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高铁中的 IGBT 是什么?都在哪些领域有应用?
IGBT就是一个由晶体管实现的电路开关。当其导通时,可以承受几十到几百安培量级的电流;当其关断时,可以承受几百至几千伏特的电压。
家庭方面的主要应用比如变频空调、电磁炉,微波炉,还有就是电脑电源的主动pfc还有UPS。工业方面应用主要用于各种电机驱动。
IGBT作为晶体管的一种,它不用机械按钮,而是由别的电路来控制的。具体点说,IGBT的简化模型有3个接口,有两个(集电极、发射极)接在强电电路上,还有一个接收控制电信号,叫作门极。给门极一个高电平信号,开关(集电极与发射极之间)就通了;再给低电平信号,开关就断了。
给门级发出控制指令的电路称为控制电路,你可以理解为是一种“计算机”,只不过实际用的“计算机”通常是单片机或者是叫作DSP的微处理器,擅长处理数字信号,比较小巧,甚至对于一些很基本的应用,可能靠一些简单的芯片和电路就可以实现控制,无需编程。
但要注意的是,门级所谓数字信号的电压也需要10到20伏特,所以在控制电路和IGBT之间还需要一个小的“驱动电路”来进行信号的转换。
IGBT的特点可以从其全称中了解一二:绝缘栅双极晶体管。
所谓绝缘栅,是指IGBT与MOSFET类似,作为控制的门级和功率电路部分是绝缘的,之间没有通过导体或半导体电气连接。门级只要出现一定的电压,在半导体内部形成一定的电场,就可以实现IGBT的导通。
有了绝缘栅,在开关时,只需要在IGBT切换状态的瞬时间内给门级注入/抽取一点能量,改变内部电场,就可以改变IGBT的工作状态。这个过程很容易做的非常快速,这也是IGBT、功率MOSFET的最大开关速度较高的原因之一。
相比之下,普通的三极管(BJT)中,控制极需要有持续的电流才能维持导通,而且当主功率电路中的电流较大时,这个电流也必须相应地变得比较大才能支持这样的电流。
相关问答
Q1: 高铁芯片是几纳米
28纳米。“高铁芯片”是指高铁芯集成电路高铁igbt,控制着一列高铁有序运行的机器大脑。高铁上使用的IGBT芯片高铁igbt,是一种双极型晶体管高铁igbt,具有绝缘栅的设计高铁igbt,支持高铁动车组牵引电传动系统,这相当于高铁的心脏,是非常重要的核心构件。除了CPU、GPU、AI等需要高功耗的芯片外,其余工业芯片均采用28nm以上的“高铁芯片”,如电视、空调、汽车、高铁、火箭、卫星的制造等。
Q2: 国产高铁IGBT芯片技术崛起,打破国外多年垄断
在视频开始之前,小鲸先问问大家:
你们觉得电动车里面,最核心的部件是什么?
给大家几个选项
1.电池
2.电机
3.其他部件
我目测选2的人会比较多,那么先恭喜你们答对了!
但是电机里面最核心的部件,你知道是什么?
嗯,它就是咱们这一期视频的主角-IGBT芯片。
那么IGBT究竟是何方神圣?
所谓IGBT就是绝缘栅双极型晶体管。
它是由BJT,也就是双极结型晶体三极管 和MOS,也就是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。
是不是听的有点晕?
首先小鲸先给大家科普下,半导体器件分类。
它主要有两种分类方法,是否可控和驱动方式。
是否可控里面又细分:
不可控型,也就是不能用控制信号控制其通断,比如普通功率二极管。
半控型,也就是可以控制导通,但是不能控制关断,比如普通晶闸管。
全控型,也就是可以控制其导通和关断,比如IGBT。
驱动方式方面,又分为电流驱动,也就是可以通过电流信号控制导通和关闭,比如三极管BJT。
电压驱动,也就是可以通过电压信号控制导通和关闭,比如IGBT。
细心的粉丝可能注意到,小鲸我前面说到IGBT是晶体管呀,那么它算不算芯片呢?
咱们拿华为麒麟990 5G芯片来举例。
它的芯片面积为113.31平方毫米,这么小的地方集成了多达103亿个晶体管。
可以看到芯片是由大规模晶体管组成的,所以严格来说,单个IGBT不能归为芯片,而是功率半导体器件。
现在一般说IGBT芯片,是指包括了IGBT功率器件和其他很多东西组成的。
IGBT的主要工作是控制和传输电能。
它可以处理6500W以上的功率,并且工作时可以在短短1秒的时间内,实现10万次电流开关动作。
千万不要小看它这个功能哦!
目前的电动车,之所以不需要设计复杂的发动机与变速箱等机械系统,IGBT的存在,可谓大功一件。
并且IGBT芯片,和咱们日常提到的7nm,5nm集成电路芯片一样,也是国家02专项的重点扶持项目。02专项就是指"十二五"期间国家16个重大技术突破专项中的第二位。
也就是说,这块芯片是目前功率电子器件里技术最先进的产品。
就拿我们常用的电脑举个例子。
电脑想要做高速运算的话,它需要CPU。
那像咱们高铁或者电动车这样的驱动,也是需要一种器件,去作为电流的变换,而IGBT就是作为电能变换的这么一个CPU。
据统计,我国发电总量的60%都用在了各类电机上。
如果采用IGBT器件对电机进行变频调速,电机耗费的电能可以节能大约1/3,即可节约全国总发电量的20%,相当于新建5个三峡大坝的效能。
根据工作电压的高低,IGBT 模块一般被划分为三类。
低压600V以下
中压600V-1200V
高压 1700V-6500V
低压IGBT模块一般用于消费电子、 汽车 零部件领域。
中压IGBT模块一般用于新能源 汽车 、工业控制、家用电器等领域。
高压IGBT模块一般用于轨道交通、新能源发电、智能电网等领域。
在电动车方面,IGBT成为电动车电驱系统的大头,成本直接占去了一半。
而电驱系统在电动车整车的成本占比约为15-20%,这意味着单单是IGBT就占去了整车成本的7-10%。
IGBT有多重要?
举个形象的比喻,它就好像管你寝室供电的宿管大爷。
什么时候给电,什么时候拉闸,大爷轻车熟路。具体给多少电大爷也管,你要是用电不规范,偷偷用大功率电器,通报批评没商量。
具体来说,IGBT可以直接控制直流、交流电的转换。决定了驱动系统的扭矩以及最大输出功率。所以你这车加速能力怎样,最高时速多少,能源效率如何全看它。
举个例子:
比如在电动 汽车 特斯拉Model 3上面,提供电源的是密密麻麻的电池,这些电池提供400伏直流电。
而电动车的电机转动必须用交流电,通过改变电机交流电的频率来改变电机的转速,从而精准的控制车辆行驶的速度和加速能力,这背后都是IGBT的功劳。
再比如高铁上面。
在火车运行中,要在短时间内将速度从零提升到300公里以上,或者在极短的时间内将正在高速行驶的列车平稳停下来。
这看似简单的加速、减速过程,背后需要一系列相关传动设备,牵引变流器以及其他电动设备的配合才行。而这就需要确保各种设备所需的电流、电压极为精准可靠。
在目前技术条件下,只有大功率的IGBT,才能满足这一苛刻要求。
而且在减速过程中,通过IGBT的作用,还可以将列车减速产生的能量转为电能回馈给电网。
可以说,IGBT的装置就是列车运行的"心脏"。
那么IGBT的研发难不难?
跟传统手机芯片研发一样。
IGBT 行业的上游产业主要包括半导体材料,比如硅片、光刻胶等等。以及相关设备比如光刻机、刻蚀机等等。
IGBT行业根据芯片制造的工序,又可依次划分为芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试三个环节。
不过,IGBT芯片相较于手机芯片的制造工艺及设备来说,要求没有这么高。
另外不同功率等级的IGBT芯片,也有不同的尺寸大小。一般来说,功率等级越高,芯片的尺寸就会越大。
目前IGBT 产品最具竞争力的生产线是8英寸和12 英寸。
世界最为领先的厂商是德国英飞凌,已经在12英寸生产线量产IGBT 产品。
国内晶圆的生产企业绝大部分,还停留在6 英寸产品的阶段。目前国内实现8英寸产品量产的有深圳比亚迪、株洲中车时代和华虹宏力。但其产品良率与国际龙头相比还存在一定差距。
最后是IGBT行业的下游产业。
它包括广泛的各细分应用市场,IGBT 在工业控制、新能源 汽车 ,消费电子、电力储能、轨道交通,家用电器等领域均有大量应用。
IGBT的技术,过去长期被极少数经济发达国家所垄断。
比如我国机车车辆使用的IGBT模块都要从德国、日本进口,特别是在高等级的IGBT器件上。
2008年我国的第一条高铁京津城际铁路开通,随后又开通了更多的高铁线路,对IGBT的需求成倍增加。
一个8列标准动车组就需要152个IGBT芯片,光这个芯片的成本就高达将近两百万元,每年中国高铁制造需要向国外采购十万个以上IGBT模块,采购资金超过12亿元人民币。
2014年6月,经过6年的不懈努力,由我国自主研制并具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片成功下线。
打破了大规模半导体没有自主芯片的 历史 ,预示着我们的高铁拥有了第一颗"中国芯"。
最后小鲸我想说:
十多年前,IGBT芯片基本是欧洲和日本的天下。
高铁用的IGBT被日本三菱重工垄断,电动车的IGBT被德国英飞凌垄断。
而如今国内各类企业开始加紧,对IGBT芯片进行自主研发。其中比较有名的就是深圳比亚迪,株洲中车时代电气,杭州士兰微等等。
目前复兴号所涉及的高速动车组的254项重要标准中,中国标准占到了84%。
高铁跑得快,全靠电机带。
其中复兴号的心脏也就是牵引电机。它拥有1152个IGBT芯片,这种能让高铁平稳运行的芯片,目前株洲中车自主研发的生产线,每年可以生产50万个。
中国中车生产的IGBT芯片,不仅可以满足自己的需求,还可以达到出口国外的标准,也已达到世界一流水平。
不得不说,中国标准的意义就在于每一项核心突破,拉动的都是整个体系的升级。而一个个体系的升级,最终使得中国制造走向全球。
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