016年全球电动车销量大约200万辆，共消耗了大约9亿美元的igbt管，平均每辆车大约450美元，是电动车里除电池外最昂贵的部件。
其中，混合动力和phev大约77万辆，每辆车需要大约300美元的igbt，纯电动车大约123万辆，平均每辆车使用540美元的igbt，大功率的纯电公交车用的igbt可能超过1000美元。
什么是 igbt？
igbt是由bjt（双极型三极管）和mos（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
与以前的各种电力电子器件相比，igbt具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性；导通状态低损耗。
igbt兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点，在综合性能方面占有明显优势，非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
上图主要是通过脉冲宽度调制(pwm)的方式控制igbt开关，将电流从dc转换到ac（电池到电机，驱动电机)或者从ac转化到dc（电机到电池，刹车、下坡时能量回收）。
对于混合动力，除驱动电机外，另外还有一个发电机，可以由汽车的发动机带动其发电，然后通过igbt模块ac/dc转换后向电池充电。在dm车型中，该发电机还可以充当驱动电机的作用。
igbt最常见的形式其实是模块（module），而不是单管。模块的3个基本特征：
多个芯片以绝缘方式组装到金属基板上；
空心塑壳封装，与空气的隔绝材料是高压硅脂或者硅脂，以及其他可能的软性绝缘材料；
同一个制造商、同一技术系列的产品，igbt模块的技术特性与同等规格的igbt 单管基本相同。
模块的主要优势有以下几个：
多个igbt芯片并联，igbt的电流规格更大。
多个igbt芯片按照特定的电路形式组合，如半桥、全桥等，可以减少外部电路连接的复杂性。
多个igbt芯片处于同一个金属基板上，等于是在独立的散热器与igbt芯片之间增加了一块均热板，工作更可靠。
一个模块内的多个igbt芯片经过了模块制造商的筛选，其参数一致性比市售分立元件要好。
模块中多个igbt芯片之间的连接与多个分立形式的单管进行外部连接相比，电路布局更好，引线电感更小。
模块的外部引线端子更适合高压和大电流连接。同一制造商的同系列产品，模块的最高电压等级一般会比igbt 单管高1-2个等级，如果单管产品的最高电压规格为1700v，则模块有2500v、3300v 乃至更高电压规格的产品。
晶圆上的一个最小全功能单元称为cell，晶圆分割后的最小单元，构成igbt 单管或者模块的一个单元的芯片单元，合称为igbt的管芯。
一个igbt管芯称为模块的一个单元，也称为模块单元、模块的管芯。模块单元与igbt管芯的区别在最终产品，模块单元没有独立的封装，而管芯都有独立的封装，成为一个igbt管。
近来还有一种叫ipm的模块，把门级驱动和保护电路也封装进igbt模块内部，这是给那些最懒的工程师用的，不过工作频率自然不能太高咯。
单管的价格要远低于模块，但是单管的可靠性远不及模块。全球除特斯拉和那些低速电动车外，全部都是使用模块，只有特斯拉对成本的重视程度远高于对人命的重视程度。
特斯拉model x使用132个igbt管，由英飞凌提供，其中后电机为96个，前电机为36个，每个单管的价格大约4-5美元，合计大约650美元。
如果改用模块的话，估计需要12-16个模块，成本大约1200-1600美元。特斯拉使用单管的原因主要是成本，尤其是其功率比一般的电动车要大不少，加上设计开发周期短，不得不采用单管设计。
相比宝马i3，采用英飞凌新型hybridpack 2模块设计，每个模块内含6个单管型igbt，750v/660a，电流超大，只需要两个模块即可，体积大大缩小，成本大约300美元。
采用英飞凌的新型hybridpack 2模块设计，每个模块内含6个单管型igbt，750v/660a，电流超大，只需要两个模块即可，体积大大缩小。
典型新能源车功率系统对比：
可以看出丰田的功率密度是国内密度的三倍左右，差距巨大。
igbt目前已经发展到7.5代，第7代由三菱电机在2012年推出，三菱电机目前的水平可以看作7.5代，同时igbt的下一代sic技术已经在日本全面普及，无论三菱这样的大厂还是fuji、rohm这样的小厂都有能力轻松制造出sic元件，我国目前停留在第三代水平上，差距在20年以上。
igbt的关键：散热和背板工艺
igbt的关键有两点，一是散热，二是背板工艺。
igbt的正面工艺和标准bcd的ldmos没区别，区别在背面，背面工艺有几点，首先是减薄，大约需要减薄6-8毫米，减得太多容易碎片，减得太少没有效果。接下来是离子注入，注入一层薄磷做缓冲层，第四代需要两次注入磷，本来硅片就很薄了，两次注入很容易碎片。
然后是清洗，接下来金属化，在背面蒸镀一层钛或银，最后是alloy，因为硅片太薄，很容易翘曲或碎片。英飞凌特别擅长减薄技术。
*全球igbt企业排名
这些工艺不仅需要长期摸索，同时还需要针对工艺开发生产设备，只有对生产线和设备都非常精通的企业才能胜任。
*ev用功率模块封装技术发展
自第六代以后，igbt自身的潜力已经挖掘的差不多了，大家都把精力转移到igbt的封装上，也就是散热。
车用igbt的散热效率要求比工业级要高得多，逆变器内温度最高可达大20度，同时还要考虑强振动条件，车规级的igbt远在工业级之上。
工业级igbt与车规级igbt对比：
解决散热的第一点，就是提高 igbt模块内部的导热导电性能、耐受功率循环的能力， igbt模块内部引线技术经历了粗铝线键合、 铝带键合再到铜线键合的过程，提高了载流密度。
第二点，新的焊接工艺，传统焊料为锡铅合金， 成本低廉、工艺简单， 但存在环境污染问题， 且车用功率模块的芯片温度已经接近锡铅焊料熔点（220℃）。
解决该问题的新技术主要有：低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。与传统工艺相比， 银烧结技术的导热性、耐热性更好， 具有更高的可靠性。
瞬态液相扩散焊接通过特殊工艺形成金属合金层， 熔点比传统焊料高， 机械性能更好。三菱则使用超声波焊接。
第三点，改进dbc和模块底板，降低散热热阻， 提高热可靠性， 减小体积，降低成本等。以 aln 和 alsic 等材料取代 dbc 中的al2o3和si3n4等常规陶瓷，热导率更高，与si 材料的热膨胀系数匹配更好。
此外，新型的散热结构，如 pin fin结构 和 shower power结构， 能够显著降低模块的整体热阻，提高散热效率。
第四点，就是扩大模块与散热底板间的连接面积，如端子压接技术。
散热的关键是材料，而材料科学是一个国家基础科学的体现，中国在这方面非常落后，日本则遥遥领先，不仅在德国之上，还在美国之上。
igbt的下一代sic（碳化硅）技术已经崭露头角，鉴于它的重要性，丰田决定完全自主生产，实际丰田sic的研究自上世纪80年代就开始了，足足领先全球30年。
sic能将新能源车的效率再提高10%，这是新能源车提高效率最有效的技术。丰田汽车就表示：“sic具有与汽油发动机同等的重要性。”
sic有多重要？
目前限制sic应用主要是两方面，一是价格，其价格是传统si型igbt的6倍。其次是电磁干扰。 sic的开关频率远高于传统si型igbt，回路寄生参数已经大到无法忽略。
sic基板是关键，落后日本企业很多的英飞凌在2016年7月决定收购美国cree集团旗下的电源和rf部门（“wolfspeed”），其核心就是sic基板技术。
不过在2017年2月，美国的外国投资委员会（cfius）以关系到国家安全的原因否定了这项收购，美国之所以否定这项收购，是保护美国为数极少的先进工业技术，对日本厂家来说，sic基板都没有丝毫难度，三菱、丰田、罗姆、富士电机、日立、瑞萨、东芝都有能力自己制造，全部是内部开发的技术。意法半导体技术也不错。
2014年5月20日，鉴于sic的重要性，丰田特别召开了新闻发布会，宣布与电装、丰田中央研究所合作开发出了sic功率半导体。
丰田开发的集成sic晶体管的4英寸（100mm）晶圆（左）与集成了sic二极管的4英寸晶圆（右）。
目前丰田正在研发混动版的佳美使用sic，还有就是丰田的氢燃料电池公交车也在试验使用sic，本田则在自己的氢燃料电池车使用了罗姆的sic的mosfet。目前sic都是试验用的4英寸晶圆线，只有三菱启用了6英寸生产线，成本较低。
丰田预计2018年也启用6英寸生产线，可能在2021年丰田的混动和氢燃料电池车将全面使用sic。
WK302851*T-15G型DC-DC电源模块产品概述
为什么一般都在运算放大器输入端串联电阻和电容？
基于芯片测试的环路滤波器设计
锂电池的种类及其优缺点
高速无刷电机的温升是如何受材料的影响的？
IGBT约占电机驱动系统成本的一半 决定了整车的能源效率
智能家居的延伸，智能酒店与车联网的商机
中国电科38所:研制的量子雷达探测距离达到1500万公里
苏珊米勒今日运势2018年11月9日
中国市场FPGA产业竞争格局现状分析
英特尔研究院发布全新AI扩散模型，可根据文本提示生成360度全景图
首创AI语音电梯在北京海淀医院试运行
aigo移动固态硬盘S7 Pro体验，装个Win to Go更便捷高效
Mobility Radeon 9600移动显示芯片
SRAM中晶圆级芯片级封装有哪些要求
基于区块链的另类市场为何无法普及
多家公司加大锂盐布局产能 2018年锂盐供给仍然偏紧
初创公司Elve让功率放大器成本大幅下降
10款欧洲车型高速公路辅助系统测试结果
光谷小巨人普赛斯十余年专心做“数字源表”
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。
对新能源车来说，电池、vcu、bsm、电机效率都缺乏提升空间，最有提升空间的当属电机驱动部分，而电机驱动部分最核心的元件igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管芯片）则是最需要重视的。
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。
不仅电机驱动要用igbt，新能源的发电机和空调部分一般也需要igbt。不仅是新能源车，直流充电桩和机车（高铁）的核心也是igbt管，直流充电桩30%的原材料成本就是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。
三菱电机的hvigbt已经成为业内默认的标准，中国的高速机车用igbt由三菱完全垄断，同时欧洲的阿尔斯通、西门子、庞巴迪也是一半以上采用三菱电机的igbt。
除了日系厂家，英飞凌包揽了几乎所有电动车的igbt，而三菱电机则沉醉于中国高铁的丰厚利润中无法自拔，在低于2500v市场几乎一无所获。
2016年全球电动车销量大约200万辆，共消耗了大约9亿美元的igbt管，平均每辆车大约450美元，是电动车里除电池外最昂贵的部件。
其中，混合动力和phev大约77万辆，每辆车需要大约300美元的igbt，纯电动车大约123万辆，平均每辆车使用540美元的igbt，大功率的纯电公交车用的igbt可能超过1000美元。
什么是 igbt？
igbt是由bjt（双极型三极管）和mos（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
与以前的各种电力电子器件相比，igbt具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性；导通状态低损耗。
igbt兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点，在综合性能方面占有明显优势，非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
上图主要是通过脉冲宽度调制(pwm)的方式控制igbt开关，将电流从dc转换到ac（电池到电机，驱动电机)或者从ac转化到dc（电机到电池，刹车、下坡时能量回收）。
对于混合动力，除驱动电机外，另外还有一个发电机，可以由汽车的发动机带动其发电，然后通过igbt模块ac/dc转换后向电池充电。在dm车型中，该发电机还可以充当驱动电机的作用。
igbt最常见的形式其实是模块（module），而不是单管。模块的3个基本特征：
多个芯片以绝缘方式组装到金属基板上；
空心塑壳封装，与空气的隔绝材料是高压硅脂或者硅脂，以及其他可能的软性绝缘材料；
同一个制造商、同一技术系列的产品，igbt模块的技术特性与同等规格的igbt 单管基本相同。
模块的主要优势有以下几个：
多个igbt芯片并联，igbt的电流规格更大。
多个igbt芯片按照特定的电路形式组合，如半桥、全桥等，可以减少外部电路连接的复杂性。
多个igbt芯片处于同一个金属基板上，等于是在独立的散热器与igbt芯片之间增加了一块均热板，工作更可靠。
一个模块内的多个igbt芯片经过了模块制造商的筛选，其参数一致性比市售分立元件要好。
模块中多个igbt芯片之间的连接与多个分立形式的单管进行外部连接相比，电路布局更好，引线电感更小。
模块的外部引线端子更适合高压和大电流连接。同一制造商的同系列产品，模块的最高电压等级一般会比igbt 单管高1-2个等级，如果单管产品的最高电压规格为1700v，则模块有2500v、3300v 乃至更高电压规格的产品。
晶圆上的一个最小全功能单元称为cell，晶圆分割后的最小单元，构成igbt 单管或者模块的一个单元的芯片单元，合称为igbt的管芯。
一个igbt管芯称为模块的一个单元，也称为模块单元、模块的管芯。模块单元与igbt管芯的区别在最终产品，模块单元没有独立的封装，而管芯都有独立的封装，成为一个igbt管。
近来还有一种叫ipm的模块，把门级驱动和保护电路也封装进igbt模块内部，这是给那些最懒的工程师用的，不过工作频率自然不能太高咯。
单管的价格要远低于模块，但是单管的可靠性远不及模块。全球除特斯拉和那些低速电动车外，全部都是使用模块，只有特斯拉对成本的重视程度远高于对人命的重视程度。
特斯拉model x使用132个igbt管，由英飞凌提供，其中后电机为96个，前电机为36个，每个单管的价格大约4-5美元，合计大约650美元。
如果改用模块的话，估计需要12-16个模块，成本大约1200-1600美元。特斯拉使用单管的原因主要是成本，尤其是其功率比一般的电动车要大不少，加上设计开发周期短，不得不采用单管设计。
相比宝马i3，采用英飞凌新型hybridpack 2模块设计，每个模块内含6个单管型igbt，750v/660a，电流超大，只需要两个模块即可，体积大大缩小，成本大约300美元。
采用英飞凌的新型hybridpack 2模块设计，每个模块内含6个单管型igbt，750v/660a，电流超大，只需要两个模块即可，体积大大缩小。
典型新能源车功率系统对比：
可以看出丰田的功率密度是国内密度的三倍左右，差距巨大。
igbt目前已经发展到7.5代，第7代由三菱电机在2012年推出，三菱电机目前的水平可以看作7.5代，同时igbt的下一代sic技术已经在日本全面普及，无论三菱这样的大厂还是fuji、rohm这样的小厂都有能力轻松制造出sic元件，我国目前停留在第三代水平上，差距在20年以上。
igbt的关键：散热和背板工艺
igbt的关键有两点，一是散热，二是背板工艺。
igbt的正面工艺和标准bcd的ldmos没区别，区别在背面，背面工艺有几点，首先是减薄，大约需要减薄6-8毫米，减得太多容易碎片，减得太少没有效果。接下来是离子注入，注入一层薄磷做缓冲层，第四代需要两次注入磷，本来硅片就很薄了，两次注入很容易碎片。
然后是清洗，接下来金属化，在背面蒸镀一层钛或银，最后是alloy，因为硅片太薄，很容易翘曲或碎片。英飞凌特别擅长减薄技术。
*全球igbt企业排名
这些工艺不仅需要长期摸索，同时还需要针对工艺开发生产设备，只有对生产线和设备都非常精通的企业才能胜任。
*ev用功率模块封装技术发展
自第六代以后，igbt自身的潜力已经挖掘的差不多了，大家都把精力转移到igbt的封装上，也就是散热。
车用igbt的散热效率要求比工业级要高得多，逆变器内温度最高可达大20度，同时还要考虑强振动条件，车规级的igbt远在工业级之上。
工业级igbt与车规级igbt对比：
解决散热的第一点，就是提高 igbt模块内部的导热导电性能、耐受功率循环的能力， igbt模块内部引线技术经历了粗铝线键合、 铝带键合再到铜线键合的过程，提高了载流密度。
第二点，新的焊接工艺，传统焊料为锡铅合金， 成本低廉、工艺简单， 但存在环境污染问题， 且车用功率模块的芯片温度已经接近锡铅焊料熔点（220℃）。
解决该问题的新技术主要有：低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。与传统工艺相比， 银烧结技术的导热性、耐热性更好， 具有更高的可靠性。
瞬态液相扩散焊接通过特殊工艺形成金属合金层， 熔点比传统焊料高， 机械性能更好。三菱则使用超声波焊接。
第三点，改进dbc和模块底板，降低散热热阻， 提高热可靠性， 减小体积，降低成本等。以 aln 和 alsic 等材料取代 dbc 中的al2o3和si3n4等常规陶瓷，热导率更高，与si 材料的热膨胀系数匹配更好。
此外，新型的散热结构，如 pin fin结构 和 shower power结构， 能够显著降低模块的整体热阻，提高散热效率。
第四点，就是扩大模块与散热底板间的连接面积，如端子压接技术。
散热的关键是材料，而材料科学是一个国家基础科学的体现，中国在这方面非常落后，日本则遥遥领先，不仅在德国之上，还在美国之上。
igbt的下一代sic（碳化硅）技术已经崭露头角，鉴于它的重要性，丰田决定完全自主生产，实际丰田sic的研究自上世纪80年代就开始了，足足领先全球30年。
sic能将新能源车的效率再提高10%，这是新能源车提高效率最有效的技术。丰田汽车就表示：“sic具有与汽油发动机同等的重要性。”
sic有多重要？
目前限制sic应用主要是两方面，一是价格，其价格是传统si型igbt的6倍。其次是电磁干扰。 sic的开关频率远高于传统si型igbt，回路寄生参数已经大到无法忽略。
sic基板是关键，落后日本企业很多的英飞凌在2016年7月决定收购美国cree集团旗下的电源和rf部门（“wolfspeed”），其核心就是sic基板技术。
不过在2017年2月，美国的外国投资委员会（cfius）以关系到国家安全的原因否定了这项收购，美国之所以否定这项收购，是保护美国为数极少的先进工业技术，对日本厂家来说，sic基板都没有丝毫难度，三菱、丰田、罗姆、富士电机、日立、瑞萨、东芝都有能力自己制造，全部是内部开发的技术。意法半导体技术也不错。
2014年5月20日，鉴于sic的重要性，丰田特别召开了新闻发布会，宣布与电装、丰田中央研究所合作开发出了sic功率半导体。
丰田开发的集成sic晶体管的4英寸（100mm）晶圆（左）与集成了sic二极管的4英寸晶圆（右）。
目前丰田正在研发混动版的佳美使用sic，还有就是丰田的氢燃料电池公交车也在试验使用sic，本田则在自己的氢燃料电池车使用了罗姆的sic的mosfet。目前sic都是试验用的4英寸晶圆线，只有三菱启用了6英寸生产线，成本较低。
丰田预计2018年也启用6英寸生产线，可能在2021年丰田的混动和氢燃料电池车将全面使用sic。
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IGBT约占电机驱动系统成本的一半 决定了整车的能源效率
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苏珊米勒今日运势2018年11月9日
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