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IGBT技术与现代交通(高速动车组、新能源汽车等)运输

发布时间:2019-04-18 来源:光明日报 李曾骙 类型:行业新闻 人浏览
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IGBT 绝缘栅双极型晶体管

导  读:

IGBT全称是绝缘栅双极型晶体管,是一种半导体,其具备驱动功率小而饱和压低的特点,非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统,在电机控制和开关电源,以及要求快速、低损耗的应用领域广泛使用,能够提高用电效率和质量,是解决能源短缺和降低碳排放的关键支撑技术。

  十年前,乘坐高速动车还只是少数城市间交通的“高级”选项,公路上更是很难见到绿色牌照的新能源汽车,而如今,高速动车、新能源汽车愈发成为我们生活中的日常选择。高效、清洁的交通方式,方便了我们的生活,也为中国经济发展注入了强劲动力。

  电子信息技术应用与现代交通运输方式变革

  正如蒸汽机带来了第一次工业革命,内燃机带来了第二次工业革命,在我们所处的时代,电子信息技术的大规模应用支撑着现代社会的运行。现代交通运输领域也不例外,“驱动”着高速动车组、新能源汽车高效、节能运行的,正是一项名为IGBT的半导体技术。


IGBT,绝缘栅双极型晶体管

IGBT模块原理示意图


  IGBT全称是绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor),是一种半导体,其具备驱动功率小而饱和压低的特点,非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统,在电机控制和开关电源,以及要求快速、低损耗的应用领域广泛使用,能够提高用电效率和质量,是解决能源短缺和降低碳排放的关键支撑技术。小到闪光灯、微波炉,大到风力发电机,先进的IGBT技术无处不在。

  20世纪80年代初,IGBT技术由国际上多个公司及机构各自独立研发完成。随着市场规模的扩大,欧洲和日本的各大半导体生产公司纷纷在各自的IGBT研发生产领域发力,IGBT市场基本被英飞凌、三菱电机、富士电机等欧洲和日本企业垄断。根据相关统计,2015年国际IGBT市场规模约为48亿美元,预计到2020年市场规模可以达到80亿美元。2014年国内IGBT销售额为88.7亿元,约占全球市场的1/3,预计到2020年中国IGBT市场规模将超过200亿元。

  现代交通运输领域也离不开IGBT。在内燃机时代,交通工具的动力来源于汽油燃烧所产生的热能,动力传导则依靠机械传动,但在高速动车组、新能源汽车等以电力驱动的交通工具中,动力来源于高效能电池,动力(即电力)的控制和传导就要依靠IGBT。

  中国IGBT技术创新与产业联盟秘书长肖向锋对记者说,像IGBT一样的功率半导体器件还有很多种,但因其适用性高、功率小、耗能低、开关速度高等特点,是最适合现代交通运输的,比如在高速动车组、新能源汽车中应用的IGBT,工况环境都非常恶劣,从零下几十摄氏度的东北地区到高温潮湿的海南,都要能够使用,而且交通工具往往有瞬时起跑、高效变速和瞬时停车的功能需求,IGBT技术当仁不让。电子信息技术的实际应用带来了现代交通运输方式的巨大变革。

  艰难转型追寻核心技术

  一组8列的高速动车组需要150多个IGBT器件,中国曾经每年进口高速动车组用IGBT的费用就达10亿元以上。一辆新能源汽车成本的7%~10%来自IGBT器件,是除电池之外成本第二高的器件。同时,处于垄断地位的IGBT生产企业可以根据自身利益,任意设置IGBT的交货周期,根据统计,应用于高速动车组和新能源汽车的IGBT交货周期一度都长达一年。不掌握核心技术,严重制约了相关产业发展。

  由于资金和人才长期投入大、研发周期极长,除了传统的半导体企业外,目前拥有核心技术、能够量产IGBT的装备制造业企业屈指可数。

  在高速动车组制造领域,中车株洲所自20世纪90年代就开始布局IGBT等功率半导体器件研发,长期投入巨资,集中研发,但进展缓慢。2008年,通过收购掌握大功率IGBT研发、制造技术的英国丹尼克斯半导体公司,中国高速动车组才有了自己的IGBT知识产权。2014年6月,中国首条8英寸IGBT专业芯片线建成。2016年,株洲中车时代电气股份有限公司为中国高速动车组量身定做的基于8英寸制造工艺的750A/6500V高性能IGBT模块完成测试验证与全部地面试验。经过二十多年的努力,中国高速动车组才有了自己的IGBT技术,逐步实现高速动车组用IGBT器件的国产替代。

  对于汽车制造企业来说,面对长期的巨额投入,他们更倾向于依赖IGBT制造企业的合作。2016年,世界十大畅销纯电动和油电混合式新能源汽车有8款车使用德国英飞凌的IGBT器件。特斯拉、奔驰等知名汽车制造企业都依赖半导体企业的供货。

  此前,世界上只有从20世纪90年代就开始研发的丰田汽车,掌握了车规级IGBT的完整产业链,这也是丰田新能源汽车在市场上表现强劲的重要原因之一。中国新能源汽车企业比亚迪则是从2005年起组建IGBT研发团队。2009年,比亚迪自己生产的第一代车规级IGBT产品通过中国电器工业协会电力电子分会组织的科技成果鉴定,成为中国唯一一家拥有完整产业链的车企。随后经过近十年时间,比亚迪于2018年年底发布了最新的IGBT4.0产品,其综合损耗相比当前市场主流产品降低了约20%,赶上了世界主流标准。

  不难看出,原本不具备半导体研发、生产经验的企业,追寻IGBT核心技术的道路是极其漫长和艰难的。但由于IGBT技术门槛高、应用广、通用性强的特点,一旦获得核心技术,这些企业不但可以在原本的行业中占尽先机,还能够扩展生产领域,为未来发展提供更多可能和保障。

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