Antes de começar o vídeo, deixem-me perguntar-vos:
Qual é, na sua opinião, o componente mais importante de um veículo elétrico?
Dar-lhe algumas opções
1.Bateria
2. Motor
3. outros componentes
Prevejo visualmente que mais pessoas escolherão 2, por isso parabéns pela resposta correta!
Mas o componente mais importante do motor, sabe o que é?
Pois bem, é o protagonista do nosso vídeo desta edição - o chip IGBT.
Introdução ao IGBT
Então, quem é exatamente o IGBT?
O chamado IGBT é um transístor bipolar de porta isolada.
É um dispositivo semicondutor de potência composto, totalmente controlado por tensão, composto por BJT, que é um transístor de junção bipolar, e MOS, que é um transístor de efeito de campo de porta isolada.
Sente-se um pouco tonto?
Em primeiro lugar, a Pequena Baleia dá-lhe a conhecer um pouco da ciência popular sobre a classificação dos dispositivos semicondutores.
Tem principalmente dois métodos de classificação, se é controlável e o modo de condução.
A questão de saber se é controlável ou não é ainda subdividida:
Tipo não controlável, ou seja, não pode ser controlado por um sinal de controlo, como os díodos de potência normais.
Tipo semi-controlado, ou seja, pode controlar a condução, mas não pode controlar o desligamento, como os tiristores comuns.
Tipo de controlo total, ou seja, pode controlar a sua ligação e desligamento, como o IGBT.
Em termos de métodos de acionamento, divide-se em acionamento por corrente, que pode, em última análise, ser ligado e desligado por sinais de corrente, como o BJT de tríodo.
O acionamento por tensão significa que, em última análise, pode ser controlado para ligar e desligar por sinais de tensão, como o IGBT.
Os fãs mais atentos devem ter reparado que mencionei anteriormente que o IGBT é um transístor, por isso é considerado um chip?
Tomemos como exemplo o chip Kirin 990 5G da Huawei.
A área do seu chip é de 113,31 milímetros quadrados, e até 10,3 mil milhões de transístores estão integrados num espaço tão pequeno.
Normalmente, verifica-se que o chip é composto por transístores de grande escala, pelo que, em rigor, um único IGBT não pode ser classificado como um chip, mas sim como um dispositivo semicondutor de potência.
Atualmente, de um modo geral, os chips IGBT incluem dispositivos de potência IGBT e muitas outras coisas.
Função IGBT
A principal função do IGBT é controlar e transmitir energia eléctrica.
Pode suportar mais de 6500W de potência e pode atingir 100.000 acções de comutação de corrente em apenas 1 segundo durante o funcionamento.
Nunca subestime esta função!
A razão pela qual os veículos eléctricos actuais não necessitam de conceber sistemas mecânicos complexos, como motores e caixas de velocidades, deve-se à existência do IGBT.
E os chips IGBT, tal como os chips de circuitos integrados de 7nm e 5nm que mencionamos todos os dias, são também projectos-chave de apoio ao projeto especial nacional 02. O projeto especial 02 refere-se ao segundo dos 16 principais projectos de avanço tecnológico do país durante o período do “Décimo Segundo Plano Quinquenal”.
Por outras palavras, este chip é atualmente o produto tecnologicamente mais avançado em termos de dispositivos electrónicos de potência.
Tomemos como exemplo os nossos computadores de uso corrente.
Se um computador quiser efetuar cálculos a alta velocidade, precisa de uma CPU.
Condutores como os nossos comboios de alta velocidade ou veículos eléctricos também precisam de um dispositivo para converter a corrente, e o IGBT é um CPU que converte a energia eléctrica.
De acordo com as estatísticas, 60% da produção total de eletricidade do meu país é utilizada em vários tipos de motores.
Se forem utilizados dispositivos IGBT para controlar a frequência e a velocidade do motor, a energia eléctrica consumida pelo motor pode ser poupada em cerca de 1/3, o que pode poupar 20% da produção total de energia do país, o que equivale à eficiência de cinco novas barragens de Três Gargantas.
Classificação do IGBT
De acordo com a tensão de funcionamento, os módulos IGBT dividem-se geralmente em três categorias.
Baixa tensão inferior a 600V
Média tensão 600V-1200V
Alta tensão 1700V-6500V
Os módulos IGBT de baixa tensão são geralmente utilizados nos domínios da eletrónica de consumo e dos componentes automóveis.
Os módulos IGBT de média tensão são geralmente utilizados em veículos de energia nova, controlo industrial, electrodomésticos e outros domínios.
Os módulos IGBT de alta tensão são geralmente utilizados no trânsito ferroviário, na produção de energia para novas energias, em redes inteligentes e noutros domínios.
Em termos de veículos eléctricos, o IGBT tornou-se a maior parte do sistema de acionamento elétrico dos veículos eléctricos, sendo diretamente responsável por metade do custo.
O sistema de tração eléctrica representa cerca de 15-20% do custo de todo o veículo elétrico, o que, em certa medida, indica que o IGBT, por si só, representa 7-10% do custo de todo o veículo.
Importance of IGBT
How important is IGBT?
To give a vivid metaphor, it is like the dormitory manager who is in charge of the power supply in your dormitory.
When to turn on the power, when to turn on the switch, the uncle is familiar with the road. The boss doesn’t care how much electricity you give. If you use electricity irregularly and secretly use high-power electrical appliances, there will be no discussion on reporting criticism.
Specifically, IGBT can directly control the conversion of DC and AC power. Determines the torque and maximum output power of the drive system. So the acceleration capability of your car, its top speed, and its energy efficiency all depend on it.
for example:
For example, on the electric car Tesla Model 3, the power source is densely packed batteries, which provide 400 volts of direct current.
The electric vehicle’s motor must use alternating current to rotate. By changing the frequency of the motor’s alternating current, the motor’s speed is changed to accurately control the vehicle’s driving speed and acceleration capability. This is all due to IGBT.
Another example is the high-speed rail.
During train operation, the speed must be increased from zero to more than 300 kilometers in a short period of time, or a high-speed train must be stopped smoothly in a very short period of time.
This seemingly simple acceleration and deceleration process requires the cooperation of a series of related transmission equipment, traction converters and other electric equipment. This requires ensuring that the current and voltage required by various devices are extremely accurate and reliable.
Under current technical conditions, only high-power IGBTs can meet this demanding requirement.
Moreover, during the deceleration process, through the action of IGBT, the energy generated by the train deceleration can also be converted into electrical energy and fed back to the power grid.
It can be said that the IGBT device is the “heart” of train operation.
IGBT R&D
So is it difficult to develop IGBT?
It’s the same as traditional mobile phone chip development.
The most important upstream industries of the IGBT industry include semiconductor materials, such as silicon wafers, photoresists, etc. And related equipment such as photolithography machines, etching machines, etc.
According to the chip manufacturing process, the IGBT industry can be divided into three links: chip design, wafer manufacturing, module packaging and testing.
However, compared with the manufacturing process and equipment of mobile phone chips, IGBT chips do not have such high requirements.
In addition, IGBT chips of different power levels also have different sizes. Generally speaking, the higher the power level, the larger the chip size will be.
Currently, the most competitive production lines for IGBT products are 8-inch and 12-inch.
The world’s leading manufacturer is Germany’s Infineon, which has mass-produced IGBT products on 12-inch production lines.
Most domestic wafer manufacturers are still at the 6-inch product stage. At present, Shenzhen BYD, Zhuzhou CRRC Times and Huahong Hongli have achieved mass production of 8-inch products in China. However, there is still a certain gap between its product yield and international leaders.
Finally, there are the downstream industries of the IGBT industry.
It includes a wide range of application market segments. IGBT has a large number of applications in industrial control, new energy vehicles, consumer electronics, power energy storage, rail transportation, household appliances and other fields.
IGBT domestic production situation
IGBT technology has long been monopolized by a handful of economically developed countries.
For example, the IGBT modules used in my country’s rolling stock are imported from Germany and Japan, especially high-grade IGBT devices.
In 2008, my country’s first high-speed rail, the Beijing-Tianjin intercity railway, was opened. Subsequently, more high-speed rail lines were opened, and the demand for IGBTs doubled.
An 8-train standard EMU requires 152 IGBT chips. The cost of this chip alone is as high as nearly 2 million yuan. Every year, China’s high-speed rail manufacturing needs to purchase more than 100,000 IGBT modules from abroad, with procurement funds exceeding 1.2 billion yuan.
In June 2014, after six years of unremitting efforts, the 8-inch IGBT chip independently developed by my country and with complete intellectual property rights was successfully rolled off the production line.
It breaks the history of large-scale semiconductors without independent chips and indicates that our high-speed rail has the first “Chinese core”.
Enlightenment
Finally, I want to say:
More than ten years ago, IGBT chips were basically dominated by Europe and Japan.
IGBTs for high-speed rail are monopolized by Mitsubishi Heavy Industries of Japan, and IGBTs for electric vehicles are monopolized by Infineon of Germany.
Nowadays, various domestic companies have begun to step up their own research and development of IGBT chips. Among the more famous ones are Shenzhen BYD, Zhuzhou CRRC Times Electric, Hangzhou Silan Micro, etc.
Currently, Chinese standards account for 84% of the 254 important standards for high-speed EMUs involved in Fuxing.
The speed of high-speed rail depends entirely on the motor belt.
The heart of Fuxing is the traction motor. It has 1,152 IGBT chips, which can make high-speed trains run smoothly. Currently, Zhuzhou CRRC’s independently developed production line can produce 500,000 pieces per year.
The IGBT chips produced by CRRC can not only meet its own needs, but also meet the standards for export to foreign countries, and have also reached world-class levels.
It must be said that the significance of Chinese standards lies in the fact that every core breakthrough drives the upgrade of the entire system. The upgrade of each system will eventually make China’s manufacturing go global.
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