Нарушив многолетнюю монополию иностранных компаний, отечественная технология высокоскоростных железнодорожных IGBT-чипов поднимается вверх

Прежде чем начнется видео, позвольте спросить вас:

Как вы думаете, какой компонент электромобиля является самым важным?

Дайте вам несколько вариантов

1.Батарея

2. Двигатель

3.Другие компоненты

Визуально я предсказываю, что больше людей выберут 2, так что поздравляю с правильным ответом!

Но самый главный компонент в двигателе, знаете ли вы, что это такое?

Ну, а главный герой нашего видео в этом выпуске - микросхема IGBT.

Введение в IGBT

Так кто же такой IGBT?

Так называемый IGBT - это биполярный транзистор с изолированным затвором.

Это составной полностью управляемый напряжением силовой полупроводниковый прибор, состоящий из BJT - транзистора с биполярным переходом и MOS - полевого транзистора с изолированным затвором.

У вас немного кружится голова?

Прежде всего, "Маленький кит" расскажет вам немного научно-популярной информации о классификации полупроводниковых приборов.

В основном есть два метода классификации: по управляемости и по режиму движения.

Далее подразделяется, является ли она контролируемой или нет:

Неуправляемый тип, то есть не управляемый управляющим сигналом, как, например, обычные силовые диоды.

Полууправляемый тип, то есть он может управлять проводимостью, но не может управлять выключением, как, например, обычные тиристоры.

Тип с полным управлением, то есть он может управлять включением и выключением, как, например, IGBT.

По методам управления они делятся на токовые, которые могут управлять включением и выключением с помощью токовых сигналов, например, триодные BJT.

Привод напряжения означает, что в конечном итоге он может управляться включением и выключением с помощью сигналов напряжения, как, например, IGBT.

Внимательные фанаты, возможно, заметили, что ранее я упоминал, что IGBT - это транзистор, так считается ли он микросхемой?

Возьмем для примера чип Kirin 990 5G от Huawei.

Площадь чипа составляет 113,31 квадратного миллиметра, и на таком маленьком пространстве интегрировано до 10,3 миллиарда транзисторов.

Обычно видно, что чип состоит из крупных транзисторов, поэтому, строго говоря, один IGBT нельзя отнести к чипу, а только к силовому полупроводниковому прибору.

В настоящее время, как правило, IGBT-чипы включают в себя силовые устройства IGBT и многое другое.

Функция IGBT

Основная задача IGBT - управление и передача электрической энергии.

Он выдерживает мощность более 6500 Вт и способен совершить 100 000 переключений тока всего за 1 секунду во время работы.

Никогда не недооценивайте эту функцию!

Причина, по которой современные электромобили не нуждаются в разработке сложных механических систем, таких как двигатели и коробки передач, заключается в существовании IGBT.

А IGBT-чипы, как и 7- и 5-нм интегральные микросхемы, о которых мы говорим каждый день, также являются ключевыми проектами поддержки национального специального проекта 02. Спецпроект 02 - это второй из 16 основных проектов технологического прорыва в стране в период "двенадцатой пятилетки".

Другими словами, этот чип на сегодняшний день является самым технологически продвинутым продуктом в области силовых электронных устройств.

Возьмем для примера наши привычные компьютеры.

Если компьютер хочет выполнять высокоскоростные вычисления, ему нужен центральный процессор.

Такие транспортные средства, как наши высокоскоростные железные дороги или электромобили, также нуждаются в устройстве для преобразования тока, а IGBT - это процессор, преобразующий электрическую энергию.

Согласно статистике, 60% от общей выработки электроэнергии в нашей стране используется в различных типах двигателей.

Если использовать IGBT-устройства для управления частотой и скоростью вращения двигателя, то потребляемая им электроэнергия может быть сэкономлена примерно на 1/3, что позволяет сэкономить 20% от общего объема выработки электроэнергии в стране, что эквивалентно эффективности пяти новых плотин "Три ущелья".

Классификация IGBT

В зависимости от рабочего напряжения IGBT-модули обычно делятся на три категории.

Низкое напряжение ниже 600 В

Среднее напряжение 600В-1200В

Высокое напряжение 1700V-6500V

Низковольтные модули IGBT обычно используются в области бытовой электроники и автомобильных деталей.

Средневольтные IGBT-модули обычно используются в новых энергетических транспортных средствах, промышленных системах управления, бытовых приборах и других областях.

Высоковольтные IGBT-модули обычно используются в железнодорожном транспорте, генерации новой энергии, интеллектуальных сетях и других областях.

Что касается электромобилей, то IGBT стали основной частью системы электропривода электромобилей, на долю которых приходится половина стоимости.

На систему электропривода приходится около 15-20% от стоимости всего электромобиля, что в некоторой степени указывает на то, что на один только IGBT приходится 7-10% от стоимости всего автомобиля.

Важность IGBT

Насколько важен IGBT?

Если привести яркую метафору, то это можно сравнить с комендантом общежития, который отвечает за электроснабжение в вашем общежитии.

Когда включать электричество, когда включать рубильник, дядя хорошо знает дорогу. Боссу все равно, сколько электричества вы даете. Если вы пользуетесь электричеством нерегулярно и тайно используете мощные электроприборы, то никаких обсуждений по поводу нареканий не будет.

В частности, IGBT может напрямую управлять преобразованием постоянного и переменного тока. Определяет крутящий момент и максимальную выходную мощность системы привода. От этого зависит разгонная способность вашего автомобиля, его максимальная скорость и энергоэффективность.

например:

Например, в электромобиле Tesla Model 3 источником энергии служат плотно упакованные батареи, которые обеспечивают постоянный ток напряжением 400 вольт.

Двигатель электромобиля должен использовать переменный ток для вращения. Изменяя частоту переменного тока, можно изменять скорость вращения двигателя, чтобы точно контролировать скорость движения и ускорение автомобиля. Все это происходит благодаря IGBT.

Другой пример - высокоскоростная железная дорога.

Во время движения поезда необходимо увеличить скорость с нуля до более чем 300 километров за короткий промежуток времени или плавно остановить высокоскоростной поезд за очень короткий промежуток времени.

Этот, казалось бы, простой процесс ускорения и замедления требует взаимодействия целого ряда соответствующих передающих устройств, тяговых преобразователей и другого электрооборудования. Это требует обеспечения предельной точности и надежности тока и напряжения, необходимых различным устройствам.

В современных технических условиях только мощные IGBT могут удовлетворить это требование.

Кроме того, во время процесса замедления, благодаря действию IGBT, энергия, генерируемая при замедлении поезда, может быть преобразована в электрическую энергию и подана обратно в электросеть.

Можно сказать, что устройство IGBT является "сердцем" поезда.

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ IGBT

Так сложно ли разрабатывать IGBT?

Это то же самое, что и традиционная разработка чипов для мобильных телефонов.

К наиболее важным отраслям промышленности IGBT относятся полупроводниковые материалы, такие как кремниевые пластины, фоторезисты и т. д. И сопутствующее оборудование, такое как машины для фотолитографии, машины для травления и т. д.

В соответствии с процессом производства микросхем, индустрию IGBT можно разделить на три звена: проектирование микросхем, производство пластин, упаковка и тестирование модулей.

Однако по сравнению с производственным процессом и оборудованием для микросхем мобильных телефонов, к микросхемам IGBT не предъявляются столь высокие требования.

Кроме того, микросхемы IGBT разной мощности имеют разные размеры. Как правило, чем выше уровень мощности, тем больше размер микросхемы.

В настоящее время наиболее конкурентоспособными производственными линиями для IGBT-продуктов являются 8- и 12-дюймовые.

Ведущим мировым производителем является немецкая компания Infineon, которая серийно выпускает IGBT-изделия на 12-дюймовых производственных линиях.

Большинство отечественных производителей пластин все еще находятся на стадии производства 6-дюймовых продуктов. В настоящее время в Китае массового производства 8-дюймовых продуктов достигли компании Shenzhen BYD, Zhuzhou CRRC Times и Huahong Hongli. Тем не менее, между их продукцией и мировыми лидерами все еще существует определенный разрыв.

И наконец, есть отрасли, связанные с производством IGBT.

Он включает в себя широкий спектр сегментов рынка применения. IGBT находят широкое применение в системах промышленного управления, новых энергетических транспортных средствах, бытовой электронике, накопителях энергии, железнодорожном транспорте, бытовой технике и других областях.

Ситуация с производством IGBT на внутреннем рынке

Технология IGBT долгое время была монополизирована горсткой экономически развитых стран.

Например, IGBT-модули, используемые в подвижном составе нашей страны, импортируются из Германии и Японии, особенно высококачественные IGBT-устройства.

В 2008 году была открыта первая в нашей стране высокоскоростная железная дорога - междугородняя железная дорога Пекин - Тяньцзинь. Впоследствии было открыто еще больше высокоскоростных железнодорожных линий, и спрос на IGBT увеличился вдвое.

Для стандартного EMU на 8 поездов требуется 152 IGBT-чипа. Стоимость одного только этого чипа достигает почти 2 миллионов юаней. Ежегодно китайскому производству высокоскоростных железных дорог приходится закупать за рубежом более 100 000 IGBT-модулей, а объем закупок превышает 1,2 миллиарда юаней.

В июне 2014 года, после шести лет неустанных усилий, 8-дюймовый IGBT-чип, самостоятельно разработанный нашей страной и обладающий всеми правами на интеллектуальную собственность, успешно сошел с производственной линии.

Это прерывает историю крупномасштабных полупроводниковых устройств без независимых чипов и свидетельствует о том, что наша высокоскоростная железная дорога имеет первое "китайское ядро".

Просвещение

Наконец, я хочу сказать:

Более десяти лет назад IGBT-чипы в основном доминировали в Европе и Японии.

IGBT для высокоскоростных железных дорог монополизированы японской компанией Mitsubishi Heavy Industries, а IGBT для электромобилей монополизированы немецкой компанией Infineon.

В настоящее время различные отечественные компании начали активизировать свои собственные исследования и разработки IGBT-чипов. Среди наиболее известных - Shenzhen BYD, Zhuzhou CRRC Times Electric, Hangzhou Silan Micro и др.

В настоящее время на китайские стандарты приходится 84% из 254 важных стандартов для высокоскоростных электропоездов, задействованных в Фуксинге.

Скорость высокоскоростного железнодорожного транспорта полностью зависит от моторного ремня.

Сердцем Fuxing является тяговый электродвигатель. В нем установлено 1 152 IGBT-чипа, которые обеспечивают бесперебойное движение высокоскоростных поездов. В настоящее время самостоятельно разработанная производственная линия Zhuzhou CRRC может выпускать 500 000 штук в год.

IGBT-чипы, производимые CRRC, могут не только удовлетворять собственные потребности, но и соответствовать стандартам для экспорта в зарубежные страны, а также достигли мирового уровня.

Надо сказать, что значимость китайских стандартов заключается в том, что каждый основной прорыв ведет к модернизации всей системы. Модернизация каждой системы в конечном итоге выведет китайское производство на мировой уровень.

Рекомендуем в этой статье: Инженерные решения для водохранилищ