Sütun | IGBT neden yeni enerji araçlarının merkezinde yer alıyor?
Leifeng.com'un notu: Bu makale, Leifeng.com'un özel bir sütunudur.Yazar, Zos Araştırma ve Üretim Araştırma Direktörü Zhou Yanwu'dur. Leifeng.com yayınlama yetkisine sahiptir.
Yeni enerji araçları için akü, VCU, BSM ve motor verimliliğinin tümü iyileştirme için yer yoktur İyileştirme için en fazla alan motor sürücü kısmıdır Motor sürücü kısmının temel bileşeni IGBT'dir (Yalıtılmış Geçit Bipolar Transistör). Tip transistör çipi) en önemli şeydir.
Motor sürücü sistem maliyetinin yaklaşık yarısını IGBT oluştururken, motor sürücü sistemi araç maliyetinin% 15-20'sini oluşturuyor yani IGBT, araç maliyetinin% 7-10'unu oluşturuyor, bataryanın yanı sıra en pahalı ikinci bileşendir. Ayrıca aracın enerji verimliliğini de belirler.
Motor sürücüler sadece IGBT kullanmakla kalmaz, aynı zamanda yeni enerji jeneratörleri ve klimalar da genellikle IGBT'ler gerektirir. Toyota, hibrit araçlar geliştirirken IGBT tüplerinin tamamen kontrol edilmesi gerektiğine inandığı için IGBT'lerin çok önemli olmasıdır.Toyota aynı zamanda dünyada kendi başına IGBT tüpleri üretebilen tek otomobil üreticisidir (ambalaj için başka insanların gofretlerini satın almak yerine kendi ürettiği) ), Prius güçlü bir canlılık kazandı ve şu anda dünyadaki tek güçlü hibrit otomobil.
Sadece yeni enerji araçları değil, aynı zamanda DC şarj yığınlarının ve lokomotiflerinin (yüksek hızlı ray) çekirdeği de IGBT tüpleridir.DC şarj yığınlarının hammadde maliyetinin% 30'u IGBT'dir. Elektrikli lokomotifler genellikle 500 IGBT modülü gerektirir, EMU'lar 100'den fazla IGBT modülü gerektirir ve bir metro 50-80 IGBT modülü gerektirir.
Mitsubishi Electric'in HVIGBT'si endüstride varsayılan standart haline geldi.Çin'deki yüksek hızlı lokomotif IGBT'leri tamamen Mitsubishi tarafından tekelleştirildi.Aynı zamanda, Avrupa Alstom, Siemens ve Bombardier'in yarısından fazlası Mitsubishi Electric IGBT'leri kullanıyor.
Japon üreticiler dışında, Infineon elektrikli araçlar için neredeyse tüm IGBT'leri devraldı, Mitsubishi Electric ise Çin'in yüksek hızlı demiryolunun muazzam kârından sarhoş oldu ve pazarda 2500V'un altındaki neredeyse hiçbir şey yok.
2016 yılında elektrikli araçların dünya çapında satışları yaklaşık 2 milyon olarak gerçekleşmiş, araç başına ortalama 450 ABD doları ile toplam 900 milyon ABD doları civarında IGBT tüpü tüketilmiş olup, elektrikli araçlarda akü dışındaki en pahalı parçadır.
Bunların arasında, her biri yaklaşık 300 ABD Doları IGBT ve yaklaşık 1,23 milyon saf elektrikli araç gerektiren yaklaşık 770.000 hibrit ve PHEV vardır.Ortalama olarak, her araç yaklaşık 540 ABD Doları IGBT kullanır.Yüksek güçlü, saf elektrikli otobüsler IGBT kullanabilir. 1000 dolardan fazla.
MOS ile karşılaştırıldığında IGBT tüpünün 400 voltun altındaki alçak gerilim alanında hiçbir avantajı yoktur Anahtarlama frekansı veya fiyatı ne olursa olsun, MOS'un avantajı çok açıktır. ON Semiconductor'ın yeni satın aldığı Fairchild Semiconductor 400 volt alanında lider konumdadır.
Otomobiller esas olarak 600V ve 1200V arasındadır.Infineon'un çok büyük bir avantajı vardır ON Semiconductor 600V-1200V alanında da bir pazara sahip olmasına rağmen, esas olarak araç dışı alandadır. Mitsubishi ve Fuji Electric, Japon pazarını paylaştı. Toyota Hybrid'de kullanılan IGBT'lerin tümü, yabancı gibi görünmeden dahili olarak tamamlandı.
IGBT nedir?
IGBT (Yalıtılmış Geçit Bipolar Transistörü, yalıtılmış geçit bipolar transistörü), BJT (bipolar transistör) ve MOS (yalıtılmış geçit alanı etkili transistör) 'den oluşan, kompozit, tam kontrollü, voltajla çalışan bir yarı iletken cihazdır.
Önceki çeşitli güç elektroniği cihazlarıyla karşılaştırıldığında, IGBT aşağıdaki özelliklere sahiptir: yüksek giriş empedansı, genel düşük maliyetli sürüş devresi kullanılabilir; yüksek hızlı anahtarlama özellikleri; düşük iletim durumu kaybı.
IGBT, hem MOSFET'in yüksek giriş empedansının hem de GTR'nin düşük voltaj düşüşünün avantajlarına sahiptir. GTR'nin doygunluk voltajı azalır, akım taşıma yoğunluğu yüksektir, ancak sürüş akımı büyüktür; MOSFET sürüş gücü küçüktür, anahtarlama hızı hızlıdır, ancak iletim voltajı düşüşü büyüktür ve akım taşıma yoğunluğu küçüktür. IGBT, yukarıdaki iki cihazın avantajlarını birleştirir: orta ve yüksek güç uygulamaları için uygun bir güç elektroniği cihazı olan küçük sürüş gücü ve düşük doygunluk voltajı.
IGBT, kapsamlı performans açısından bariz avantajlara sahiptir ve AC motorlar, invertörler, anahtarlama güç kaynakları, aydınlatma devreleri, çekiş sürücüleri ve 600V ve üzeri DC voltajlı diğer alanlar gibi uygulamalar için çok uygundur.
Yukarıdaki resim, akımı DC'den AC'ye (aküden motora, tahrik motoruna) veya AC'den DC'ye (motordan aküye, frenleme, yokuş aşağıdayken enerji geri kazanımı) dönüştürmek için darbeli genişlik modülasyonu (PWM) ile IGBT anahtarını kontrol eder. ).
Bu prensip bir klimanın inverterine benzer İnverter klimalar inverterlerle donatılmıştır Bu inverter kontrolörü nasıl çalışır?
Yerli belirtilmiş voltaj 220V, frekans 50Hz akım, yaklaşık 310V'luk bir DC gücü elde etmek için doğrultulur ve filtrelenir Bu DC gücü tersine çevrildikten sonra, kompresörün çalışmasını kontrol etmek için kullanılan değişken frekanslı bir güç kaynağı elde edilebilir, bu da şebekenin frekansını 50 Hz'de dönüştürebilir. 30-130 Hz için kompresör hızı, otomatik kademesiz hız değişimi elde etmek için güç frekansı kullanılarak sorunsuz bir şekilde kontrol edilebilir, böylece kompresör her zaman en iyi çalışma koşulunda olur.
Elektrikli araçlarda motor bir kompresör olarak kabul edilebilir. İki ilke neredeyse aynıdır.
Hibrit güç için, tahrik motoruna ek olarak, elektrik üretmek için otomobilin motoru tarafından çalıştırılabilen ve ardından aküyü IGBT modülü AC / DC dönüşümüyle şarj edebilen bir jeneratör de vardır. DM modelinde, jeneratör aynı zamanda bir tahrik motoru olarak da görev yapabilir.
IGBT'nin en yaygın biçimi aslında tek bir tüpten ziyade bir modüldür (Modül). Modülün üç temel özelliği:
-
Metal alt tabaka üzerine yalıtkan bir şekilde birden fazla yonga birleştirilir;
-
İçi boş plastik kasa paketi, havadan yalıtım malzemesi, yüksek voltajlı silikon gres veya silikon gres ve diğer olası yumuşak yalıtım malzemeleridir;
-
Aynı üreticinin ve aynı teknik serinin ürünleri için, IGBT modülünün teknik özellikleri temelde aynı spesifikasyona sahip IGBT tek tüp ile aynıdır.
Modülün başlıca avantajları aşağıdaki gibidir:
-
Birden çok IGBT yongası paralel olarak bağlanır ve IGBT'nin mevcut özellikleri daha büyüktür.
-
Birden fazla IGBT yongası, harici devre bağlantılarının karmaşıklığını azaltabilen yarım köprüler, tam köprüler vb. Gibi belirli devre biçimlerine göre birleştirilir.
-
Birden fazla IGBT yongası, aynı metal alt tabaka üzerinde bulunur; bu, bağımsız soğutucu ile IGBT yongası arasına bir ısı dağıtıcı eklemeye eşdeğerdir ve iş daha güvenilirdir.
-
Bir modüldeki birden fazla IGBT yongası, modül üreticisi tarafından taranmıştır ve bunların parametre tutarlılığı, ticari olarak temin edilebilen ayrı bileşenlerden daha iyidir.
-
Modüldeki çoklu IGBT yongaları arasındaki bağlantıyla karşılaştırıldığında, devre düzeni daha iyidir ve uç endüktansı daha küçüktür.
-
Modülün dış uç klemensleri yüksek gerilim ve yüksek akım bağlantıları için daha uygundur. Aynı üreticinin aynı serisi ürünler için, modülün en yüksek voltaj seviyesi genellikle IGBT tek tüpünkinden 1-2 düzey daha yüksektir.Tek tüp ürünün en yüksek voltaj spesifikasyonu 1700V ise, modül 2500V, 3300V veya daha yüksek voltaj özelliklerine sahiptir. .
Bir gofret üzerindeki en küçük tam işlevli birim hücre olarak adlandırılır. Gofret bölmeden sonraki en küçük birim, toplu olarak IGBT kalıbı olarak adlandırılan bir IGBT tek tüp veya bir modülün bir birimini oluşturan bir yonga birimidir.
Bir IGBT kalıbı, modül birimi veya bir modülün kalıbı olarak da adlandırılan modül birimi olarak adlandırılır. Modül ünitesi ile IGBT kalıbı arasındaki fark nihai üründe yatmaktadır.Modül ünitesinin bağımsız bir paketi yoktur ve kalıbın bağımsız bir paketi vardır ve bir IGBT tüpüne dönüşür.
Son zamanlarda IPM adında bir modül de var, bu aynı zamanda kapı seviyesindeki sürücü ve koruma devresini IGBT modülüne de kapsıyor Bu en tembel mühendisler içindir, ancak çalışma frekansı çok yüksek olmamalıdır.
Tek bir tüpün fiyatı bir modülün fiyatından çok daha düşüktür, ancak tek bir tüpün güvenilirliği bir modülünkinden çok daha düşüktür. Tesla ve Hebei ve Shandong'daki düşük hızlı elektrikli araçlar dışında tüm dünyada modüller kullanılmaktadır.Sadece Tesla maliyete insan hayatından çok daha fazla önem vermektedir.
Tesla Model X, Infineon tarafından temin edilen 132 IGBT tüp kullanır.Bunlardan 96 arka motor ve 36 ön motor vardır.Her bir tüpün fiyatı yaklaşık 4-5 ABD doları, yani toplamda yaklaşık 650 ABD dolarıdır.
Modüllere geçerseniz, 12-16 modül gerekeceği ve maliyetin yaklaşık 1200-1600 ABD Doları olacağı tahmin edilmektedir. Tesla'nın tek tüp kullanmasının temel nedeni maliyettir, özellikle gücü sıradan elektrikli araçlardan çok daha fazladır.Ayrıca tasarım ve geliştirme döngüsü kısadır ve tek tüplü tasarımın benimsenmesi gerekir.
BMW I3 ile karşılaştırıldığında, Infineonun yeni HybridPACK 2 modül tasarımını benimser. Her modül 6 tek tüplü IGBT içerir, 750V / 660A ve akım çok büyüktür. Yalnızca iki modül gereklidir. Hacim büyük ölçüde azalır ve maliyet yaklaşık 300 ABD dolarıdır. .
Infineonun yeni HybridPACK 2 modül tasarımını kullanan her modül, büyük bir akıma sahip 6 tek tüplü IGBT, 750V / 660A içerir, yalnızca iki modüle ihtiyaç vardır ve hacim büyük ölçüde azaltılır.
Tipik yeni enerji taşıt güç sistemlerinin karşılaştırması:
Toyota'nın güç yoğunluğunun yerli yoğunluğun yaklaşık üç katı olduğu görülüyor, bu büyük bir boşluk.
IGBT artık 7.5 nesli için geliştirildi. Yedinci nesil, 2012 yılında Mitsubishi Electric tarafından piyasaya sürüldü. Mitsubishi Electric'in mevcut seviyesi 7.5 nesil olarak kabul edilebilir.Aynı zamanda, IGBT'nin yeni nesil SiC teknolojisi, ister Mitsubishi gibi büyük bir üretici olsun, ister Japonya'da tamamen popüler hale geldi. Fuji ve Rohm gibi küçük fabrikalar kolayca SiC komponentleri üretme kabiliyetine sahiptir.Çin şu anda üçüncü nesil seviyesinde ve 20 yıldan fazla bir boşlukla.
IGBT'nin anahtarı: ısı dağıtımı ve arka panel teknolojisi
IGBT'nin iki önemli noktası vardır, biri ısı dağıtımı ve diğeri arka düzlem teknolojisidir.
IGBT'nin ön süreci, standart BCD LDMOS ile aynıdır. Fark arka taraftadır. Arka işlemin birkaç noktası vardır. İlki, yaklaşık 6-8 mm inceltilmesi gereken inceltmedir. Çok fazlaysa, parçalanması kolaydır ve çok azının hiçbir etkisi yoktur. Sırada, tampon tabakası olarak ince bir fosfor tabakası implante eden iyon implantasyonu. Dördüncü nesil, iki fosfor implantasyonunu gerektirir.Silikon gofret zaten çok incedir ve iki implantın parçalanması kolaydır.
Daha sonra temizlenir, sonra metalize edilir, arkada bir titanyum veya gümüş tabakası buharla biriktirilir ve son olarak alaşımdır, çünkü silikon gofret çok ince olduğundan, çözülmesi veya yontulması kolaydır. Infineon, inceltme teknolojisinde özellikle iyidir.
* Küresel IGBT şirket sıralaması
Bu süreçler sadece uzun vadeli keşif gerektirmekle kalmaz, aynı zamanda süreç için üretim ekipmanı geliştirmeye ihtiyaç duyar.Sadece üretim hatları ve ekipmanı konusunda çok yetkin olan şirketler yetkin olabilir.Çoğu üreticinin IGBT üretim hattı ekipmanı, özellikle Japonya'da şirket içinde geliştirilir.
Her bir IGBT nesli için, hem silikon gofretlerin hem de paketleme ekipmanının kurum içinde tamamlanması gerekiyor ve Çin, üretim hatları satın almak için kullanılıyor ve ekipmanı yükseltmek şöyle dursun, ekipman yapma kabiliyeti yok.
EV için güç modülü paketleme teknolojisinin geliştirilmesi
Altıncı nesilden bu yana, IGBT'nin potansiyelinden neredeyse yararlanıldı ve herkes enerjisini IGBT ambalajına, yani ısı dağılımına aktardı.
Otomotiv IGBT'lerinin ısı yayma verimliliği gereksinimleri endüstriyel sınıflardan çok daha yüksektir.İnvertördeki sıcaklık 20 dereceye kadar çıkabilir.Aynı zamanda, güçlü titreşim koşulları da dikkate alınmalıdır.Otomotiv sınıfı IGBT'ler endüstriyel sınıfların çok üzerindedir.
Endüstriyel sınıf IGBT ve otomotiv sınıfı IGBT arasındaki karşılaştırma:
Isı dağılımını çözmenin ilk noktası, IGBT modülünün dahili termal iletkenliğini ve güç çevrimlerine dayanma yeteneğini iyileştirmektir.IGBT modülünün dahili kurşun teknolojisi, kalın alüminyum tel bağlama, alüminyum bant bağlama ve ardından bakır tel bağlama işlemlerinden geçmiştir. Geliştirilmiş akım taşıma yoğunluğu.
İkinci nokta yeni lehimleme işlemidir.Geleneksel lehim maliyeti düşük ve işlemde basit olan kalay-kurşun alaşımıdır, ancak çevre kirliliği sorunları vardır ve otomotiv güç modülünün yonga sıcaklığı kalay-kurşun lehimin erime noktasına (220 ° C) yakındır.
Bu sorunu çözmek için yeni teknolojiler temel olarak şunları içerir: düşük sıcaklıkta gümüş sinterleme teknolojisi ve geçici sıvı faz difüzyon kaynağı. Geleneksel işlemle karşılaştırıldığında, gümüş sinterleme teknolojisi daha iyi termal iletkenlik, ısı direnci ve daha yüksek güvenilirliğe sahiptir.Semikron'un SkiN teknolojisi gümüş sinterleme sürecini benimsemiştir.
Geçici sıvı faz difüzyon kaynağı, geleneksel lehimden daha yüksek bir erime noktasına ve daha iyi mekanik özelliklere sahip olan bir metal alaşım tabakası oluşturmak için özel bir işlem kullanır Infineon bunu halihazırda astar kaynak işlemine uygulamıştır. Mitsubishi ultrasonik kaynak kullanıyor.
Üçüncü nokta, DBC'yi ve modül alt plakasını iyileştirmek, ısı yayma direncini azaltmak, termal güvenilirliği artırmak, hacmi azaltmak ve maliyeti düşürmektir. DBC'de Al2O3 ve Si3N4 gibi geleneksel seramiklerin yerini alacak AlN ve AlSiC gibi ikame malzemeleri daha yüksek termal iletkenliğe sahiptir ve Si malzemelerinin termal genleşme katsayısı ile daha iyi eşleşir.
Ek olarak, Pin Fin yapısı ve Shower Power yapısı gibi yeni ısı dağıtma yapıları, modülün genel termal direncini önemli ölçüde azaltabilir ve ısı yayma verimliliğini artırabilir. Mitsubishi'nin yedinci nesli, termal iletkenliği büyük ölçüde iyileştirmek için kalın bir bakır seramik alt tabaka kullanıyor.
Dördüncü nokta, terminal kıvırma teknolojisi gibi modül ile soğutucu arasındaki bağlantı alanını genişletmektir.
Isı dağılımının anahtarı malzemelerdir ve malzeme bilimi bir ülkenin temel biliminin somutlaşmış halidir.Çin bu açıdan çok geri ve Japonya sadece Almanya'nın değil, aynı zamanda Amerika Birleşik Devletleri'nin de çok ilerisinde.
IGBT'nin yeni nesil SiC (silisyum karbür) teknolojisi çoktan ortaya çıktı.Önemi göz önüne alındığında, Toyota tamamen bağımsız olarak üretmeye karar verdi. Asıl Toyota SiC araştırması 1980'lerden beri başladı ve 30 yıldır dünyaya öncülük ediyor. Toyota'nın bir güç yarı iletken şirketi değil, bir otomobil şirketi olduğunu bilmelisiniz.SiC alt tabakası anahtardır. 2014 yılında Toyota, SiC üretimini deneme fırsatı buldu.
Mitsubishi Electric, 1994 yılından bu yana silisyum karbür güç cihazları üzerinde araştırmalara başladı ve bugüne kadar bazıları Japon Shinkansen ve 700 serisi araçlarda kullanılan 20'den fazla ürün piyasaya sürüldü. Mitsubishi Electric, cer konvertörlerinde, endüstriyel otomasyonda ve inverter klimalarda hibrit silikon karbür güç modüllerini benimsedi ve bunları ticarileştirdi.
Bu arada, Mitsubishi Electric Power Devices CTO'su bir Amerikalı, ancak Amerikalılar hızlı para kazanmak için İnternet ve diğer yazılım düzeyindeki teknolojilere meraklı. Bu Dr. Gourab Majumdar hayal kırıklığına uğradı. Mitsubishi'ye geldikten sonra kaslarını esnetti.
SiC, yeni enerji araçlarının verimliliğini% 10 daha artırabilir, bu da yeni enerji araçlarının verimliliğini artırmak için en etkili teknolojidir. Toyota Motor, "SiC, benzinli motorlarla aynı öneme sahip." Dedi.
SiC ne kadar önemli?
Şu anda, SiC uygulaması temelde iki yönden sınırlandırılmıştır: Birincisi, geleneksel Si-tipi IGBT'lerin 6 katı olan fiyattır. İkincisi elektromanyetik girişimdir. SiC'nin anahtarlama frekansı, geleneksel Si-tipi IGBT'lerden çok daha yüksektir ve döngünün parazitik parametreleri, göz ardı edilemeyecek kadar büyüktür.
SiC alt tabakası anahtardır.Japon şirketlerinin çok gerisinde olan Infineon, Temmuz 2016'da Amerikan CREE Group'un güç kaynağı ve RF bölümünü ("Wolfspeed") satın almaya karar verdi. Çekirdek SiC substrat teknolojisidir.
Bununla birlikte, Şubat 2017'de, ABD'deki Yabancı Yatırım Komitesi (CFIUS), ulusal güvenlikle ilgili nedenlerden dolayı satın almayı reddetti.Aslında Infineon, ABD'nin ulusal güvenliğini tehdit etmeyecek şekilde, onu yalnızca elektrikli araçlar için bir güç tüpü olarak kullandı. Ayrıca Wolfspeed'in SiC substratları çoğunlukla LED ve RF alanlarında kullanılmaktadır.Infineon'un bunları otomotiv alanında başarıyla kullanıp kullanamayacağı hala bilinmemektedir.
Amerika Birleşik Devletleri'nin bu devralmayı reddetmesinin nedeni, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki birkaç gelişmiş endüstriyel teknolojiyi korumaktır.Japon üreticiler için SiC substratları hiç de zor değil.Mitsubishi, Toyota, Rohm, Fuji Electric, Hitachi, Renesas ve Toshiba hepsi var. Kendi kendine üretim yapabilme yeteneği, hepsi dahili olarak geliştirilmiş teknolojilerdir. STMicroelectronics teknolojisi de iyidir.
Toyota, SiC'nin önemi göz önünde bulundurularak 20 Mayıs 2014 tarihinde, Denso ve Toyota Merkez Araştırma Enstitüsü ile işbirliği içinde SiC güç yarı iletkenlerinin geliştirildiğini duyurmak için özel bir basın toplantısı düzenledi.
Toyota'da SiC güç yarı iletkenlerinin geliştirilmesini yöneten Toyota'nın üçüncü elektronik geliştirme departmanının direktörü Komori Hamada, "Sektöre liderlik etmeli ve (seri üretim araçları için) (SiC güç yarı iletkenleri) ile donatılmış ilk kişi olmalıyız" dedi.
Aralık 2013'te, Hirose Fabrikası (Toyota City, Aichi Prefecture), özel bir SiC güç yarı iletken prototip geliştirme üretim hattı kurdu.
Toyota, entegre SiC transistörlü (solda) 4 inçlik (100 mm) bir gofret ve entegre SiC diyotlu (sağda) 4 inçlik bir gofret geliştirdi.
Toyota şu anda SiC kullanan Camry'nin hibrit bir versiyonunu geliştiriyor.Toyota'nın hidrojen yakıt hücreli otobüsleri de SiC ile deneyler yapıyor.Honda, hidrojen yakıt hücreli araçlarında Roma'nın SiC MOSFET'lerini kullanıyor. Şu anda, SiC, test edilecek 4 inçlik gofret hatlarının tamamı ve yalnızca Mitsubishi, daha düşük maliyetli 6 inçlik bir üretim hattı başlattı.
Toyota, 2018'de 6 inçlik bir üretim hattını da başlatmayı planlıyor. Toyota'nın hibrit ve hidrojen yakıt hücreli araçlarının 2021'de tamamen SiC kullanması olası.
Leifeng.com'da önerilen okuma:
Özel sütun | Yabancı sürücüsüz prototip arabalar neden hibrit modelleri seçiyor?
