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丁榮軍:汽車功率半導體器件的發(fā)展趨勢

  我的匯報分三個部分。

  首先簡單介紹汽車功率半導體器件的發(fā)展趨勢。

  功率半導體器件最早都是由晶閘管后來變成GTO到MOSFET,到現(xiàn)在用得比較多的IGBT器件。IGBT器件跟傳統(tǒng)的器件相比,主要是驅(qū)動比較簡單,同時損耗比較小,比較適合用于牽引傳動包括電機控制器等。IGBT器件包括原來講的功率半導體器件,都被譽為傳統(tǒng)系統(tǒng),在高鐵里一樣,把它稱之為“心臟”。它主要起到能量傳輸和能量的點的轉(zhuǎn)換,是電機控制系統(tǒng)的CPU。

  目前電動汽車器件大概占到控制器總成本的30%左右,目前在國內(nèi)市場上用的電機控制器芯片基本由外國公司提供。

  就控制器技術發(fā)展來說,第一階段是單個模塊,到第二階段有些定制,現(xiàn)在慢慢進入第三階段,采用雙面冷卻集成,發(fā)展到最后不管是旋轉(zhuǎn)電池、吸熱用電池,還是未來冷補電池,可能會把控制器和電機集成到一起去。

  現(xiàn)在IGBT發(fā)展到第二階段中間這一塊,第三階段雙面結(jié)合的正在研究過程中,發(fā)展很快即將會推出。

  目前,國際上面絕大部分公司汽車用的IGBT器件都是定制的,國內(nèi)基本采用比較標準的封裝形式。下一步估計碳化硅由于它有很多的優(yōu)越性將會被用到汽車上面,現(xiàn)在由于它量不是很大,再加上成本還是很高,目前在汽車上面應用還是有點困難。

  第二部分想?yún)R報一下株洲所這幾年關于器件開發(fā)做的工作。

  株洲所1959年成立,長期從事電驅(qū)動系統(tǒng),口號是“把高鐵的技術應用到電動汽車上面來”。最核心的是1964年開始研究的晶閘管,到2008年收購英國Dynex之后,進入IGBT。到2014年開始建8英寸線,2015年建成,現(xiàn)在已經(jīng)從650伏到6500伏,全系列IGBT將進入市場,并且在去年已經(jīng)批量出口到印度。

  從并購以來,這幾年由最早的Dynex平面柵技術到現(xiàn)在高性能溝槽柵芯片技術,我們?nèi)嬲莆?,這為下一步汽車級IGBT開發(fā)奠定了非常好的基礎。

  針對電動汽車應用來說,目前已經(jīng)開發(fā)了三款,包括750V/200A、1200V/200A、750V/300A,300A是雙面焊的,后面會介紹到,今天也帶來了,有興趣大家可以看一看,總體性能無論關閘性能還是過載能力,都達到了國際上的領先水平。

  建立了完整的8英寸IGBT生產(chǎn)線,從芯片設計、制造和封裝都是自己完成的,采用精細化的溝槽設計后,對產(chǎn)品性能有非常好的提升。

  這條生產(chǎn)線是世界上第二條8英寸的IGBT生產(chǎn)線,第一條是英國的德夫林建在馬來西亞。目前形成的能力是每年10萬片芯片,大概30萬IGBT,按原來的封裝形式是這樣的。

  功率半導體器件從未來滿足用戶需求,現(xiàn)在已經(jīng)可以提供第一代采用平面柵標準模塊,到第二代雙面溝槽柵,包括同件建核的,包括平面雙面焊的,根據(jù)用戶需求可以提供。

  整個工藝在這時間關系不具體介紹,如果大家有興趣也歡迎去株洲看一看。

  從功率組件角度,通用IGBT建了生產(chǎn)線,從這可以看到,框的這塊采用雙面焊,把控制平臺和整個器件集中到一起,這樣也便于整車企業(yè)應用,相對比較簡單。并且功率密度由原來的每升10-20千瓦,最高提到24-25千瓦。

  這是功率半導體組件的建設情況。

  采用雙面冷卻之后,對散熱的效率有很大的提升,特別是現(xiàn)在采用智能,把驅(qū)動系統(tǒng)和器械結(jié)合在一起以后,更加可以提高整個驅(qū)動器電機控制器的安全性能。

  這是最新批量生產(chǎn)兩種型號的產(chǎn)品,第一種型號是額定功率60千瓦,峰值功率到120千瓦,還有額定功率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,今天把樣品帶到現(xiàn)場來了。

  這是關于功率半導體組件,這是最新的,左下角圖可以看到,器械都已經(jīng)集中到一起,已經(jīng)不是原來單個IGBT模塊的概念,是變流器的概念。

  這是下一代正在開發(fā)的碳化硅,正在建設生產(chǎn)線,預計今年6、7月份這條生產(chǎn)線會建成。并且現(xiàn)在碳化硅采用IGBT和碳化硅二極管反變量二極管混合型,1500伏的器械已經(jīng)在地鐵上得到批量應用。

  下一步發(fā)展規(guī)劃。

  關于IGBT在現(xiàn)在工業(yè)基礎上,下一步第一通過溝槽柵精細技術提高功率技術;第二采用同功率損耗,降低控制器的重量;第三通過開發(fā)智能節(jié)能芯片,對整個系統(tǒng)是一個健康管理。下一步過渡到碳化硅上面去。

  目前產(chǎn)品規(guī)劃,今年開始將推出IGBT功率組件這個產(chǎn)品,到2020年,希望碳化硅的功率模塊會推向市場。

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