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為什麽說新能源汽車的核心是IGBT?

IGBT約占電機驅動系統成本的壹半,而電機驅動系統占整車成本的15-20%,也就是說IGBT占整車成本的7-10%,是除電池之外成本第二高的元件,也決定了整車的能源效率。不僅電機驅動要用IGBT,新能源的發電機和空調部分壹般也需要IGBT。 不僅是新能源車,直流充電樁和機車(高鐵)的核心也是IGBT管,直流充電樁30%的原材料成本就是IGBT。電力機車壹般需要 500 個IGBT 模塊,動車組需要超過100個IGBT模塊,壹節地鐵需要50-80個 IGBT 模塊。三菱電機的HVIGBT已經成為業內默認的標準,中國的高速機車用IGBT由三菱完全壟斷,同時歐洲的阿爾斯通、西門子、龐巴迪也是壹半以上采用三菱電機的IGBT。

除了日系廠家,英飛淩包攬了幾乎所有電動車的IGBT,而三菱電機則沈醉於中國高鐵的豐厚利潤中無法自拔,在低於2500V市場幾乎壹無所獲。2016年全球電動車銷量大約200萬輛,***消耗了大約9億美元的IGBT管,平均每輛車大約450美元,是電動車裏除電池外最昂貴的部件。其中,混合動力和PHEV大約77萬輛,每輛車需要大約300美元的IGBT,純電動車大約123萬輛,平均每輛車使用540美元的IGBT,大功率的純電公交車用的IGBT可能超過1000美元。

什麽是 IGBT?IGBT是由BJT(雙極型三極管)和MOS(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。與以前的各種電力電子器件相比,IGBT具有以下特點:高輸入阻抗,可采用通用低成本的驅動線路;高速開關特性;導通狀態低損耗。IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點, 在綜合性能方面占有明顯優勢,非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。對於混合動力,除驅動電機外,另外還有壹個發電機,可以由汽車的發動機帶動其發電,然後通過IGBT模塊AC/DC轉換後向電池充電。在DM車型中,該發電機還可以充當驅動電機的作用。IGBT最常見的形式其實是模塊(Module),而不是單管。模塊的3個基本特征:多個芯片以絕緣方式組裝到金屬基板上;空心塑殼封裝,與空氣的隔絕材料是高壓矽脂或者矽脂,以及其他可能的軟性絕緣材料; 同壹個制造商、同壹技術系列的產品,IGBT模塊的技術特性與同等規格的IGBT 單管基本相同。

模塊的主要優勢有以下幾個多個IGBT芯片並聯,IGBT的電流規格更大。多個IGBT芯片按照特定的電路形式組合,如半橋、全橋等,可以減少外部電路連接的復雜性。多個IGBT芯片處於同壹個金屬基板上,等於是在獨立的散熱器與IGBT芯片之間增加了壹塊均熱板,工作更可靠。壹個模塊內的多個IGBT芯片經過了模塊制造商的篩選,其參數壹致性比市售分立元件要好。模塊中多個IGBT芯片之間的連接與多個分立形式的單管進行外部連接相比,電路布局更好,引線電感更小。模塊的外部引線端子更適合高壓和大電流連接。同壹制造商的同系列產品,模塊的最高電壓等級壹般會比IGBT 單管高1-2個等級,如果單管產品的最高電壓規格為1700V,則模塊有2500V、3300V 乃至更高電壓規格的產品。晶圓上的壹個最小全功能單元稱為Cell,晶圓分割後的最小單元,構成IGBT 單管或者模塊的壹個單元的芯片單元,合稱為IGBT的管芯。

壹個IGBT管芯稱為模塊的壹個單元,也稱為模塊單元、模塊的管芯。模塊單元與IGBT管芯的區別在最終產品,模塊單元沒有獨立的封裝,而管芯都有獨立的封裝,成為壹個IGBT管。近來還有壹種叫IPM的模塊,把門級驅動和保護電路也封裝進IGBT模塊內部,這是給那些最懶的工程師用的,不過工作頻率自然不能太高咯。單管的價格要遠低於模塊,但是單管的可靠性遠不及模塊。全球除特斯拉和那些低速電動車外,全部都是使用模塊,只有特斯拉對成本的重視程度遠高於對人命的重視程度。特斯拉Model X使用132個IGBT管,由英飛淩提供,其中後電機為96個,前電機為36個,每個單管的價格大約4-5美元,合計大約650美元。如果改用模塊的話,估計需要12-16個模塊,成本大約1200-1600美元。特斯拉使用單管的原因主要是成本,尤其是其功率比壹般的電動車要大不少,加上設計開發周期短,不得不采用單管設計。相比寶馬I3,采用英飛淩新型HybridPACK 2模塊設計,每個模塊內含6個單管型IGBT,750V/660A,電流超大,只需要兩個模塊即可,體積大大縮小,成本大約300美元。

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