Prima di iniziare il video, lasciate che vi chieda:
Qual è, secondo lei, il componente più importante di un veicolo elettrico?
Offrire alcune opzioni
1.Batteria
2. Motore
3.Altri componenti
Prevedo visivamente che più persone sceglieranno la 2, quindi complimenti per la risposta corretta!
Ma il componente più importante del motore, sapete qual è?
Si tratta del protagonista del nostro video di questo numero: il chip IGBT.
Introduzione all'IGBT
Chi è esattamente l'IGBT?
Il cosiddetto IGBT è un transistor bipolare a gate isolato.
Si tratta di un dispositivo composito a semiconduttore di potenza completamente controllato in tensione, composto da BJT (transistor a giunzione bipolare) e MOS (transistor a effetto di campo a gate isolato).
Vi sentite un po' storditi?
Prima di tutto, Little Whale vi fornirà un po' di scienza popolare sulla classificazione dei dispositivi a semiconduttore.
La classificazione avviene principalmente in due modi: se è controllabile e se è in modalità di guida.
Il fatto che sia controllabile o meno è ulteriormente suddiviso:
Tipo incontrollabile, cioè non controllabile da un segnale di controllo, come i normali diodi di potenza.
Tipo semicontrollato, cioè in grado di controllare la conduzione, ma non di controllare lo spegnimento, come i normali tiristori.
Tipo a controllo completo, cioè in grado di controllare l'accensione e lo spegnimento, come l'IGBT.
In termini di metodi di pilotaggio, si dividono in pilotaggio in corrente, che può controllare l'accensione e lo spegnimento tramite segnali di corrente, come il triodo BJT.
L'azionamento in tensione significa che può essere controllato all'accensione e allo spegnimento da segnali di tensione, come nel caso degli IGBT.
Gli appassionati più attenti avranno notato che prima ho detto che l'IGBT è un transistor, quindi è considerato un chip?
Prendiamo ad esempio il chip Kirin 990 5G di Huawei.
L'area del chip è di 113,31 millimetri quadrati e in un posto così piccolo sono integrati fino a 10,3 miliardi di transistor.
Si può notare normalmente che il chip è composto da transistor su larga scala, quindi, a rigore, un singolo IGBT non può essere classificato come un chip, ma come un dispositivo a semiconduttore di potenza.
Oggi, in generale, i chip IGBT comprendono dispositivi di potenza IGBT e molte altre cose.
Funzione IGBT
Il compito principale dell'IGBT è quello di controllare e trasmettere energia elettrica.
Può gestire oltre 6500W di potenza e può raggiungere 100.000 commutazioni di corrente in un solo secondo durante il funzionamento.
Non sottovalutate mai questa funzione!
Il motivo per cui gli attuali veicoli elettrici non hanno bisogno di progettare sistemi meccanici complessi come motori e cambi è l'esistenza dell'IGBT.
I chip IGBT, come i circuiti integrati a 7 nm e a 5 nm di cui parliamo ogni giorno, sono anche progetti di supporto chiave del progetto speciale nazionale 02. Il progetto speciale 02 è il secondo dei 16 principali progetti di innovazione tecnologica del Paese durante il periodo del "dodicesimo piano quinquennale".
In altre parole, questo chip è attualmente il prodotto tecnologicamente più avanzato nei dispositivi elettronici di potenza.
Prendiamo ad esempio i nostri computer di uso comune.
Se un computer vuole eseguire calcoli ad alta velocità, ha bisogno di una CPU.
Anche i veicoli ad alta velocità o elettrici hanno bisogno di un dispositivo per convertire la corrente e l'IGBT è una CPU che converte l'energia elettrica.
Secondo le statistiche, 60% della produzione totale di energia del mio Paese è utilizzata in vari tipi di motori.
Se si utilizzano dispositivi IGBT per controllare la frequenza e la velocità del motore, l'energia elettrica consumata dal motore può essere risparmiata di circa 1/3, con un risparmio di 20% della produzione totale di energia elettrica del Paese, equivalente all'efficienza di cinque nuove dighe di Tre Gole.
Classificazione degli IGBT
In base alla tensione di esercizio, i moduli IGBT sono generalmente suddivisi in tre categorie.
Bassa tensione inferiore a 600V
Media tensione 600V-1200V
Alta tensione 1700V-6500V
I moduli IGBT a bassa tensione sono generalmente utilizzati nei settori dell'elettronica di consumo e dei componenti automobilistici.
I moduli IGBT a media tensione sono generalmente utilizzati nei veicoli a nuova energia, nel controllo industriale, negli elettrodomestici e in altri settori.
I moduli IGBT ad alta tensione sono generalmente utilizzati nel trasporto ferroviario, nella generazione di energia da nuove fonti, nelle reti intelligenti e in altri campi.
Per quanto riguarda i veicoli elettrici, l'IGBT è diventato la parte principale del sistema di trazione elettrica dei veicoli elettrici, rappresentando direttamente la metà del costo.
Il sistema di trazione elettrica rappresenta circa 15-20% del costo dell'intero veicolo elettrico, il che indica in qualche modo che l'IGBT da solo rappresenta 7-10% del costo dell'intero veicolo.
Importanza dell'IGBT
How important is IGBT?
To give a vivid metaphor, it is like the dormitory manager who is in charge of the power supply in your dormitory.
When to turn on the power, when to turn on the switch, the uncle is familiar with the road. The boss doesn’t care how much electricity you give. If you use electricity irregularly and secretly use high-power electrical appliances, there will be no discussion on reporting criticism.
Specifically, IGBT can directly control the conversion of DC and AC power. Determines the torque and maximum output power of the drive system. So the acceleration capability of your car, its top speed, and its energy efficiency all depend on it.
for example:
For example, on the electric car Tesla Model 3, the power source is densely packed batteries, which provide 400 volts of direct current.
The electric vehicle’s motor must use alternating current to rotate. By changing the frequency of the motor’s alternating current, the motor’s speed is changed to accurately control the vehicle’s driving speed and acceleration capability. This is all due to IGBT.
Another example is the high-speed rail.
During train operation, the speed must be increased from zero to more than 300 kilometers in a short period of time, or a high-speed train must be stopped smoothly in a very short period of time.
This seemingly simple acceleration and deceleration process requires the cooperation of a series of related transmission equipment, traction converters and other electric equipment. This requires ensuring that the current and voltage required by various devices are extremely accurate and reliable.
Under current technical conditions, only high-power IGBTs can meet this demanding requirement.
Moreover, during the deceleration process, through the action of IGBT, the energy generated by the train deceleration can also be converted into electrical energy and fed back to the power grid.
It can be said that the IGBT device is the “heart” of train operation.
IGBT R&D
So is it difficult to develop IGBT?
It’s the same as traditional mobile phone chip development.
The most important upstream industries of the IGBT industry include semiconductor materials, such as silicon wafers, photoresists, etc. And related equipment such as photolithography machines, etching machines, etc.
According to the chip manufacturing process, the IGBT industry can be divided into three links: chip design, wafer manufacturing, module packaging and testing.
However, compared with the manufacturing process and equipment of mobile phone chips, IGBT chips do not have such high requirements.
In addition, IGBT chips of different power levels also have different sizes. Generally speaking, the higher the power level, the larger the chip size will be.
Currently, the most competitive production lines for IGBT products are 8-inch and 12-inch.
The world’s leading manufacturer is Germany’s Infineon, which has mass-produced IGBT products on 12-inch production lines.
Most domestic wafer manufacturers are still at the 6-inch product stage. At present, Shenzhen BYD, Zhuzhou CRRC Times and Huahong Hongli have achieved mass production of 8-inch products in China. However, there is still a certain gap between its product yield and international leaders.
Finally, there are the downstream industries of the IGBT industry.
It includes a wide range of application market segments. IGBT has a large number of applications in industrial control, new energy vehicles, consumer electronics, power energy storage, rail transportation, household appliances and other fields.
IGBT domestic production situation
IGBT technology has long been monopolized by a handful of economically developed countries.
For example, the IGBT modules used in my country’s rolling stock are imported from Germany and Japan, especially high-grade IGBT devices.
In 2008, my country’s first high-speed rail, the Beijing-Tianjin intercity railway, was opened. Subsequently, more high-speed rail lines were opened, and the demand for IGBTs doubled.
An 8-train standard EMU requires 152 IGBT chips. The cost of this chip alone is as high as nearly 2 million yuan. Every year, China’s high-speed rail manufacturing needs to purchase more than 100,000 IGBT modules from abroad, with procurement funds exceeding 1.2 billion yuan.
In June 2014, after six years of unremitting efforts, the 8-inch IGBT chip independently developed by my country and with complete intellectual property rights was successfully rolled off the production line.
It breaks the history of large-scale semiconductors without independent chips and indicates that our high-speed rail has the first “Chinese core”.
Enlightenment
Finally, I want to say:
More than ten years ago, IGBT chips were basically dominated by Europe and Japan.
IGBTs for high-speed rail are monopolized by Mitsubishi Heavy Industries of Japan, and IGBTs for electric vehicles are monopolized by Infineon of Germany.
Nowadays, various domestic companies have begun to step up their own research and development of IGBT chips. Among the more famous ones are Shenzhen BYD, Zhuzhou CRRC Times Electric, Hangzhou Silan Micro, etc.
Currently, Chinese standards account for 84% of the 254 important standards for high-speed EMUs involved in Fuxing.
The speed of high-speed rail depends entirely on the motor belt.
The heart of Fuxing is the traction motor. It has 1,152 IGBT chips, which can make high-speed trains run smoothly. Currently, Zhuzhou CRRC’s independently developed production line can produce 500,000 pieces per year.
The IGBT chips produced by CRRC can not only meet its own needs, but also meet the standards for export to foreign countries, and have also reached world-class levels.
It must be said that the significance of Chinese standards lies in the fact that every core breakthrough drives the upgrade of the entire system. The upgrade of each system will eventually make China’s manufacturing go global.
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