专栏 | 为什么说新能源汽车的核心是IGBT？

雷锋网按：本文为雷锋网独家专栏，作者系佐思产研研究总监周彦武，雷锋网经授权发布。

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。也正因为IGBT太重要，丰田在开发混合动力车时就认定IGBT管要完全控制在手中，丰田也是全球唯一能够自产IGBT管的汽车厂家（自产，而不是买别人的晶圆再做封装），普锐斯也因此获得强大的生命力，也是目前全球唯一的强混合动力车。

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。

和MOS相比，IGBT管在低于400伏的低压领域完全无优势，无论开关频率还是价格，MOS优势都非常明显。400伏领域，安森美刚刚收购的仙童半导体居于领导地位。

汽车主要是600V到1200V之间，英飞凌具有压倒性优势，安森美虽然在600V-1200V领域也有市场，但主要是非车载领域。三菱和富士电机，则分享了日本市场。而丰田混动所用的IGBT全部内部完成，不假手外人。

什么是 IGBT？

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）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。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点：驱动功率小而饱和压降低，是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件。

IGBT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）。

这个原理类似空调的变频，变频空调中都装有变频器，这个变频控制器是如何工作的？

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。

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。全球除特斯拉和河北山东那些低速电动车外，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，绝大多数厂家的IGBT生产线设备都是内部开发的，特别是日本。

IGBT每升一级一代，无论硅片还是封装设备都需要企业内部完成，而中国习惯买生产线，根本没有自制设备的能力，更不要说升级设备。

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， Semikron 的 SkiN 技术已采用了银烧结工艺。

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， Infineon已经将其应用在衬板焊接工艺中。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。三菱第七代采用了厚铜陶瓷基板，大大提高热导率。

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。要知道丰田是车企，而不是功率半导体企业，SiC基板是关键，2014年丰田已经能试产SiC。 

三菱电机从 1994 年开始，已经启动碳化硅的功率器件的研究，至今已有 20 多款产品面世，部分产品应用在日本新干线和 700 系列车上。三菱电机在牵引变流器、工业自动化、变频空调器里面都已采用混合碳化硅功率模块，并实现商业化。

顺便说下，三菱电机功率器件的CTO是位美国人，但美国人热衷于互联网等偏软件层面赚快钱的科技，这位GourabMajumdar 博士郁郁不得志，到了三菱后就大展拳脚。

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，实际英飞凌只是拿来做电动车的功率管，丝毫不会威胁美国的国家安全，再说Wolfspeed的SiC基板主要还是用在LED和RF领域，英飞凌能否成功将其用于车载领域还是一个未知数。

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。

在丰田指挥SiC功率半导体开发的丰田第3电子开发部部属主任担当部长滨田公守说：“我们要领先行业，率先（为量产车）配备（SiC功率半导体）。” 

2013年12月，已在广濑工厂（爱知县丰田市）建设了SiC功率半导体专用试制开发生产线。

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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