Catatan Leifeng.com: Artikel ini adalah kolom eksklusif Leifeng.com. Penulisnya adalah Zhou Yanwu, direktur riset Zos Research Institute. Leifeng.com berwenang untuk menerbitkannya.
Untuk kendaraan energi baru, aki, VCU, BSM, dan efisiensi motor semuanya kekurangan ruang untuk perbaikan. Ruang yang paling banyak untuk perbaikan adalah bagian penggerak motor. Komponen inti dari bagian penggerak motor adalah IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Jenis transistor chip) adalah yang paling penting.
IGBT menyumbang sekitar setengah dari biaya sistem penggerak motor, sedangkan sistem penggerak motor menyumbang 15-20% dari biaya kendaraan. Artinya, IGBT menyumbang 7-10% dari biaya kendaraan. Ini adalah komponen termahal kedua setelah baterai. Ini juga menentukan efisiensi energi kendaraan.
Penggerak motor tidak hanya menggunakan IGBT, tetapi juga generator energi dan AC baru umumnya memerlukan IGBT. Hal ini juga karena IGBT sangat penting sehingga Toyota percaya bahwa tabung IGBT harus dikontrol sepenuhnya saat mengembangkan kendaraan hybrid. Toyota juga satu-satunya pabrikan mobil di dunia yang dapat memproduksi tabung IGBT sendiri (diproduksi sendiri, daripada membeli wafer orang lain dan kemudian mengemasnya). ), Prius telah mendapatkan vitalitas yang kuat dan saat ini menjadi satu-satunya mobil hybrid yang kuat di dunia.
Tidak hanya kendaraan energi baru, inti tiang pengisian DC dan lokomotif (rel kecepatan tinggi) juga tabung IGBT. 30% dari biaya bahan baku tiang pengisian DC adalah IGBT. Lokomotif listrik umumnya membutuhkan 500 modul IGBT, EMU membutuhkan lebih dari 100 modul IGBT, dan kereta bawah tanah membutuhkan 50-80 modul IGBT.
HVIGBT Mitsubishi Electric telah menjadi standar standar di industri. IGBT lokomotif kecepatan tinggi China sepenuhnya dimonopoli oleh Mitsubishi. Pada saat yang sama, lebih dari separuh Alstom Eropa, Siemens, dan Bombardier menggunakan IGBT Mitsubishi Electric.
Kecuali untuk pabrikan Jepang, Infineon telah mengambil hampir semua IGBT untuk kendaraan listrik, sementara Mitsubishi Electric menikmati keuntungan besar dari rel kecepatan tinggi China, dan hampir tidak ada di pasar di bawah 2500V.
Pada 2016, penjualan global kendaraan listrik sekitar 2 juta, dan total sekitar 900 juta dolar AS tabung IGBT dikonsumsi, dengan rata-rata sekitar 450 dolar AS per mobil.Ini merupakan komponen termahal dalam kendaraan listrik kecuali baterai.
Di antara mereka, ada sekitar 770.000 hibrida dan PHEV, masing-masing membutuhkan sekitar US $ 300 IGBT, dan sekitar 1,23 juta kendaraan listrik murni. Rata-rata, setiap kendaraan menggunakan sekitar US $ 540 IGBT. IGBT untuk bus listrik murni berdaya tinggi dapat digunakan. Lebih dari $ 1.000.
Dibandingkan dengan MOS, tabung IGBT tidak memiliki keunggulan pada medan tegangan rendah di bawah 400 volt. Terlepas dari frekuensi atau harga switching, keunggulan MOS sangat jelas terlihat. Dalam bidang 400 volt, Fairchild Semiconductor, yang baru saja diperoleh ON Semiconductor, berada di posisi terdepan.
Mobil terutama antara 600V dan 1200V Infineon memiliki keuntungan yang luar biasa Meskipun ON Semiconductor juga memiliki pasar di bidang 600V-1200V, itu terutama di bidang non-kendaraan. Mitsubishi dan Fuji Electric telah berbagi pasar Jepang. IGBT yang digunakan di Toyota Hybrid semuanya diselesaikan secara internal, tanpa berpura-pura menjadi orang luar.
Apa IGBT itu?
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, transistor bipolar gerbang berinsulasi) adalah perangkat semikonduktor daya berpenggerak tegangan yang dikontrol penuh komposit yang terdiri dari BJT (transistor bipolar) dan MOS (transistor efek medan gerbang terisolasi).
Dibandingkan dengan berbagai perangkat elektronik daya sebelumnya, IGBT memiliki karakteristik sebagai berikut: impedansi input tinggi, sirkuit penggerak umum berbiaya rendah dapat digunakan; karakteristik switching berkecepatan tinggi; kehilangan status konduksi rendah.
IGBT memiliki keuntungan dari impedansi input tinggi MOSFET dan penurunan GTR tegangan rendah. Tegangan saturasi GTR berkurang, kepadatan pembawa arus tinggi, tetapi arus drive besar; daya drive MOSFET kecil, kecepatan switching cepat, tetapi penurunan tegangan konduksi besar, dan kepadatan pembawa arus kecil. IGBT menggabungkan keunggulan dari dua perangkat di atas: daya mengemudi yang rendah dan tegangan saturasi yang berkurang, dan merupakan perangkat elektronik berdaya yang cocok untuk aplikasi daya sedang dan tinggi.
IGBT memiliki keunggulan nyata dalam kinerja yang komprehensif, dan sangat cocok untuk aplikasi seperti motor AC, inverter, catu daya switching, sirkuit penerangan, penggerak traksi, dan bidang lain dengan tegangan DC 600V ke atas.
Gambar di atas terutama mengontrol sakelar IGBT dengan modulasi lebar pulsa (PWM) untuk mengubah arus dari DC ke AC (baterai ke motor, motor penggerak) atau dari AC ke DC (motor ke baterai, pengereman, pemulihan energi saat menuruni bukit) ).
Prinsip ini mirip dengan inverter pada AC, AC inverter dilengkapi dengan inverter Bagaimana cara kerja pengontrol inverter ini?
Tegangan yang ditentukan domestik 220V, arus frekuensi 50Hz diperbaiki dan disaring untuk mendapatkan daya DC sekitar 310V. Setelah daya DC ini dibalik, catu daya frekuensi variabel yang digunakan untuk mengontrol operasi kompresor dapat diperoleh. Untuk kecepatan kompresor 30-130 Hz dapat dikontrol secara halus dengan menggunakan frekuensi daya untuk mencapai perubahan kecepatan stepless otomatis, sehingga kompresor selalu dalam kondisi kerja terbaik.
Pada kendaraan listrik, motor dapat dikatakan sebagai kompresor. Kedua prinsip tersebut hampir sama.
Untuk tenaga hybrid, selain motor penggerak juga terdapat generator yang bisa digerakkan oleh mesin mobil untuk menghasilkan listrik, kemudian mengisi baterai melalui modul IGBT konversi AC / DC. Pada model DM, generator juga dapat berperan sebagai motor penggerak.
Bentuk IGBT yang paling umum sebenarnya adalah modul, bukan tabung tunggal. Tiga karakteristik dasar modul:
-
Beberapa chip dipasang pada substrat logam dengan cara mengisolasi;
-
Paket plastik berongga, bahan isolasi dari udara adalah minyak silikon tegangan tinggi atau minyak silikon, dan bahan isolasi lembut lainnya yang memungkinkan;
-
Karakteristik teknis modul IGBT dari pabrikan yang sama dan seri teknis yang sama pada dasarnya sama dengan transistor tunggal IGBT dengan spesifikasi yang sama.
Keunggulan utama modul ini adalah sebagai berikut:
-
Beberapa chip IGBT dihubungkan secara paralel, dan spesifikasi IGBT saat ini lebih besar.
-
Beberapa chip IGBT digabungkan sesuai dengan bentuk sirkuit tertentu, seperti half-bridge, full-bridge, dll., Yang dapat mengurangi kompleksitas koneksi sirkuit eksternal.
-
Beberapa chip IGBT berada pada substrat logam yang sama, yang setara dengan menambahkan pelat penyeimbang panas antara heat sink independen dan chip IGBT, dan pekerjaannya lebih andal.
-
Beberapa chip IGBT dalam modul telah disaring oleh produsen modul, dan konsistensi parameternya lebih baik daripada komponen terpisah yang tersedia secara komersial.
-
Dibandingkan dengan koneksi antara beberapa chip IGBT dalam modul, tata letak sirkuit lebih baik dan induktansi timbal lebih kecil.
-
Terminal kabel eksternal modul lebih cocok untuk sambungan tegangan tinggi dan arus tinggi. Untuk rangkaian produk yang sama dari pabrikan yang sama, level voltase tertinggi modul umumnya 1-2 level lebih tinggi daripada level voltase IGBT tabung tunggal. Jika spesifikasi voltase tertinggi produk tube tunggal adalah 1700V, modul memiliki spesifikasi voltase 2500V, 3300V atau bahkan lebih tinggi. .
Unit fungsi penuh minimum pada wafer disebut Cell. Unit terkecil setelah segmentasi wafer adalah unit chip yang membentuk satu tabung IGBT atau satu unit modul, yang secara kolektif disebut die IGBT.
Dadu IGBT disebut unit modul, yang juga disebut unit modul atau dadu modul. Perbedaan antara unit modul dan cetakan IGBT terletak pada produk akhir Unit modul tidak memiliki paket independen, dan cetakan memiliki paket independen, menjadi tabung IGBT.
Baru-baru ini, ada juga modul yang disebut IPM, yang juga merangkum drive level gerbang dan sirkuit perlindungan ke dalam modul IGBT. Ini untuk insinyur yang paling malas, tetapi frekuensi operasinya tidak boleh terlalu tinggi.
Harga tabung tunggal jauh lebih rendah daripada harga modul, tetapi keandalan tabung tunggal jauh lebih rendah dari pada modul. Kecuali Tesla dan kendaraan listrik kecepatan rendah di Hebei dan Shandong, seluruh dunia menggunakan modul.Hanya Tesla yang lebih memperhatikan biaya daripada nyawa manusia.
Tesla Model X menggunakan tabung 132 IGBT yang disediakan oleh Infineon, di antaranya terdapat 96 motor belakang dan 36 motor depan.Harga satu tabung masing-masing sekitar US $ 4-5 atau sekitar US $ 650.
Jika Anda beralih ke modul, diperkirakan akan dibutuhkan 12-16 modul, dan biayanya sekitar US $ 1200-1600. Alasan utama Tesla menggunakan tabung tunggal adalah biaya, terutama tenaganya yang jauh lebih besar dari pada kendaraan listrik biasa.Selain itu, siklus desain dan pengembangannya pendek, dan desain tabung tunggal harus diadopsi.
Dibandingkan dengan BMW I3, modul ini mengadopsi desain modul HybridPACK 2 baru dari Infineon. Setiap modul berisi 6 IGBT tabung tunggal, 750V / 660A, dan arusnya sangat besar. Hanya dibutuhkan dua modul. Volume sangat berkurang dan biayanya sekitar US $ 300. .
Menggunakan desain modul HybridPACK 2 baru dari Infineon, setiap modul berisi 6 IGBT tabung tunggal, 750V / 660A, dengan arus besar, hanya dua modul yang dibutuhkan, dan volumenya sangat berkurang.
Perbandingan sistem tenaga kendaraan energi baru yang khas:
Dapat dilihat bahwa kepadatan daya Toyota sekitar tiga kali lipat kepadatan domestik, yang merupakan kesenjangan yang sangat besar.
IGBT kini telah berkembang menjadi generasi 7.5. Generasi ketujuh diluncurkan oleh Mitsubishi Electric pada tahun 2012. Tingkat Mitsubishi Electric saat ini dapat dikatakan sebagai generasi 7.5. Pada saat yang sama, teknologi SiC generasi berikutnya dari IGBT telah dipopulerkan sepenuhnya di Jepang. Pabrik-pabrik kecil seperti Fuji dan Rohm memiliki kemampuan untuk membuat komponen SiC dengan mudah. China saat ini berada di level generasi ketiga, dengan jeda lebih dari 20 tahun.
Kunci IGBT: pembuangan panas dan teknologi bidang belakang
Ada dua poin penting dari IGBT, satu adalah pembuangan panas, dan yang lainnya adalah teknologi bidang belakang.
Proses depan IGBT sama dengan standar BCD LDMOS. Perbedaannya ada pada bagian belakang. Proses belakang memiliki beberapa poin. Yang pertama adalah penipisan, yang perlu diencerkan sekitar 6-8 mm. Jika direduksi terlalu banyak, mudah dipecah, dan terlalu sedikit tidak efektif. Berikutnya adalah implantasi ion, yaitu menanamkan lapisan tipis fosfor sebagai lapisan penyangga. Generasi keempat membutuhkan dua implantasi fosfor. Awalnya wafer silikon sangat tipis, dan kedua implan tersebut mudah terfragmentasi.
Kemudian dibersihkan, kemudian dilapisi logam, dan lapisan titanium atau perak diendapkan di sisi belakang, dan akhirnya paduan, karena wafer silikon terlalu tipis, mudah melengkung atau pecah. Infineon sangat ahli dalam teknologi penipisan.
* Peringkat perusahaan IGBT global
Proses ini tidak hanya membutuhkan eksplorasi jangka panjang, tetapi juga perlu mengembangkan peralatan produksi untuk proses tersebut. Hanya perusahaan yang sangat mahir dalam lini produksi dan peralatan yang dapat kompeten. Sebagian besar peralatan lini produksi IGBT pabrikan dikembangkan sendiri, terutama di Jepang.
Untuk setiap generasi IGBT, baik wafer silikon maupun peralatan pengemasan harus diselesaikan sendiri, dan China terbiasa membeli jalur produksi dan tidak memiliki kemampuan untuk membuat peralatan sama sekali, apalagi meningkatkan peralatan.
Pengembangan teknologi pengemasan modul daya untuk EV
Sejak generasi keenam, potensi IGBT sendiri telah hampir dimanfaatkan, dan setiap orang telah mentransfer energinya ke kemasan IGBT, yaitu pembuangan panas.
Persyaratan efisiensi pembuangan panas IGBT otomotif jauh lebih tinggi daripada kelas industri. Suhu dalam inverter bisa mencapai 20 derajat. Pada saat yang sama, kondisi getaran yang kuat harus dipertimbangkan. IGBT kelas otomotif jauh di atas kelas industri.
Perbandingan antara IGBT kelas industri dan IGBT kelas otomotif:
Poin pertama untuk mengatasi masalah pembuangan panas adalah meningkatkan konduktivitas termal internal modul IGBT dan kemampuan untuk menahan siklus daya. Teknologi timbal internal modul IGBT telah mengalami proses ikatan kawat aluminium tebal, ikatan pita aluminium, dan kemudian ikatan kawat tembaga. Peningkatan kepadatan pembawa arus.
Poin kedua adalah proses penyolderan baru.Solder tradisional adalah paduan timah-timbal, yang berbiaya rendah dan sederhana dalam proses, tetapi memiliki masalah pencemaran lingkungan, dan suhu chip modul daya otomotif mendekati titik leleh solder timah-timbal (220 ° C).
Teknologi baru untuk mengatasi masalah ini terutama mencakup: teknologi sintering perak suhu rendah dan pengelasan difusi fase cair transien. Dibandingkan dengan proses tradisional, teknologi sintering perak memiliki konduktivitas termal yang lebih baik, tahan panas dan keandalan yang lebih tinggi.Teknologi SkiN Semikron telah mengadopsi teknologi sintering perak.
Pengelasan difusi fase cair transien menggunakan proses khusus untuk membentuk lapisan paduan logam, yang memiliki titik leleh lebih tinggi dan sifat mekanik yang lebih baik daripada solder tradisional. Infineon telah menerapkannya pada proses pengelasan pelat pelapis. Mitsubishi menggunakan pengelasan ultrasonik.
Poin ketiga adalah meningkatkan DBC dan pelat bawah modul, mengurangi resistansi pembuangan panas, meningkatkan keandalan termal, mengurangi volume, dan mengurangi biaya. Mengganti bahan seperti AlN dan AlSiC untuk menggantikan keramik konvensional seperti Al2O3 dan Si3N4 di DBC memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi dan lebih cocok dengan koefisien muai panas bahan Si.
Selain itu, struktur pembuangan panas baru, seperti struktur Pin Fin dan struktur Daya Pancuran, dapat secara signifikan mengurangi ketahanan termal modul secara keseluruhan dan meningkatkan efisiensi pembuangan panas. Mitsubishi generasi ketujuh menggunakan substrat keramik tembaga tebal, yang sangat meningkatkan konduktivitas termal.
Poin keempat adalah memperluas area koneksi antara modul dan unit pendingin, seperti teknologi crimping terminal.
Kunci pelepasan panas adalah material, dan ilmu material adalah perwujudan dari ilmu dasar suatu negara. China sangat terbelakang dalam hal ini, dan Jepang jauh di depan, tidak hanya di atas Jerman, tetapi juga di atas Amerika Serikat.
Teknologi SiC (silikon karbida) generasi berikutnya dari IGBT telah muncul. Mengingat pentingnya, Toyota memutuskan untuk memproduksinya sepenuhnya secara independen. Riset Toyota SiC yang sebenarnya dimulai pada 1980-an, memimpin dunia selama 30 tahun. Perlu Anda ketahui bahwa Toyota adalah perusahaan mobil, bukan perusahaan semikonduktor listrik. Substrat SiC adalah kuncinya. Pada tahun 2014, Toyota berhasil melakukan uji coba untuk memproduksi SiC.
Sejak tahun 1994, Mitsubishi Electric telah memulai penelitian tentang perangkat tenaga silikon karbida, dan sejauh ini lebih dari 20 produk telah diluncurkan, beberapa di antaranya digunakan di Shinkansen Jepang dan kendaraan seri 700. Mitsubishi Electric telah mengadopsi modul daya silikon karbida hibrida dalam konverter traksi, otomasi industri, dan AC inverter, dan mengkomersialkannya.
Omong-omong, CTO Mitsubishi Electric Power Devices adalah orang Amerika, tetapi orang Amerika tertarik pada Internet dan teknologi tingkat perangkat lunak lainnya untuk menghasilkan uang dengan cepat. Dr. Gourab Majumdar ini merasa frustrasi, dan setelah tiba di Mitsubishi, dia melenturkan ototnya.
SiC dapat meningkatkan efisiensi kendaraan energi baru sebesar 10% lagi, yang merupakan teknologi paling efektif untuk meningkatkan efisiensi kendaraan energi baru. Toyota berkata: "SiC sama pentingnya dengan mesin bensin."
Seberapa penting SiC?
Saat ini, penerapan SiC terutama dibatasi dalam dua aspek, yaitu harga, yang 6 kali lebih mahal daripada IGBT tipe Si tradisional. Yang kedua adalah gangguan elektromagnetik. Frekuensi switching SiC jauh lebih tinggi daripada IGBT tipe Si tradisional, dan parameter parasit loop terlalu besar untuk diabaikan.
Substrat SiC adalah kuncinya. Infineon, yang jauh di belakang perusahaan Jepang, memutuskan pada Juli 2016 untuk mengakuisisi divisi daya dan RF ("Wolfspeed") dari American CREE Group. Intinya adalah teknologi substrat SiC.
Namun, pada Februari 2017 lalu, Committee on Foreign Investment in the United States (CFIUS) menolak akuisisi tersebut dengan alasan terkait keamanan nasional.Bahkan, Infineon hanya menggunakannya sebagai power tube untuk kendaraan listrik, yang tidak akan mengancam keamanan nasional Amerika Serikat. Selain itu, substrat SiC Wolfspeed terutama digunakan di bidang LED dan RF. Apakah Infineon berhasil menggunakannya di bidang otomotif masih belum diketahui.
Alasan mengapa Amerika Serikat menyangkal akuisisi ini adalah untuk melindungi beberapa teknologi industri canggih di Amerika Serikat. Untuk pabrikan Jepang, substrat SiC sama sekali tidak sulit. Mitsubishi, Toyota, Rohm, Fuji Electric, Hitachi, Renesas, dan Toshiba memiliki semuanya. Kemampuan untuk memproduksi sendiri, yang semuanya merupakan teknologi yang dikembangkan secara internal. Teknologi STMicroelectronics juga bagus.
Pada tanggal 20 Mei 2014, mengingat pentingnya SiC, Toyota mengadakan konferensi pers khusus untuk mengumumkan pengembangan semikonduktor daya SiC bekerja sama dengan Denso dan Toyota Central Research Institute.
Komori Hamada, direktur departemen pengembangan elektronik ketiga Toyota, yang bertanggung jawab atas pengembangan semikonduktor daya SiC di Toyota, mengatakan: "Kita harus memimpin industri dan menjadi yang pertama (untuk kendaraan produksi massal) yang melengkapi (semikonduktor daya SiC)."
Pada bulan Desember 2013, Pabrik Hirose (Toyota City, Prefektur Aichi) membangun jalur pengembangan produksi percobaan semikonduktor daya SiC khusus.
Toyota mengembangkan wafer 4 inci (100 mm) dengan transistor SiC terintegrasi (kiri) dan wafer 4 inci dengan dioda SiC terintegrasi (kanan).
Toyota saat ini sedang mengembangkan Camry versi hybrid yang menggunakan SiC. Bus sel bahan bakar hidrogen Toyota juga bereksperimen dengan SiC. Honda menggunakan SiC MOSFET Roma dalam kendaraan sel bahan bakar hidrogennya. Saat ini, SiC adalah semua lini wafer 4 inci untuk pengujian, dan hanya Mitsubishi yang telah meluncurkan lini produksi 6 inci, yang memiliki biaya lebih rendah.
Toyota juga berharap dapat memulai lini produksi 6 inci pada 2018. Ada kemungkinan pada 2021, kendaraan hybrid dan sel bahan bakar hidrogen Toyota akan sepenuhnya menggunakan SiC.
Bacaan yang direkomendasikan oleh Lei Feng:
Kolom Eksklusif | Mengapa mobil prototipe asing tanpa pengemudi memilih model hybrid?
- Inventaris acara AI selama seminggu: Uji coba etika AI Eropa, Baidu memenangkan hak untuk menyelenggarakan KDD CUP 2019
- PS4 "Darksiders 3" versi Asia akan dirilis pada 28 November, termasuk subtitle yang disederhanakan dan tradisional
- Xu Zheng diculik ketika dia memperebutkan 2 miliar emas hitam, permainan uang drama "Behind the Scenes" ke-51
- Cobalah untuk mengangkat tabir Backflip Atlas yang baru dirilis Boston Dynamics - sebuah analisis teknologi di baliknya
- Fase pertama proyek rekonstruksi Persimpangan Renhe telah selesai dan dapat dibuka untuk lalu lintas sebelum Festival Musim SemiDesain Pencahayaan Chaotianmen Kota Raffles Diungkap untuk Pertama Kal
- Rotten Tomatoes ingin melihat 89% indeks fiksi ilmiah baru Spielberg "Top Player" memukau Amerika Utara