第1个回答 2024-05-21
在视频开始之前，小鲸先问问大家：你们觉得电动车里面，最核心的部件是什么？给大家几个选项：1.电池 2.电机 3.其他部件。我目测选2的人会比较多，那么先恭喜你们答对了！但是电机里面最核心的部件，你知道是什么吗？嗯，它就是咱们这一期视频的主角——IGBT芯片。那么IGBT究竟是何方神圣？所谓IGBT就是绝缘栅双极型晶体管。它是由BJT，也就是双极结型晶体三极管和MOS，也就是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。是不是听的有点晕？首先小鲸先给大家科普下，半导体器件分类。它主要有两种分类方法，是否可控和驱动方式。是否可控里面又细分：不可控型，也就是不能用控制信号控制其通断，比如普通功率二极管。半控型，也就是可以控制导通，但是不能控制关断，比如普通晶闸管。全控型，也就是可以控制其导通和关断，比如IGBT。驱动方式方面，又分为电流驱动和电压驱动。电流驱动就是可以通过电流信号控制导通和关闭，比如三极管BJT。电压驱动，也就是可以通过电压信号控制导通和关闭，比如IGBT。细心的粉丝可能注意到，小鲸我前面说到IGBT是晶体管呀，那么它算不算芯片呢？咱们拿华为麒麟990 5G芯片来举例。它的芯片面积为113.31平方毫米，这么小的地方集成了多达103亿个晶体管。可以看到芯片是由大规模晶体管组成的，所以严格来说，单个IGBT不能归为芯片，而是功率半导体器件。现在一般说IGBT芯片，是指包括了IGBT功率器件和其他很多东西组成的。IGBT的主要工作是控制和传输电能。它可以处理6500W以上的功率，并且工作时可以在短短1秒的时间内，实现10万次电流开关动作。千万不要小看它这个功能哦！目前的电动车，之所以不需要设计复杂的发动机与变速箱等机械系统，IGBT的存在，可谓大功一件。并且IGBT芯片，和咱们日常提到的7nm,5nm集成电路芯片一样，也是国家02专项的重点扶持项目。02专项就是指"十二五"期间国家16个重大技术突破专项中的第二位。也就是说，这块芯片是目前功率电子器件里技术最先进的产品。拿我们常用的电脑举个例子。电脑想要做高速运算的话，它需要CPU。那像咱们高铁或者电动车这样的驱动，也是需要一种器件，去作为电流的变换，而IGBT就是作为电能变换的这么一个CPU。据统计，我国发电总量的60%都用在了各类电机上。如果采用IGBT器件对电机进行升渣返变频调速，电机耗费的电能可以节能大约1/3，即可节约全国总发电量的20%，相当于新建5个三峡大坝的效能。根据工作电压的高低，IGBT模块一般被划分为三类。低压600V以下，中压600V-1200V，高压1700V-6500V。低压IGBT模块一般用于消费电子、汽车零部件领域。中压IGBT模块一般用于新能源汽车、工业控制、家用电器等领域。高压IGBT模块一般用于轨道交通、新能源发电、智能电网等领域。在电动车方面，IGBT成为电动车电驱系统的大头，成本直接占去了一半。而电驱系统在电动车整车的成本占比约为15-20%，这意味着单单是IGBT就占去了整车成本的7-10%。IGBT有多重要？举个形象的比喻，它就好像管你寝室供电的宿管大爷。什么时候给电，什么时候拉闸，大爷轻车熟路。具体给多少电大爷也管，你要是用电不规范，偷偷用大功率电器，通报批评没商量。具体来说，IGBT可以直接控制直流、交流电的转换。决定了驱动系统的扭矩以及最大输出功率。所以你这车加速能力怎样，最高时速多少，能源效率如何全看它。举个例子：比如在电动汽车特斯拉Model 3上面，提供电源的是密密麻麻的电池，这些电池提供400伏直流电。而电动车的电机转动必须用交流电，通过改变电机交流电的频率来改变电机的转速，从而精准的控制车辆行驶的速度和加速能力，这背后都是IGBT的功劳。再比如高铁上面。在火车运行中，要在短时间内将速度从零提升到300公里以上，或者在极短的时间内将正在高速行驶的列车平稳停下来。这看似简单的加速、减速过程，背后需要一系列相关传动设备，牵引变流器以及其他电动设备的配合才行。而这就需要确保各种设备所需的电流、电压极为精准可靠。在目前技术条件下，只有大功率的IGBT，才能满足这一苛刻要求。而且在减速过程中，通过IGBT的作用，还可以将列车减速产生的能量转为电能回馈给电网。可以说，IGBT的装置就是列车运行的"心脏"。那么IGBT的研发难不难？跟传统手机芯片研发一样。IGBT行业的上游产业主要包括半导体材料，比如硅片、光刻胶等等。以及相关设备比如光刻机、刻蚀机等等。IGBT行业根据芯片制造的工序，又可依次划分为芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试三个环节。不过，IGBT芯片相较于手机芯片的制造工艺及设备来说，要求没有这么高。另外不同功率等级的IGBT芯片，也有不同的尺寸大小。一般来说，功率等级越高，芯片的尺寸就会越大。目前IGBT产品最具竞争力的生产线是8英寸和12英寸。世界最为领先的厂商是德国英飞凌，已经在12英寸生产线量产IGBT产品。国内晶圆的生产企业绝大部分，还停留在6英寸产品的阶段。目前国内实现8英寸产品量产的有深圳比亚迪、株洲中车时代和华虹宏力。但其产品良率与国际龙头相比还存在一定差距。最后是IGBT行业的下游产业。它包括广泛的各细分应用市场，IGBT在工业控制、新能源汽车，消费电子、电力储能、轨道交通，家用电器等领域均有大量应用。IGBT的技术，过去长期被极少数经济发达国家所垄断。比如我国机车车辆使用的IGBT模块都要从德国、日本进口，特别是在高等级的IGBT器件上。2008年我国的第一条高铁京津城际铁路开通，随后又开通了更多的高铁线路，对IGBT的需求成倍增加。一个8列标准动车组就需要152个IGBT芯片，光这个芯片的成本就高达将近两百万元，每年中国高铁制造需要向国外采购十万个以上IGBT模块，采购资金超过12亿元人民币。2014年6月，经过6年的不懈努力，由我国自主研制并具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片成功下线。打破了大规模半导体没有自主芯片的历史，预示着我们的高铁拥有了第一颗"中国芯"。最后小鲸我想说：十多年前，IGBT芯片基本是欧洲和日本的天下。高铁用的IGBT被日本三菱重工垄断，电动车的IGBT被德国英飞凌垄断。而如今国内各类企业开始加紧，对IGBT芯片进行自主研发。其中比较有名的就是深圳比亚迪，株洲中车时代电气，杭州士兰微等等。目前复兴号所涉及的高速动车组的254项重要标准中，中国标准占到了84%。高铁跑得快，全靠电机带。其中复兴号的心脏也就是牵引电机。它拥有1152个IGBT芯片，这种能让高铁平稳运行的芯片，目前株洲中车自主研发的生产线，每年可以生产50万个。中国中车生产的IGBT芯片，不仅可以满足自己的需求，还可以达到出口国外的标准，也已达到世界一流水平。不得不说，中国标准的意义就在于每一项核心突破，拉动的都是整个体系的升级。而一个个体系的升级，最终使得中国制造走向全球。详情