丁荣军：汽车功率半导体器件的发展趋势

【中国工程院院士 丁荣军】

　　我的汇报分三个部分。

　　首先简单介绍汽车功率半导体器件的发展趋势。

　　功率半导体器件最早都是由晶闸管后来变成GTO到MOSFET，到现在用得比较多的IGBT器件。IGBT器件跟传统的器件相比，主要是驱动比较简单，同时损耗比较小，比较适合用于牵引传动包括电机控制器等。IGBT器件包括原来讲的功率半导体器件，都被誉为传统系统，在高铁里一样，把它称之为“心脏”。它主要起到能量传输和能量的点的转换，是电机控制系统的CPU。

　　目前电动汽车器件大概占到控制器总成本的30%左右，目前在国内市场上用的电机控制器芯片基本由外国公司提供。

　　就控制器技术发展来说，第一阶段是单个模块，到第二阶段有些定制，现在慢慢进入第三阶段，采用双面冷却集成，发展到最后不管是旋转电池、吸热用电池，还是未来冷补电池，可能会把控制器和电机集成到一起去。

　　现在IGBT发展到第二阶段中间这一块，第三阶段双面结合的正在研究过程中，发展很快即将会推出。

　　目前，国际上面绝大部分公司汽车用的IGBT器件都是定制的，国内基本采用比较标准的封装形式。下一步估计碳化硅由于它有很多的优越性将会被用到汽车上面，现在由于它量不是很大，再加上成本还是很高，目前在汽车上面应用还是有点困难。

　　第二部分想汇报一下株洲所这几年关于器件开发做的工作。

　　株洲所1959年成立，长期从事电驱动系统，口号是“把高铁的技术应用到电动汽车上面来”。最核心的是1964年开始研究的晶闸管，到2008年收购英国Dynex之后，进入IGBT。到2014年开始建8英寸线，2015年建成，现在已经从650伏到6500伏，全系列IGBT将进入市场，并且在去年已经批量出口到印度。

　　从并购以来，这几年由最早的Dynex平面栅技术到现在高性能沟槽栅芯片技术，我们全面掌握，这为下一步汽车级IGBT开发奠定了非常好的基础。

　　针对电动汽车应用来说，目前已经开发了三款，包括750V/200A、1200V/200A、750V/300A，300A是双面焊的，后面会介绍到，今天也带来了，有兴趣大家可以看一看，总体性能无论关闸性能还是过载能力，都达到了国际上的领先水平。

　　建立了完整的8英寸IGBT生产线，从芯片设计、制造和封装都是自己完成的，采用精细化的沟槽设计后，对产品性能有非常好的提升。

　　这条生产线是世界上第二条8英寸的IGBT生产线，第一条是英国的德夫林建在马来西亚。目前形成的能力是每年10万片芯片，大概30万IGBT，按原来的封装形式是这样的。

　　功率半导体器件从未来满足用户需求，现在已经可以提供第一代采用平面栅标准模块，到第二代双面沟槽栅，包括同件建核的，包括平面双面焊的，根据用户需求可以提供。

　　整个工艺在这时间关系不具体介绍，如果大家有兴趣也欢迎去株洲看一看。

　　从功率组件角度，通用IGBT建了生产线，从这可以看到，框的这块采用双面焊，把控制平台和整个器件集中到一起，这样也便于整车企业应用，相对比较简单。并且功率密度由原来的每升10-20千瓦，最高提到24-25千瓦。

　　这是功率半导体组件的建设情况。

　　采用双面冷却之后，对散热的效率有很大的提升，特别是现在采用智能，把驱动系统和器械结合在一起以后，更加可以提高整个驱动器电机控制器的安全性能。

　　这是最新批量生产两种型号的产品，第一种型号是额定功率60千瓦，峰值功率到120千瓦，还有额定功率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，今天把样品带到现场来了。

　　这是关于功率半导体组件，这是最新的，左下角图可以看到，器械都已经集中到一起，已经不是原来单个IGBT模块的概念，是变流器的概念。

　　这是下一代正在开发的碳化硅，正在建设生产线，预计今年6、7月份这条生产线会建成。并且现在碳化硅采用IGBT和碳化硅二极管反变量二极管混合型，1500伏的器械已经在地铁上得到批量应用。

　　下一步发展规划。

　　关于IGBT在现在工业基础上，下一步第一通过沟槽栅精细技术提高功率技术；第二采用同功率损耗，降低控制器的重量；第三通过开发智能节能芯片，对整个系统是一个健康管理。下一步过渡到碳化硅上面去。

　　目前产品规划，今年开始将推出IGBT功率组件这个产品，到2020年，希望碳化硅的功率模块会推向市场。