對新能源車來說，電池、VCU、BSM、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約佔電機驅動系統成本的一半，而電機驅動系統佔整車成本的15-20%，也就是說IGBT佔整車成本的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，新能源的發電機和空調部分一般也需要IGBT。也正因為IGBT太重要，豐田在開發混合動力車時就認定IGBT管要完全控制在手中，豐田也是全球唯一能夠自產IGBT管的汽車廠家（自產，而不是買別人的晶圓再做封裝），普銳斯也因此獲得強大的生命力，也是目前全球唯一的強混合動力車。
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，一節地鐵需要 50-80 個 IGBT 模塊。
三菱電機的HVIGBT已經成為業內默認的標準，中國的高速機車用IGBT由三菱完全壟斷，同時歐洲的阿爾斯通、西門子、龐巴迪也是一半以上採用三菱電機的IGBT。
除了日系廠家，英飛凌包攬了幾乎所有電動車的IGBT，而三菱電機則沉醉於中國高鐵的豐厚利潤中無法自拔，在低於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，是電動車裡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。
和MOS相比，IGBT管在低於400伏的低壓領域完全無優勢，無論開關頻率還是價格，MOS優勢都非常明顯。400伏領域，安森美剛剛收購的仙童半導體居於領導地位。
汽車主要是600V到1200V之間，英飛凌具有壓倒性優勢，安森美雖然在600V-1200V領域也有市場，但主要是非車載領域。三菱和富士電機，則分享了日本市場。而豐田混動所用的IGBT全部內部完成，不假手外人。
什麼是 IGBT？
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的複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，可採用通用低成本的驅動線路；高速開關特性；導通狀態低損耗。
IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點：驅動功率小而飽和壓降低，是一種適合於中、大功率應用的電力電子器件。
IGBT在綜合性能方面佔有明顯優勢，非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
上圖主要是通過脈衝寬度調製(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）。
這個原理類似空調的變頻，變頻空調中都裝有變頻器，這個變頻控制器是如何工作的？
國內規定的電壓220V，頻率50Hz的電流經整流濾波後得到310V左右的直流電，此直流電經過逆變後，就可以得到用以控制壓縮機運轉的變頻電源，這就能將50赫茲的電網頻率轉變為30-130赫茲，利用電源頻率可以控制平滑控制壓縮機轉速，達到自動無級變速，使壓縮機始終處於最佳工作狀態。
在電動車上，可以把電機看成壓縮機。兩者原理幾乎完全一致。
對於混合動力，除驅動電機外，另外還有一個發電機，可以由汽車的發動機帶動其發電，然後通過IGBT模塊AC/DC轉換後向電池充電。在DM車型中，該發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個基本特徵：
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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；
同一個製造商、同一技術系列的產品，IGBT模塊的技術特性與同等規格的IGBT 單管基本相同。
模塊的主要優勢有以下幾個：
多個IGBT芯片並聯，IGBT的電流規格更大。
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複雜性。
多個IGBT芯片處於同一個金屬基板上，等於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芯片經過了模塊製造商的篩選，其參數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，電路佈局更好，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。同一製造商的同系列產品，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格為1700V，則模塊有2500V、3300V 乃至更高電壓規格的產品。
晶圓上的一個最小全功能單元稱為Cell，晶圓分割後的最小單元，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。
單管的價格要遠低於模塊，但是單管的可靠性遠不及模塊。全球除特斯拉和河北山東那些低速電動車外，全部都是使用模塊，只有特斯拉對成本的重視程度遠高於對人命的重視程度。
特斯拉Model X使用132個IGBT管，由英飛凌提供，其中後電機為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，加上設計開發週期短，不得不採用單管設計。
相比寶馬I3，採用英飛凌新型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。
採用英飛凌的新型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。
典型新能源車功率系統對比：
可以看出豐田的功率密度是國內密度的三倍左右，差距巨大。
IGBT目前已經發展到7.5代，第7代由三菱電機在2012年推出，三菱電機目前的水平可以看作7.5代，同時IGBT的下一代SiC技術已經在日本全面普及，無論三菱這樣的大廠還是Fuji、Rohm這樣的小廠都有能力輕鬆製造出SiC元件，我國目前停留在第三代水平上，差距在20年以上。
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。
IGBT的正面工藝和標準BCD的LDMOS沒區別，區別在背面，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，注入一層薄磷做緩衝層，第四代需要兩次注入磷，本來硅片就很薄了，兩次注入很容易碎片。
然後是清洗，接下來金屬化，在背面蒸鍍一層鈦或銀，最後是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。
*全球IGBT企業排名
這些工藝不僅需要長期摸索，同時還需要針對工藝開發生產設備，只有對生產線和設備都非常精通的企業才能勝任，絕大多數廠家的IGBT生產線設備都是內部開發的，特別是日本。
IGBT每升一級一代，無論硅片還是封裝設備都需要企業內部完成，而中國習慣買生產線，根本沒有自制設備的能力，更不要說升級設備。
EV用功率模塊封裝技術發展
自第六代以後，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，車規級的IGBT遠在工業級之上。
工業級IGBT與車規級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，傳統焊料為錫鉛合金， 成本低廉、工藝簡單， 但存在環境汙染問題， 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液相擴散焊接。與傳統工藝相比， 銀燒結技術的導熱性、耐熱性更好， 具有更高的可靠性， Semikron 的 SkiN 技術已採用了銀燒結工藝。
瞬態液相擴散焊接通過特殊工藝形成金屬合金層， 熔點比傳統焊料高， 機械性能更好， Infineon已經將其應用在襯板焊接工藝中。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等常規陶瓷，熱導率更高，與Si 材料的熱膨脹係數匹配更好。
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。三菱第七代採用了厚銅陶瓷基板，大大提高熱導率。
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，中國在這方面非常落後，日本則遙遙領先，不僅在德國之上，還在美國之上。
IGBT的下一代SiC（碳化硅）技術已經嶄露頭角，鑑於它的重要性，豐田決定完全自主生產，實際豐田SiC的研究自上世紀80年代就開始了，足足領先全球30年。要知道豐田是車企，而不是功率半導體企業，SiC基板是關鍵，2014年豐田已經能試產SiC。
三菱電機從 1994 年開始，已經啟動碳化硅的功率器件的研究，至今已有 20 多款產品面世，部分產品應用在日本新幹線和 700 系列車上。三菱電機在牽引變流器、工業自動化、變頻空調器裡面都已採用混合碳化硅功率模塊，並實現商業化。
順便說下，三菱電機功率器件的CTO是位美國人，但美國人熱衷於互聯網等偏軟件層面賺快錢的科技，這位GourabMajumdar 博士鬱郁不得志，到了三菱後就大展拳腳。
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。豐田汽車就表示：“SiC具有與汽油發動機同等的重要性。”
SiC有多重要？
目前限制SiC應用主要是兩方面，一是價格，其價格是傳統Si型IGBT的6倍。其次是電磁干擾。 SiC的開關頻率遠高於傳統Si型IGBT，迴路寄生參數已經大到無法忽略。
SiC基板是關鍵，落後日本企業很多的英飛凌在2016年7月決定收購美國CREE集團旗下的電源和RF部門（“Wolfspeed”），其核心就是SiC基板技術。
不過在2017年2月，美國的外國投資委員會（CFIUS）以關係到國家安全的原因否定了這項收購，實際英飛凌只是拿來做電動車的功率管，絲毫不會威脅美國的國家安全，再說Wolfspeed的SiC基板主要還是用在LED和RF領域，英飛凌能否成功將其用於車載領域還是一個未知數。
美國之所以否定這項收購，是保護美國為數極少的先進工業技術，對日本廠家來說，SiC基板都沒有絲毫難度，三菱、豐田、羅姆、富士電機、日立、瑞薩、東芝都有能力自己製造，全部是內部開發的技術。意法半導體技術也不錯。
2014年5月20日，鑑於SiC的重要性，豐田特別召開了新聞發佈會，宣佈與電裝、豐田中央研究所合作開發出了SiC功率半導體。
在豐田指揮SiC功率半導體開發的豐田第3電子開發部部屬主任擔當部長濱田公守說：“我們要領先行業，率先（為量產車）配備（SiC功率半導體）。”
2013年12月，已在廣瀨工廠（愛知縣豐田市）建設了SiC功率半導體專用試製開發生產線。
豐田開發的集成SiC晶體管的4英寸（100mm）晶圓（左）與集成了SiC二極管的4英寸晶圓（右）。
目前豐田正在研發混動版的佳美使用SiC，還有就是豐田的氫燃料電池公交車也在試驗使用SiC，本田則在自己的氫燃料電池車使用了羅姆的SiC的MOSFET。目前SiC都是試驗用的4英寸晶圓線，只有三菱啟用了6英寸生產線，成本較低。
豐田預計2018年也啟用6英寸生產線，可能在2021年豐田的混動和氫燃料電池車將全面使用SiC。
內容由不定時、不保證質量的三體評論精選並轉自雷鋒網旗下新智駕專欄。
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