（转载）关于IGBT。。。

(原)宝二爷

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。

zhangcunbo2006

科普贴  看得过瘾   

(原)zhiyiyunmeng@

问题在于使用模块的车企没有一家赶得上特斯拉使用分立管子的性能

(原)zhiyiyunmeng@

特斯拉不用我个人猜测还有一个问题，是体积太大。满足不了特斯拉迷你体积的需求。
特斯拉电流单控制器大电流1100A电流以上，这样的电流暂时还没汽车使用的这个性能的IGBT模块

tyuka

学习一下。。。

大老鷹

IGBT类股近期大涨，而且是第一波上涨而已，有兴趣的人等拉回整理完毕还可以入场，IGBT类股可以玩很久。

cxyzd

严重缺货中

(原)甘心2015

先顶，再慢慢看。

(原)jkljkl

实在没看完

(原)always7811

中国不是没有设计制造能力，而是受制于某些原因。不敢有过分的能力。不研发只买，你的还是你的，下功夫研发国内领先了，世界一流了，是不是你的真不好说。

相传，自从柳柴研发多年的柴油机被重汽拿去装到涉及到国防安全的全轮驱动的特特特特特种车辆上，柳柴歇菜。

现实变成了国字号的企业等着从下面的企业抢，谁举个大旗抢到了，就是谁的。至于研发企业么：你知道什么叫国防需要么？知道这东西以后就和你没关系了，不知道这企业以后估计也就没有了。

然而呢，下面的企业也不傻，我不研发，只买，你总没得抢了吧？根据谣传，大约也就是这样了吧。