什么是IGBT（为什么说新能源汽车的核心是IGBT）

对于新能源汽车，电池、VCU、BSM和电机效率都缺乏提升空间。电机驱动部分最有提升空间，电机驱动部分的核心部件IGBT(绝缘栅双极晶体管芯片)最需要关注。

IGBT占电机驱动系统成本的一半左右，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%，是除电池外第二贵的部件，也决定了整车的能效。

不仅电机驱动需要IGBT，新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT。不仅新能源汽车的核心，DC充电桩和机车(高铁)都是IGBT管，DC充电桩30%的原材料成本都是IGBT。电力机车一般需要500个IGBT模块，动车组需要100多个IGBT模块，一条地铁需要50-80个IGBT模块。

三菱电机的HVIGBT已经成为行业默认标准，中国高速机车的IGBT完全被三菱垄断，欧洲的阿尔斯通、西门子、庞巴迪也有一半以上使用三菱电机的IGBT。

除了日系厂商，英飞凌几乎包揽了IGBT所有的电动车，而三菱电机沉迷于中国高铁的暴利，在2500V V以下市场几乎一无所获

2016年全球电动车销量约200万辆，IGBT管消费约9亿美元，平均每辆约450美元。它是电动汽车中除电池外最昂贵的部件。

其中，约有77万辆混合动力和PHEV汽车，每辆汽车需要约300美元IGBT，123万辆纯电动汽车平均每辆汽车使用540美元IGBT。大功率纯电动公交车的IGBT可能超过1000美元。

什么是IGBT？

IGBT是由BJT(双极晶体管)和MOS(绝缘栅场效应晶体管)组成的复合全控压驱动功率半导体器件。

与以往的电力电子器件相比，IGBT具有以下特点：高输入阻抗、通用低成本驱动电路；高速开关特性；导通状态下的低损耗。

IGBT兼具MOSFET输入阻抗高和GTR导通压降小的优点，综合性能优势明显。非常适用于DC电压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。

上图主要是通过脉宽调制(PWM)控制IGBT开关，将电流从DC转换成交流电(电池到电机，驱动电机)或者从交流电转换成DC(电机到电池，制动和下坡时的能量回收)。

对于混合动力来说，除了驱动电机，还有一个发电机，可以由汽车的发动机驱动发电，然后通过IGBT模块进行交流/DC转换后给电池充电。在DM型号中，发电机也可用作驱动电机。

IGBT最常见的形式实际上是一个模块，而不是单管。该模块的三个基本特征：

将多个芯片绝缘组装在金属基板上；

中空塑料外壳包装，与空气的隔离材料是高压硅脂或硅脂，以及其他可能的软质绝缘材料；

对于同一厂家、同一技术系列的产品，IGBT模块的技术特性与同规格的IGBT单管基本相同。

该模块的主要优点如下：

多个IGBT芯片并联，IGBT的电流规格较大。

多个IGBT芯片按照特定的电路形式组合，如半桥和全桥，可以降低外部电路连接的复杂度。

多个IGBT芯片位于同一金属基板上，相当于在独立的散热器和IGBT芯片之间增加了一个蒸汽室，工作更加可靠。

一个模块中的多个IGBT芯片经过了模块厂商的筛选，参数一致性优于市售分立元件。

与多个分立单管的外接相比，模块中多个IGBT芯片之间的连接具有更好的电路布局和更小的引线电感。

模块的外部引线端子更适合高电压和高电流连接。对于同一厂家的同系列产品，模块的最高电压等级一般比IGBT单管高1-2级。如果单管产品最高电压规格是1700V，模块有2500V，3300V甚至更高电压规格的产品。

晶圆上最小的全功能单元称为Cell，晶圆分割后构成IGBT单管或模块单元的最小单元统称为IGBT管芯。

IGBT模具被称为模块的单元，也称为模块单元和模块的模具。模块单元和IGBT管芯的区别在于最终产品。模块单元没有独立封装，但管芯有独立封装，成为IGBT管。

最近又有一个模块叫IPM，把门级的驱动和保护电路封装成IGBT模块。这是给最懒的工程师用的，但是工作频率不能太高。

单管的价格远低于模块，但单管的可靠性远不及模块。除了特斯拉和那些低速电动车，全世界都用模块。只是特斯拉对成本的重视远远超过对人命的重视。

特斯拉Model X使用132个IGBT管，由英飞凌提供，包括96个后置电机和36个前置电机。单管价格约4-5美元，合计约650美元。

如果换成模块，估计需要12-16个模块，费用在1200-1600美元左右。特斯拉之所以采用单管，主要是成本问题，尤其是其功率远大于普通电动车，设计研发周期短，不得不采用单管设计。

相比宝马I3，采用了英飞凌全新的HybridPACK 2模块设计。每个模块包含六个单管IGBT，750V/660A，电流太大。只需要两个模块，体积大大缩小，成本在300美元左右。

采用英飞凌全新HybridPACK 2模块设计。每个模块包含六个750V/660A的单管IGBT，电流过大。只需要两个模块，体积大大减小。

典型新能源汽车动力系统比较：

可见丰田的功率密度是中国的三倍左右，差距巨大。

目前IGBT已经发展到7.5代，第七代是三菱电机在2012年推出的。三菱电机现在的水平可以算是7.5代了。与此同时，IGBT的下一代SiC技术已经在日本全面普及，无论是三菱这样的大厂，还是富士、罗门这样的小厂，都有能力轻松制造SiC组件。目前中国处于第三代水平，差距20多年。

IGBT的关键：散热和背板技术IGBT有两个关键点，一个是散热，一个是背板技术。

IGBT的前端工艺和标准BCD的LDMOS没有区别，区别在后面。后面的过程有几点。第一，需要减薄，大概6-8 mm，太多容易碎片，太少无效。下一步是离子注入，注入一薄层磷作为缓冲层。第四代需要两次注入磷。本来硅片就很薄，注射两次就容易碎裂。

然后清洗，然后金属化，背面蒸一层钛或者银，最后合金，因为硅片太薄，容易翘曲或者碎裂。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的摸索，还需要为工艺开发生产设备，只有对生产线和设备非常精通的企业才能胜任。

*电动汽车电源模块封装技术的开发

从第六代开始，IGBT本身的潜力就被挖掘的差不多了，大家都把精力转移到了IGBT的封装上，也就是散热上。

汽车IGBT的散热效率远高于工业级，逆变器内的温度最高可达20度。同时要考虑强振动条件，汽车级IGBT远远高于工业级。

工业级IGBT与车辆级IGBT的比较：

解决散热的第一点是提高IGBT模块的导热性能和抗功率循环能力。IGBT模块内部引线技术具有

解决这一问题的新技术主要包括低温银烧结技术和瞬时液相扩散焊接技术。与传统技术相比，银烧结技术具有更好的导热性和耐热性以及更高的可靠性。

瞬时液相扩散焊通过特殊工艺形成金属合金层，比传统焊料熔点高，机械性能好。三菱采用超声波焊接。

第三，改进DBC和模块背板，降低散热阻力，提高热可靠性，缩小体积，降低成本。用AlN、AlSiC等材料代替DBC中的Al2O3、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，针翅结构、簇射电源结构等新型散热结构可以显著降低模块整体热阻，提高散热效率。

第四点是扩大模块与散热地板的连接面积，比如端子压接技术。

散热的关键是材料，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，而日本遥遥领先，不仅在德国之上，也在美国之上。

IGBT的下一代SiC(碳化硅)技术已经出现。鉴于其重要性，丰田决定完全独立生产。实际上，丰田对SiC的研究从20世纪80年代就开始了，比世界领先30年。

SiC可以使新能源汽车的效率再提高10%，是提高新能源汽车效率最有效的技术。丰田汽车表示：“SiC和汽油发动机一样重要。”

SiC有多重要？

目前，碳化硅的应用主要受到两方面的限制。一是价格，是传统Si IGBT的6倍。其次是电磁干扰。SiC的开关频率比传统的Si IGBT高得多，电路的寄生参数大得不能忽略。

SiC衬底是关键。落后于众多日企的英飞凌，在2016年7月决定收购美国CREE集团旗下的电源与射频部门(简称“Wolfspeed”)，其核心是SiC衬底技术。

然而，2017年2月，美国外国投资委员会(CFIUS)以国家安全相关理由否认了这笔收购。美国之所以否认收购，是为了保护美国为数不多的先进工业技术。对于日本厂商来说，SiC衬底一点都不难。三菱、丰田、罗马、富士电机、日立、瑞萨、东芝都有自己制造的能力，都是内部开发的技术。意法半导体也擅长技术。

2014年5月20日，鉴于SiC的重要性，丰田专门召开记者会，宣布与电装和丰田中央研究所合作开发SiC功率半导体。