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中国工程院院士丁荣军:汽车功率半导体器件的发展趋势
  发布时间:2017-01-16   
   尊敬的各位来宾、各位同行,大家上午好!非常高兴今天有这个机会跟大家汇报,基于自主芯片电动汽车功率半导体器件的开发和系统集成。

  

 

  【中国工程院院士 丁荣军】

  我的汇报分三个部分。

  首先简单介绍汽车功率半导体器件的发展趋势。

  功率半导体器件最早都是由晶闸管后来变成GTO到mosFET,到现在用得比较多的IGBT器件。IGBT器件跟传统的器件相比,主要是驱动比较简单,同时损耗比较小,比较适合用于牵引传动包括电机控制器等。IGBT器件包括原来讲的功率半导体器件,都被誉为传统系统,在高铁里一样,把它称之为“心脏”。它主要起到能量传输和能量的点的转换,是电机控制系统的CPU。

  目前电动汽车器件大概占到控制器总成本的30%左右,目前在国内市场上用的电机控制器芯片基本由外国公司提供。

  就控制器技术发展来说,第一阶段是单个模块,到第二阶段有些定制,现在慢慢进入第三阶段,采用双面冷却集成,发展到最后不管是旋转电池、吸热用电池,还是未来冷补电池,可能会把控制器和电机集成到一起去。

  现在IGBT发展到第二阶段中间这一块,第三阶段双面结合的正在研究过程中,发展很快即将会推出。

  目前,国际上面绝大部分公司汽车用的IGBT器件都是定制的,国内基本采用比较标准的封装形式。下一步估计碳化硅由于它有很多的优越性将会被用到汽车上面,现在由于它量不是很大,再加上成本还是很高,目前在汽车上面应用还是有点困难。

  第二部分想汇报一下株洲所这几年关于器件开发做的工作。

  株洲所1959年成立,长期从事电驱动系统,口号是“把高铁的技术应用到电动汽车上面来”。最核心的是1964年开始研究的晶闸管,到2008年收购英国Dynex之后,进入IGBT。到2014年开始建8英寸线,2015年建成,现在已经从650伏到6500伏,全系列IGBT将进入市场,并且在去年已经批量出口到印度。

  从并购以来,这几年由最早的Dynex平面栅技术到现在高性能沟槽栅芯片技术,我们全面掌握,这为下一步汽车级IGBT开发奠定了非常好的基础。

  针对电动汽车应用来说,目前已经开发了三款,包括750V/200A、1200V/200A、750V/300A,300A是双面焊的,后面会介绍到,今天也带来了,有兴趣大家可以看一看,总体性能无论关闸性能还是过载能力,都达到了国际上的领先水平。

  建立了完整的8英寸IGBT生产线,从芯片设计、制造和封装都是自己完成的,采用精细化的沟槽设计后,对产品性能有非常好的提升。

  这条生产线是世界上第二条8英寸的IGBT生产线,第一条是英国的德夫林建在马来西亚。目前形成的能力是每年10万片芯片,大概30万IGBT,按原来的封装形式是这样的。

  功率半导体器件从未来满足用户需求,现在已经可以提供第一代采用平面栅标准模块,到第二代双面沟槽栅,包括同件建核的,包括平面双面焊的,根据用户需求可以提供。

  整个工艺在这时间关系不具体介绍,如果大家有兴趣也欢迎去株洲看一看。

  从功率组件角度,通用IGBT建了生产线,从这可以看到,框的这块采用双面焊,把控制平台和整个器件集中到一起,这样也便于整车企业应用,相对比较简单。并且功率密度由原来的每升10-20千瓦,最高提到24-25千瓦。

  这是功率半导体组件的建设情况。

  采用双面冷却之后,对散热的效率有很大的提升,特别是现在采用智能,把驱动系统和器械结合在一起以后,更加可以提高整个驱动器电机控制器的安全性能。

  这是最新批量生产两种型号的产品,第一种型号是额定功率60千瓦,峰值功率到120千瓦,还有额定功率85千瓦,峰值功率125千瓦,功率密度到24L,重量可以看到前面是5.4公斤,后面是5.6公斤,今天把样品带到现场来了。

  这是关于功率半导体组件,这是最新的,左下角图可以看到,器械都已经集中到一起,已经不是原来单个IGBT模块的概念,是变流器的概念。

  这是下一代正在开发的碳化硅,正在建设生产线,预计今年6、7月份这条生产线会建成。并且现在碳化硅采用IGBT和碳化硅二极管反变量二极管混合型,1500伏的器械已经在地铁上得到批量应用。

  下一步发展规划。

  关于IGBT在现在铝工业基础上,下一步第一通过沟槽栅精细技术提高功率技术;第二采用同功率损耗,降低控制器的重量;第三通过开发智能节能芯片,对整个系统是一个健康管理。下一步过渡到碳化硅上面去。

  目前产品规划,今年开始将推出IGBT功率组件这个产品,到2020年,希望碳化硅的功率模块会推向市场。

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