對新能源車來說，電池、VCU、BMS、電機效率都缺乏提升空間，最有提升空間的當屬電機驅動部分，而電機驅動部分最核心的元件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管芯片）則是最需要重視的。

IGBT約占電機驅動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅動系統(tǒng)占整車成本的15-20%，也就是說IGBT占整車成本的7-10%，是除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。

不僅電機驅動要用IGBT，新能源的發(fā)電機和空調部分一般也需要IGBT。不僅是新能源車，直流充電樁和機車（高鐵）的核心也是IGBT管，直流充電樁30%的原材料成本就是IGBT。電力機車一般需要 500 個IGBT 模塊，動車組需要超過100個IGBT模塊，一節(jié)地鐵需要50-80個 IGBT 模塊。

除了日系廠家，英飛凌包攬了幾乎所有電動車的IGBT，而三菱電機則沉醉于中國高鐵的豐厚利潤中無法自拔，在低于2500V市場幾乎一無所獲。

2016年全球電動車銷量大約200萬輛，共消耗了大約9億美元的IGBT管，平均每輛車大約450美元，是電動車里除電池外最昂貴的部件。

其中，混合動力和PHEV大約77萬輛，每輛車需要大約300美元的IGBT，純電動車大約123萬輛，平均每輛車使用540美元的IGBT，大功率的純電公交車用的IGBT可能超過1000美元。

什么是 IGBT？

IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。

與以前的各種電力電子器件相比，IGBT具有以下特點：高輸入阻抗，可采用通用低成本的驅動線路；高速開關特性；導通狀態(tài)低損耗。

IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點，在綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢，非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

上圖主要是通過脈沖寬度調制(PWM)的方式控制IGBT開關，將電流從DC轉換到AC（電池到電機，驅動電機)或者從AC轉化到DC（電機到電池，剎車、下坡時能量回收）。

對于混合動力，除驅動電機外，另外還有一個發(fā)電機，可以由汽車的發(fā)動機帶動其發(fā)電，然后通過IGBT模塊AC/DC轉換后向電池充電。在DM車型中，該發(fā)電機還可以充當驅動電機的作用。

IGBT最常見的形式其實是模塊（Module），而不是單管。

模塊的3個基本特征：

?多個芯片以絕緣方式組裝到金屬基板上；
?空心塑殼封裝，與空氣的隔絕材料是高壓硅脂或者硅脂，以及其他可能的軟性絕緣材料；

?同一個制造商、同一技術系列的產品，IGBT模塊的技術特性與同等規(guī)格的IGBT 單管基本相同。

模塊的主要優(yōu)勢有以下幾個：

?多個IGBT芯片并聯(lián)，IGBT的電流規(guī)格更大。
?多個IGBT芯片按照特定的電路形式組合，如半橋、全橋等，可以減少外部電路連接的復雜性。

?多個IGBT芯片處于同一個金屬基板上，等于是在獨立的散熱器與IGBT芯片之間增加了一塊均熱板，工作更可靠。

?一個模塊內的多個IGBT芯片經過了模塊制造商的篩選，其參數(shù)一致性比市售分立元件要好。

?模塊中多個IGBT芯片之間的連接與多個分立形式的單管進行外部連接相比，電路布局更好，引線電感更小。

?模塊的外部引線端子更適合高壓和大電流連接。同一制造商的同系列產品，模塊的最高電壓等級一般會比IGBT 單管高1-2個等級，如果單管產品的最高電壓規(guī)格為1700V，則模塊有2500V、3300V 乃至更高電壓規(guī)格的產品。

晶圓上的一個最小全功能單元稱為Cell，晶圓分割后的最小單元，構成IGBT 單管或者模塊的一個單元的芯片單元，合稱為IGBT的管芯。

一個IGBT管芯稱為模塊的一個單元，也稱為模塊單元、模塊的管芯。模塊單元與IGBT管芯的區(qū)別在最終產品，模塊單元沒有獨立的封裝，而管芯都有獨立的封裝，成為一個IGBT管。

近來還有一種叫IPM的模塊，把門級驅動和保護電路也封裝進IGBT模塊內部，這是給那些最懶的工程師用的，不過工作頻率自然不能太高咯。

單管的價格要遠低于模塊，但是單管的可靠性遠不及模塊。全球除特斯拉和那些低速電動車外，全部都是使用模塊，只有特斯拉對成本的重視程度遠高于對人命的重視程度。

特斯拉Model X使用132個IGBT管，由英飛凌提供，其中后電機為96個，前電機為36個，每個單管的價格大約4-5美元，合計大約650美元。

如果改用模塊的話，估計需要12-16個模塊，成本大約1200-1600美元。特斯拉使用單管的原因主要是成本，尤其是其功率比一般的電動車要大不少，加上設計開發(fā)周期短，不得不采用單管設計。

相比寶馬I3，采用英飛凌新型HybridPACK 2模塊設計，每個模塊內含6個單管型IGBT，750V/660A，電流超大，只需要兩個模塊即可，體積大大縮小，成本大約300美元。

采用英飛凌的新型HybridPACK 2模塊設計，每個模塊內含6個單管型IGBT，750V/660A，電流超大，只需要兩個模塊即可，體積大大縮小。

IGBT的關鍵：散熱和背板工藝

IGBT的關鍵有兩點，一是散熱，二是背板工藝。

的正面工藝和標準BCD的LDMOS沒區(qū)別，區(qū)別在背面，背面工藝有幾點，首先是減薄，大約需要減薄6-8毫米，減得太多容易碎片，減得太少沒有效果。接下來是離子注入，注入一層薄磷做緩沖層，第四代需要兩次注入磷，本來硅片就很薄了，兩次注入很容IGBT易碎片。

然后是清洗，接下來金屬化，在背面蒸鍍一層鈦或銀，最后是Alloy，因為硅片太薄，很容易翹曲或碎片。英飛凌特別擅長減薄技術。

這些工藝不僅需要長期摸索，同時還需要針對工藝開發(fā)生產設備，只有對生產線和設備都非常精通的企業(yè)才能勝任。

自第六代以后，IGBT自身的潛力已經挖掘的差不多了，大家都把精力轉移到IGBT的封裝上，也就是散熱。

車用IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級要高得多，逆變器內溫度最高可達大20度，同時還要考慮強振動條件，車規(guī)級的IGBT遠在工業(yè)級之上。

工業(yè)級IGBT與車規(guī)級IGBT對比：

解決散熱的第一點，就是提高 IGBT模塊內部的導熱導電性能、耐受功率循環(huán)的能力， IGBT模塊內部引線技術經歷了粗鋁線鍵合、 鋁帶鍵合再到銅線鍵合的過程，提高了載流密度。

第二點，新的焊接工藝，傳統(tǒng)焊料為錫鉛合金， 成本低廉、工藝簡單， 但存在環(huán)境污染問題， 且車用功率模塊的芯片溫度已經接近錫鉛焊料熔點（220℃）。

解決該問題的新技術主要有：低溫銀燒結技術和瞬態(tài)液相擴散焊接。與傳統(tǒng)工藝相比， 銀燒結技術的導熱性、耐熱性更好， 具有更高的可靠性。

瞬態(tài)液相擴散焊接通過特殊工藝形成金屬合金層， 熔點比傳統(tǒng)焊料高， 機械性能更好。三菱則使用超聲波焊接。

第三點，改進DBC和模塊底板，降低散熱熱阻， 提高熱可靠性， 減小體積，降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常規(guī)陶瓷，熱導率更高，與Si 材料的熱膨脹系數(shù)匹配更好。

此外，新型的散熱結構，如 Pin Fin結構 和 Shower Power結構， 能夠顯著降低模塊的整體熱阻，提高散熱效率。

第四點，就是擴大模塊與散熱底板間的連接面積，如端子壓接技術。

散熱的關鍵是材料，而材料科學是一個國家基礎科學的體現(xiàn)。SiC能將新能源車的效率再提高10%，這是新能源車提高效率最有效的技術。