中國工程院院士丁榮軍：汽車(chē)功率半導體器件的發(fā)展趨勢

　　中國工程院院士丁榮軍的匯報分三個(gè)部分。

　　首先簡(jiǎn)單介紹汽車(chē)功率半導體器件的發(fā)展趨勢。

　　功率半導體器件最早都是由晶閘管后來(lái)變成GTO到MOSFET，到現在用得比較多的IGBT器件。IGBT器件跟傳統的器件相比，主要是驅動(dòng)比較簡(jiǎn)單，同時(shí)損耗比較小，比較適合用于牽引傳動(dòng)包括電機控制器等。IGBT器件包括原來(lái)講的功率半導體器件，都被譽(yù)為傳統系統，在高鐵里一樣，把它稱(chēng)之為“心臟”。它主要起到能量傳輸和能量的點(diǎn)的轉換，是電機控制系統的CPU。

　　目前電動(dòng)汽車(chē)器件大概占到控制器總成本的30%左右，目前在國內市場(chǎng)上用的電機控制器芯片基本由外國公司提供。

　　就控制器技術(shù)發(fā)展來(lái)說(shuō)，第一階段是單個(gè)模塊，到第二階段有些定制，現在慢慢進(jìn)入第三階段，采用雙面冷卻集成，發(fā)展到最后不管是旋轉電池、吸熱用電池，還是未來(lái)冷補電池，可能會(huì )把控制器和電機集成到一起去。

　　現在IGBT發(fā)展到第二階段中間這一塊，第三階段雙面結合的正在研究過(guò)程中，發(fā)展很快即將會(huì )推出。

　　目前，國際上面絕大部分公司汽車(chē)用的IGBT器件都是定制的，國內基本采用比較標準的封裝形式。下一步估計碳化硅由于它有很多的優(yōu)越性將會(huì )被用到汽車(chē)上面，現在由于它量不是很大，再加上成本還是很高，目前在汽車(chē)上面應用還是有點(diǎn)困難。

　　第二部分想匯報一下株洲所這幾年關(guān)于器件開(kāi)發(fā)做的工作。

　　株洲所1959年成立，長(cháng)期從事電驅動(dòng)系統，口號是“把高鐵的技術(shù)應用到電動(dòng)汽車(chē)上面來(lái)”。最核心的是1964年開(kāi)始研究的晶閘管，到2008年收購英國Dynex之后，進(jìn)入IGBT。到2014年開(kāi)始建8英寸線(xiàn)，2015年建成，現在已經(jīng)從650伏到6500伏，全系列IGBT將進(jìn)入市場(chǎng)，并且在去年已經(jīng)批量出口到印度。

　　從并購以來(lái)，這幾年由最早的Dynex平面柵技術(shù)到現在高性能溝槽柵芯片技術(shù)，我們全面掌握，這為下一步汽車(chē)級IGBT開(kāi)發(fā)奠定了非常好的基礎。

　　針對電動(dòng)汽車(chē)應用來(lái)說(shuō)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了三款，包括750V/200A、1200V/200A、750V/300A，300A是雙面焊的，后面會(huì )介紹到，今天也帶來(lái)了，有興趣大家可以看一看，總體性能無(wú)論關(guān)閘性能還是過(guò)載能力，都達到了國際上的領(lǐng)先水平。

　　建立了完整的8英寸IGBT生產(chǎn)線(xiàn)，從芯片設計、制造和封裝都是自己完成的，采用精細化的溝槽設計后，對產(chǎn)品性能有非常好的提升。

　　這條生產(chǎn)線(xiàn)是世界上第二條8英寸的IGBT生產(chǎn)線(xiàn)，第一條是英國的德夫林建在馬來(lái)西亞。目前形成的能力是每年10萬(wàn)片芯片，大概30萬(wàn)IGBT，按原來(lái)的封裝形式是這樣的。

　　功率半導體器件從未來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)需求，現在已經(jīng)可以提供第一代采用平面柵標準模塊，到第二代雙面溝槽柵，包括同件建核的，包括平面雙面焊的，根據用戶(hù)需求可以提供。

　　整個(gè)工藝在這時(shí)間關(guān)系不具體介紹，如果大家有興趣也歡迎去株洲看一看。

　　從功率組件角度，通用IGBT建了生產(chǎn)線(xiàn)，從這可以看到，框的這塊采用雙面焊，把控制平臺和整個(gè)器件集中到一起，這樣也便于整車(chē)企業(yè)應用，相對比較簡(jiǎn)單。并且功率密度由原來(lái)的每升10-20千瓦，最高提到24-25千瓦。

　　這是功率半導體組件的建設情況。

　　采用雙面冷卻之后，對散熱的效率有很大的提升，特別是現在采用智能，把驅動(dòng)系統和器械結合在一起以后，更加可以提高整個(gè)驅動(dòng)器電機控制器的安全性能。

　　這是最新批量生產(chǎn)兩種型號的產(chǎn)品，第一種型號是額定功率60千瓦，峰值功率到120千瓦，還有額定功率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，今天把樣品帶到現場(chǎng)來(lái)了。

　　這是關(guān)于功率半導體組件，這是最新的，左下角圖可以看到，器械都已經(jīng)集中到一起，已經(jīng)不是原來(lái)單個(gè)IGBT模塊的概念，是變流器的概念。

　　這是下一代正在開(kāi)發(fā)的碳化硅，正在建設生產(chǎn)線(xiàn)，預計今年6、7月份這條生產(chǎn)線(xiàn)會(huì )建成。并且現在碳化硅采用IGBT和碳化硅二極管反變量二極管混合型，1500伏的器械已經(jīng)在地鐵上得到批量應用。

　　下一步發(fā)展規劃。

　　關(guān)于IGBT在現在工業(yè)基礎上，下一步第一通過(guò)溝槽柵精細技術(shù)提高功率技術(shù);第二采用同功率損耗，降低控制器的重量;第三通過(guò)開(kāi)發(fā)智能節能芯片，對整個(gè)系統是一個(gè)健康管理。下一步過(guò)渡到碳化硅上面去。

　　目前產(chǎn)品規劃，今年開(kāi)始將推出IGBT功率組件這個(gè)產(chǎn)品，到2020年，希望碳化硅的功率模塊會(huì )推向市場(chǎng)。