中國(guó)工程院院士丁榮軍：汽車功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢(shì)

　　中國(guó)工程院院士丁榮軍的匯報(bào)分三個(gè)部分。

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

　　功率半導(dǎo)體器件最早都是由晶閘管后來變成GTO到MOSFET，到現(xiàn)在用得比較多的IGBT器件。IGBT器件跟傳統(tǒng)的器件相比，主要是驅(qū)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(jī)控制器等。IGBT器件包括原來講的功率半導(dǎo)體器件，都被譽(yù)為傳統(tǒng)系統(tǒng)，在高鐵里一樣，把它稱之為“心臟”。它主要起到能量傳輸和能量的點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，是電機(jī)控制系統(tǒng)的CPU。

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

　　就控制器技術(shù)發(fā)展來說，第一階段是單個(gè)模塊，到第二階段有些定制，現(xiàn)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(zhuǎn)電池、吸熱用電池，還是未來冷補(bǔ)電池，可能會(huì)把控制器和電機(jī)集成到一起去。

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

　　目前，國(guó)際上面絕大部分公司汽車用的IGBT器件都是定制的，國(guó)內(nèi)基本采用比較標(biāo)準(zhǔn)的封裝形式。下一步估計(jì)碳化硅由于它有很多的優(yōu)越性將會(huì)被用到汽車上面，現(xiàn)在由于它量不是很大，再加上成本還是很高，目前在汽車上面應(yīng)用還是有點(diǎn)困難。

　　第二部分想?yún)R報(bào)一下株洲所這幾年關(guān)于器件開發(fā)做的工作。

　　株洲所1959年成立，長(zhǎng)期從事電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，口號(hào)是“把高鐵的技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車上面來”。最核心的是1964年開始研究的晶閘管，到2008年收購(gòu)英國(guó)Dynex之后，進(jìn)入IGBT。到2014年開始建8英寸線，2015年建成，現(xiàn)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(gòu)以來，這幾年由最早的Dynex平面柵技術(shù)到現(xiàn)在高性能溝槽柵芯片技術(shù)，我們?nèi)嬲莆?，這為下一步汽車級(jí)IGBT開發(fā)奠定了非常好的基礎(chǔ)。

　　針對(duì)電動(dòng)汽車應(yīng)用來說，目前已經(jīng)開發(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，今天也帶來了，有興趣大家可以看一看，總體性能無論關(guān)閘性能還是過載能力，都達(dá)到了國(guó)際上的領(lǐng)先水平。

　　建立了完整的8英寸IGBT生產(chǎn)線，從芯片設(shè)計(jì)、制造和封裝都是自己完成的，采用精細(xì)化的溝槽設(shè)計(jì)后，對(duì)產(chǎn)品性能有非常好的提升。

　　這條生產(chǎn)線是世界上第二條8英寸的IGBT生產(chǎn)線，第一條是英國(guó)的德夫林建在馬來西亞。目前形成的能力是每年10萬片芯片，大概30萬IGBT，按原來的封裝形式是這樣的。

　　功率半導(dǎo)體器件從未來滿足用戶需求，現(xiàn)在已經(jīng)可以提供第一代采用平面柵標(biāo)準(zhǔn)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(jù)用戶需求可以提供。

　　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，從這可以看到，框的這塊采用雙面焊，把控制平臺(tái)和整個(gè)器件集中到一起，這樣也便于整車企業(yè)應(yīng)用，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。并且功率密度由原來的每升10-20千瓦，最高提到24-25千瓦。

　　這是功率半導(dǎo)體組件的建設(shè)情況。

　　采用雙面冷卻之后，對(duì)散熱的效率有很大的提升，特別是現(xiàn)在采用智能，把驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和器械結(jié)合在一起以后，更加可以提高整個(gè)驅(qū)動(dòng)器電機(jī)控制器的安全性能。

　　這是最新批量生產(chǎn)兩種型號(hào)的產(chǎn)品，第一種型號(hào)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(xiàn)場(chǎng)來了。

　　這是關(guān)于功率半導(dǎo)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)不是原來單個(gè)IGBT模塊的概念，是變流器的概念。

　　這是下一代正在開發(fā)的碳化硅，正在建設(shè)生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)今年6、7月份這條生產(chǎn)線會(huì)建成。并且現(xiàn)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(yīng)用。

　　下一步發(fā)展規(guī)劃。

　　關(guān)于IGBT在現(xiàn)在工業(yè)基礎(chǔ)上，下一步第一通過溝槽柵精細(xì)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;第三通過開發(fā)智能節(jié)能芯片，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)健康管理。下一步過渡到碳化硅上面去。

　　目前產(chǎn)品規(guī)劃，今年開始將推出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)。