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2023中国汽车半导体产业发展分析报告2:IGBT(上)

2024年3月1日
  • 编辑:Ana Hu
  • 中国出海半导体网

 

不久前,中国汽车技术研究中心有限公司、《中国汽车报》联合爱集微咨询(厦门)有限公司对几十家半导体企业进行了调研分析,并发布了《中国汽车半导体产业发展白皮书2023》。中国出海半导体网将为您解构此份报告,在上一期的分享中我们看到的是报告的总览部分,从企业营收、供应链以及自给率几个方向探讨了2023年中国汽车半导体产业的概况。

本期内容中,我们将探究2023年汽车IGBT板块的表现情况,在这个篇章中,我们将从三大方面着手,分别是:IGBT在新能源汽车中的主要应用情况、全球汽车IGBT市场规模,以及中国汽车IGBT国产化情况分析。

新能源汽车的三电系统,包括电池总成、电机总成、高压电控总成,是新一代汽车的核心组成部分。在这一系统中,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为功率模块的重要组成部分,在电机控制器、主逆变器、OBC、DC-DC变换器等关键部件中发挥着关键作用。IGBT的应用不仅决定了电动汽车的性能,而且对于实现高效的能量转换和充电效率至关重要。

一、IGBT在新能源汽车中的主要应用

  • 新能源汽车三电系统

随汽车电动化程度升级,传统燃油车的油箱、发动机、变速箱等被新能源汽车“三电”等所取代。与传统汽车相比较,新能源汽车三大核心部件分别为电池总成:指电池和电池管理系统;电机总成:指电动机和电动机控制器;高压电控总成:包含车载充电机(OBC)、车载DC-DC变换器、电动空调、PTC、高压配电盒和其他高压部件,主要部件是车载充电机(OBC)和车载DC-DC变换器。

图1:新能源汽车三电系统结构图

1:新能源汽车三电系统结构图

新能源汽车动力系统=电池+电驱(电机+电控),在新能源汽车中,电池是基础能源与动力来源,驱动电机则将此车载能源转化为行驶动力,而电控系统控制整个车辆的运行与动力输出。

电机结构的电机驱动系统是新能源汽车行驶中的主要执行结构,相当于燃油车的发动机,其性能决定了汽车的加速、爬坡能力以及最高车速等。电机控制器是新能源汽车中连接电池与电机的电能转换单元,在电动车行驶过程中,电机控制器将动力电池提供的直流电,逆变成驱动电机所需要的交流电,驱动电动车前进。电机控制器主要由IGBT等功率模块及其关联电路等硬件部分,以及电机控制算法及逻辑保护等软件部分组成。

高压“电控”总成中的车载电源系列产品是新能源汽车必备,主要包括车载OBC,DC-DC变换器及车载电源集成产品等,车载OBC和DC-DC变换器是实现车载电源功率突破的关键零部件。

OBC:新能源汽车的充电方式主要包括交流电充电和直流电充电两种。当使用交流电充电时,由于动力电池输入端口要求为直流电,需使用OBC将交流电转换为直流电;当新使用直流电充电时,直流电可直接适配动力电池输入端口,此时无需使用车载充电机。

DC-DC变换器:新能源汽车低压用电设备运行时无法直接从高压动力电池取电,而是从低压蓄电池取电或通过DC-DC变换器从高压动力电池取电;低压蓄电池中储存的能量亦是通过DC-DC变换器从高压动力电池取电获得。

汽车热管理系统是从系统集成和整体的角度出发,统筹热量与整车运用之间的关系。传统汽车在启动的时候,发动机燃烧石油产生大量的热量,汽车利用这些热量进行调节空调、加热座椅、除雾、除霜等供暖活动。新能源车上电机代替发动机工作,电机在工作时候产生的热量较少,且电池包中的电芯对温度极为敏感,需要一定的温度来保证电池包安全有效的储存和转化,为了满足空调供暖需求和低温下对电池包加热以提高低温续航里程,新能源车采用PTC加热器和热泵为车内空调系统和电池加热系统提供热源。

表1:电机电控重要部件介绍

表1电机电控重要部件介绍

 

  • IGBT在新能源汽车中的应用

IGBT是决定新能源汽车性能的核心器件之一,主要应用在逆变器、车载充电机(OBC)、DC-DC变换器等,此外还广泛应用在PTC加热器、水泵、油泵、空调压缩机等辅逆变器中。在电动化程度较低的汽车中,由于其电池输出电压低,功率器件工作的功率范围不高,可以用MOSFET替代辅助逆变电路、DC-DC直流斩波电路中的IGBT,以达到控制成本的目的。目前SiC在新能源汽车中渗透率逐步提升,SiC模块主要应用于主逆变器,SiC MOS单管用在OBC和充电桩领域。

表2-:IGBT-在新能源车中应用

表2IGBT在新能源车中应用

图2:IGBT-在新能源车中应用(示意图)

2:IGBT在新能源车中应用(示意图)

 

  • IGBT在主逆变器中的应用

IGBT是新能源汽车主逆变器的核心器件。在电动汽车中,电机驱动汽车往前行进,其运转及能量分配由电控系统实现。其中,电控的主要部分﹣逆变器将电池提供的直流电转换为电动机所需的交流电,向电动动力总成提供电能,IGBT是逆变器的核心部件。以英飞凌的主逆变器解决方案为例,IGBT数量则取决于工作电压/电流要求及封装形式(单管/模块):在电机电控中,N个IGBT芯片并联构成了桥臂的上桥或者下桥,每一套功率芯片对应一套驱动及隔离保护;每相电对应上下一组共2N个IGBT芯片,三相电总共对应6N个IGBT芯片,最后与6N个FRD芯片一起封装为一个模块。

图3:IGBT在主逆变器中的应用

3:IGBT在主逆变器中的应用

  • IGBT在OBC中的应用

当前电动车和插电式混合动力汽车充电主要分为直流充电和交流充电,在交流充电中,需要通过OBC将电网的交流电转化为直流电供电池充电。充电时间和充电效率也是当前汽车用户考虑的重要因素,因此选择高功率密度的功率器件对于充电效率的提升大有助力。在车载充电领域,未来长期趋势是朝着双向充电的方向发展,充电器还将汽车的电力馈送到智能充电设备。

图4:IGBT在-OBC-中的应用

4:IGBT在OBC中的应用

  • IGBT在DC-DC中的应用

IGBT广泛应用于汽车HV-LV DC-DC转换器中的高压侧功率平台。由于新能源汽车中的各种电子元件需要不同的电压电平:一方面,高压电池等级不同,另一方面,低压侧应用数量不同对应的功率等级可从1kW扩展到5kW;因此需要DC-DC转换器对高压电池(400-800V)产生的电能进行电压转换后向低压(12V)电源系统供电。相应地,系统组件的额定电压在高压侧上需要达到650V-1200V,IGBT作为高压侧主要功率器件被大量选用。

图5:IGBT在-DC-DC-中的应用

5:IGBT在DC-DC中的应用

  • IGBT在辅助系统中的应用

IGBT在辅助系统如高压加热器、辅助逆变器中作为重要器件实现电能转换。纯电动汽车在高压交流(HVAC)系统中需要加热源用于电池组加热、空调系统加热、除霜除雾加热及座椅加热等,在高压加热器子系统中需通过功率器件(IGBT)与HV电池进行互连。此外,辅助逆变器、汽车压缩机、油泵和冷却泵等均需通过HVAC进行驱动。

 

下期内容预告:

在下一节的内容中,我们将来看全球汽车IGBT市场规模及预测。敬请期待。