低压启动控制原理
1.低压蓄电池系统
（1）蓄电池的作用
在传统燃油汽车上，12V蓄电池主要用于在发电机未工作时为起动系统和其他用电设备提供电能。由于起动机在工作时需要很大电流，燃油车辆对蓄电池的起动电流和容量有一定的要求。
在纯电动汽车中，12V蓄电池通常用于车上的低功率系统供电（比如电动助力方向盘、车灯、仪表、中控、车门锁等）、唤醒高压锂电系统（高压动力电池系统在进入工作模式之前，必须由控制单元执行安全检测，而控制单元所需要的电能由12V蓄电池提供）、安全状态变更（如遇紧急情况，高压系统需要在瞬间关闭，而后低压系统需能够保持门控锁、声音、导航系统等在高压系统关闭时继续工作）。
（2）蓄电池的种类
车用启停12V蓄电池一般都是采用铅酸蓄电池，铅酸蓄电池工艺成熟、安全性高（可以在温度超过100度的机舱内稳定运行，几乎不会发生爆燃）、成本低，但是其存在寿命短（启停蓄电池一般2-3年寿命）、质量重及污染大（铅酸蓄电池含有大量的重金属，特别是铅，对于人体的危害很大）的缺点。也有部分厂家在蓄电池选用上采用了能量密度更高，寿命更长（基本可以做到和车辆同寿命），更加环保（几乎不会出现电解质泄漏问题，且是无铅电池）的磷酸铁锂蓄电池（比亚迪的DM-i混动全系车型搭载的都是磷酸铁锂蓄电池）。
2.低压配电与启动控制
比亚迪秦EV触动车门微动开关，信号连接到智能钥匙系统控制器，Keyless ECU驱动车外磁卡探测天线，发出含有加密报文的125KHz的低频检测信号，用于车辆合法钥匙检测认证（车外探测天线的信号检测范围在0.8～1m之间）；电子智能钥匙接收低频检测信号，读取数据与触发信号进行比较，若匹配，钥匙电路被唤醒；钥匙分析数据并加密，通过钥匙的高频模块发出高频信号给汽车（用于车辆解锁、闭锁、启动及迎宾灯点亮等功能实现），汽车内部集成了高频接收器的Keyless ECU接收智能钥匙的密钥信息，Keyless ECU分析数据并进行比较验证；如果验证通过，Keyless ECU通过启动子网通知汽车BCM模块开启所有车门的门锁。
BCM模块需接收到制动踏板被踩下的制动信号、启动开关被按下启动信号、挡位在P/N挡的挡位信号、有效钥匙防盗验证信号（防盗解锁）及轮速小于2km/h的轮速信号。当以上条件得到满足的前提下，BCM控制IG1、IG3继电器接通供电。IG1继电器唤醒组合仪表、网关、挡位传感器、电子驻车制动系统；IG3继电器唤醒整车控制器、电池管理系统、电机控制器。与整车运行相关的控制模块完成自检并进入正常工作状态，如果自检过程有影响到启动的故障或状态，则可以记录故障并通过车载网络传输相应的信号至其他模块，如果各模块的状态都正常，则VCU可以控制车辆进行高压上电。
IGCT器件是什么？
来源：内容授权转载自公众号「悦智网」，作者：曾嵘、余占清等，谢谢。
一个普通而又平凡的清晨，你在舒适的空调温度下醒来。打开冰箱，取出食物做一顿美美的早餐；解锁充好电的手机，查看最新的资讯；来到公司后打开电脑，开启一天的工作。电力悄无声息地融入你的生活，伴你度过充实的一天。与此同时，来自火电、水电、核电以及风电、光伏发电的电能正被源源不断地输送到城市和乡村，供给传统的能源、机械、交通、制造产业，以及新兴的通信、航天、医疗、材料等高技术产业使用。
但是，来自不同源头电能的电压、频率各不相同，它们就像形态、大小各异的食物，其中高达75%以上的部分都必须由“厨师”进行修整和加工，经过“烹饪”之后才能由“粗电”变成“精电”，最终供拥有不同“口味”的设备使用，满足复杂的用电需求。这位能够实现电能变换和控制的核心“大厨”便是功率半导体器件。
功率半导体器件也称电力电子器件，结合不同电路拓扑可以形成各类电力电子装置，实现整流、逆变、变频、调压等功能。随着功率半导体技术的不断革新，从高压输电到城市用电，从工业变频到医疗器械，从电动汽车的电机驱动到空调、冰箱等家用电器，再到手机、笔记本等数码产品，功率半导体器件无处不在，与我们的生活密不可分。其中，集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT）器件作为功率半导体器件家族中的年轻成员于1997年首次被提出，展现出了巨大的发展潜力，正成为直流电网的“芯”选择。
━━━━
IGCT器件的前世今生
回顾IGCT器件的发展史，要从晶闸管说起。晶闸管自从1957年在美国通用公司诞生以来，经过随后20多年的发展，已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品，早期的大功率变流器几乎全部采用晶闸管。半个世纪之后，晶闸管凭借其无与伦比的大容量和可靠性、技术成熟性和价格优势，依旧在大功率变频调速、高压直流输电（HVDC）、柔性交流输电（FACTS）等领域中广泛应用。
到了20世纪70年代后期，晶闸管的一种派生器件——门极可关断晶闸管（GTO）得到了快速发展。GTO是一种全控型器件，比传统晶闸管具有更大的灵活性，被广泛应用于轧钢、轨道交通等需要大容量变频调速的场合。但是由于GTO的驱动电路十分复杂且功耗很大，在关断时还需要额外的吸收电路，因此随着后来出现的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、IGCT等器件性能不断提升，GTO逐渐被取代。
在20世纪80年代，以IGBT为代表的高速、全控型器件迅速发展。IGBT结合了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）驱动功率小、开关速度快以及双极型晶体管（BJT）通态压降低、载流能力大的优点。随着IGBT不断更新换代，其日渐成为现代电力电子技术的主流器件，特别是压接式IGBT的出现，使其向大功率、高效率跨出一大步，已被广泛应用于柔性直流输电（VSC-HVDC）工程当中。
与此同时，通过对GTO 技术的改进，新一代可关断晶闸管类器件IGCT于20世纪90年代问世。IGCT改进了GTO芯片，并利用新型低感封装将驱动电路和芯片紧密集成到一体，显示出比传统GTO 更加显著的优点：损耗低、开关速度快、容量密度大、可靠性高等。这些优点保证了IGCT 可以在维持较低成本的基础上，安全、可靠、经济、高效地用于高压大容量功率变换领域，并在一些电力电子装置中具有更为突出的优势。
━━━━
我国突破IGCT器件新技术
自从IGCT诞生以来，由于其具有阻断电压高、容量大、通态损耗低、可靠性高等优点，在工业变频调速、风电并网、轨道交通等领域广泛应用。ABB公司针对中压传动领域的ACS系列变频器以及针对风力发电领域的PCS系列换流器均采用IGCT作为开关器件，并于2017年研制成功了用于轨道交通供电的交交型模块化多电平变换器（MMC）样机；我国株洲中车时代电气股份有限公司（现为株洲中车时代半导体有限公司）生产的IGCT器件也被大量应用于轨道交通领域。
近年来，在新能源输送和大规模储能的驱动下，直流电网在世界各国的发展势不可挡。高压大容量功率半导体器件作为MMC、直流断路器、直流变压器、直流耗能装置等直流主干网络关键装备的核心元件，是学术研究的前沿话题，也是产业应用的关注热点。IGBT具有驱动功率小而且驱动电路简单、开关速度快、耐压高、电流大等优点，在柔性直流电网中得到了广泛的应用。而事实上，尽管IGBT优势突出，但是相比电流型器件，仍然存在通态压降大、可靠性低、制造成本高等问题，具有很多改进的空间。尤其是在高压大容量应用中，所使用的开关器件数量非常大，若能改进这些特性，进一步提高效率和可靠性、减小成本，将会具有很大的吸引力和应用前景。
而相比IGBT，IGCT具有更低的通态压降、更高的可靠性以及更低的制造成本，并且结构紧凑、具有更高的阻断电压和通流的能力，有望改进IGBT在高压大容量应用中的表现和性能。事实上，相比于交流电网应用，在柔性直流电网中，MMC、直流变压器以及直流断路器等关键设备均具有很多新的特点，例如MMC的开关频率非常低、直流变压器具有软开关能力、直流断路器仅需单次操作等。这些特点一定程度上将弱化IGCT开关速度慢等技术弱点，为IGCT在柔性直流电网中的应用带来了巨大的契机。
清华大学电机系和能源互联网研究院直流研究中心科研团队从2015年开始，结合直流电网关键装备的特性，围绕IGCT物理机理模型、参数优化、性能调控及新型驱动等关键技术展开研究，攻克了IGCT直流电网应用的科学和技术难题，并与株洲中车时代电气股份有限公司组成联合研究团队，成功研制出直流电网用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，并实现了多项直流电网工程应用。
研究团队历时5年时间，取得了众多研究成果：（1）建立了高精度快速求解的GCT芯片物理机理模型，在秒级时间范围内完成开通、关断仿真，为IGCT的参数优化和性能调控奠定了理论基础；（2）提出了GCT芯片的参数优化及性能调控方法，降低了电流不均匀分布系数，关断能力得到较大幅度提升；（3）提出了GCT芯片的关键制备工艺优化方案和缺陷检测方法；（4）提出了GCT新型门极驱动方案，大幅提高IGCT器件在直流电网应用中的可靠性；（5）联合株洲中车时代电气股份有限公司成功研制了直流电网用4500V/5000A IGCT-Plus器件，开展了系统性测试验证，IGCT-Plus在安全性、可靠性、成本和效率等方面具有显著优势。经中国电机工程学会组织的科技成果鉴定，研制的器件具有完全自主知识产权，在机理模型、性能调控方法、门极驱动等方面达到国际领先水平。对于实现直流电网中的高可靠、低成本、高效率的电压和功率变换，推动高压大容量半导体器件及电力电子装备的自主化具有重大的战略意义。
━━━━
IGCT器件在直流电网领域大有可为
在突破IGCT器件新技术的同时，研究团队对于IGCT器件在直流电网中的应用前景进行了系统地分析和展望，同步研制了一系列关键设备，并在示范工程及电网试验平台中得到了应用。
当前直流电网中的关键设备（如MMC、直流断路器、直流变压器、直流耗能装置等）相对于交流电网中的电力电子设备具有很多新特性，这为IGCT的应用提供了契机。研究团队结合这些关键设备的内在特性，提出了基于IGCT的创新方案，并系统论证了其可行性以及技术经济优势。分析表明，基于IGCT的新型设备在安全防爆、故障处理、转换效率、功率密度、制造成本以及可靠性等方面均具有突出的优势，使其在直流电网中的应用具备巨大的潜力。
在2018年12月投运的珠海“互联网+”智慧能源示范工程中，鸡山换流站的10kV/10MW MMC应用了研究团队提出的IGCT交叉钳位方案，这是国产IGCT器件在柔性直流输电换流阀中的首次亮相。现已稳定运行一年多，为IGCT器件特性的研究和改进提供了宝贵的数据和经验。在正在建设中的东莞交直流混合配电网工程中，应用了基于IGCT-Plus研发的±375V固态式直流断路器，实现了国产IGCT-Plus器件在固态式直流断路器中的首次应用。
近期，研究团队研制成功10kV/20MW 全 IGCT- MMC，并且已应用于雄安智慧物联直流共享实验室的中低压直流配电网试验平台，这是世界首台采用IGCT-Plus作为主开关器件的柔性直流输电换流阀。研究团队研制的基于IGCT-Plus的160kV直流耗能装置也成功通过第三方见证实验，该装置中开关频率达到500Hz，电流达到1500A，为进一步深化研究和创新应用拓展了新的思路和方向。
━━━━
IGCT器件将带来显著的经济和社会效益
由于IGCT器件制造工艺大多沿用晶闸管路线，成品率高，制造成本低；尤其是具有强大的抗爆能力，安全性高；此外器件结构简单，可靠性高，运维成本低；加之损耗较低，节能成本显著。因此，相对于压接式 IGBT，IGCT在低频大功率应用领域表现出更好的经济性，若能在直流电网中大规模应用，将取得显著的经济效益。
在此基础上发展基于IGCT的柔性直流输配电技术，将有利于加快实现全国范围内和各区域输电网络柔性互联，推动我国能源结构清洁转型和能源消费革命，并将对我国未来电网格局产生重大影响。
高压大容量功率半导体器件一直是限制直流电网装备发展的关键瓶颈。在全球直流电网发展势不可挡的背景下，具有安全、可靠、经济、高效等优势的IGCT器件有望成为直流电网关键装备核心器件的新选择，对推动我国功率半导体器件和高端电力装备等行业的自主创新能力、提升国际市场竞争力和影响力具有重要意义。
本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2020年2月刊。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
今天是《半导体行业观察》为您分享的第2283期内容，欢迎关注。
★比亚迪的芯片实力
★中芯国际的14nm机会
★国内发展Nor Flash正当时
NAND Flash｜华为｜CMOS｜蓝牙｜FPGA｜晶圆｜苹果｜射频｜日本
比亚迪悄然成为国内前三的IGBT供应商
本文来自公众号“半导体行业观察”（ID：icbank）文/吴子鹏
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，中文名为绝缘栅双极型晶体管，是一个有MOS Gate的BJT晶体管，可以简单看成一个非通即断的开关。IGBT是能源变换与传输的核心器件，在家用电器、工业、交通、电网等领域有重要作用，被称为电力电子的“CPU”。
IGBT等效电路
IGBT如此重要，长期以来我国却不得不面对依赖进口的尴尬局面，市场主要被英飞凌、三菱、富士电机为首的国际巨头垄断，国产化占比长期处于较低水平。
比亚迪IGBT的崛起
不过，随着中国新能源汽车产业的快速发展，带动了周边电子元器件产业的发展，国产IGBT迎来了发展的春天。根据集邦资讯的分析报告指出，比亚迪微电子凭借拥有终端的优势，在车用IGBT市场快速崛起，取得中国车用IGBT市场超过两成的市占率，一跃成为中国销售额前三的IGBT供应商。这样的成绩得益于比亚迪一直以来在IGBT领域的大力研发投入，根据统计数据显示，截至2018年11月，比亚迪累计申请IGBT相关专利175件，其中授权专利114件。
当前，比亚迪的新能源汽车业务已经和燃油车业务达到了平分秋色的地步。根据比亚迪官方近期发布的销售统计数据显示，在比亚迪2018全年累计销售的52.07万辆车中，其中新能源汽车为24.78万辆，燃油车为27.29万辆。比亚迪新能源汽车占比从2017年的27.75%提升至2018年的47.59%。
在新能源汽车制造中，IGBT约占电机驱动系统成本的一半，而电机驱动系统占整车成本的15-20%，也就是说IGBT占整车成本的7-10%，是除电池之外成本第二高的元件，也决定了整车的能源效率。新能源汽车销量逐年走高，比亚迪要想更好的净利润表现，不断攻克IGBT关键技术是必经之路。从2003年进入新能源汽车领域起，比亚迪就一直在关注IGBT等电动车核心技术的自主研发和创新。
比亚迪进入IGBT产业是在2005年，并于2009年打破国际厂商垄断，取得了IGBT的核心技术突破。
目前，比亚迪拥有国内首个汽车IGBT打造链条，包括IGBT芯片设计、晶圆制造、模块封装等部分，还有仿真测试以及整车测试。
2018年年底，比亚迪发布了在车规级领域具有标杆性意义的IGBT4.0技术，再一次展示出其在电动车领域的领先地位，进一步打破了国际大厂形成的技术壁垒。
比亚迪的IGBT4.0在综合损耗方面比主流产品低20%；电流输出能力较市场当前主流产品高15%；温度循环寿命做到了同类主流产品的10倍以上。
产品性能不输国际大厂，这就是比亚迪人员敢称自己和欧厂、日厂三分天下的底气。
从长远来看，比亚迪将IGBT技术提升到了国际领先水平对于比亚迪新能源汽车健康发展有保驾护航的作用，不至于在核心部件上被“卡脖子”。根据市场调研数据显示，2018-2022年，全球电动车年复合增长率达30%，但同期车规级IGBT市场的年复合增长率仅为15.7%。比亚迪是国内唯一拥有IGBT技术的车厂，避免了坐等英飞凌IGBT发货导致汽车研发滞后的尴尬。要知道，目前IGBT的正常供货周期已经达到8-12周，最长达到52周。当供需关系进一步紧张之后，车厂“断粮”并非不可能。
目前，比亚迪IGBT芯片晶圆的产能为5万片/月，年供应新能源汽车60万辆。到今年年中，比亚迪IGBT产能有望达到10万片/月，年供应新能源汽车可达120万辆，将很大程度上缓解我国新能源汽车IGBT芯片供应不足问题。
另外，IGBT也是新能源充电桩的核心部件之一，占到充电桩成本的20%。由于未来几年新能源汽车及充电桩市场将进入爆发期，加上国产替代的大趋势，比亚迪IGBT的市场份额有望进一步提高。
比亚迪在功率器件的其他布局
传统功率半导体器件基于硅基制造，未来的趋势是采用第三代半导体材料（如 SiC、 GaN），具有宽禁带特性。
根据比亚迪微电子高级研发经理吴海平的描述，比亚迪做车用IGBT是被逼迫的，因为没有工业级IGBT厂商愿意理会当时比亚迪的车用需求，才让比亚迪走上了自研的道路。比亚迪自研汽车核心功率器件一直坚持自主创新，走出自己的特色。
同时，吴海平也提到，比亚迪的研发，保持对新技术的敏感，研发要有提前量。
IGBT是MOSFET的改进版，并不能够实现高电压和大电流，高于2KV的功率装置系统，GTO或IGCT仍然牢牢地占领和控制着市场，IGBT在这一点上望尘莫及。且硅基器件的至命缺点是电压不高 , 随电压升高 , 功耗会迅速增加。而上述所提到的高功率，基于SiC的MOSFET 器件基本都能实现。比亚迪在车用功率器件的提前量研发就是SiC器件。
SiC材料制作的MOS器件可在大于200度的高温环境下工作，具有极低的开关损耗和高频工作能力，减小了模块的体积和重量，显著提高了系统的效率，有利于节能降耗。因此在新能源汽车市场拥有广阔的应用前景。
比亚迪已投入巨资布局第三代半导体材料SiC，并将整合材料（高纯碳化硅粉）、单晶、外延、芯片、封装等SiC半导体全产业链，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在电动车领域的应用。
预计到2023年，比亚迪旗下所有电动车都将会实现SiC器件对IGBT的全面替代。
国产IGBT缺口巨大
SiC器件代表着未来，IGBT则是当前的刚需。IGBT并不是简单的分立器件，是目前功率电子器件里技术最先进的产品，是国家“02专项”的重点扶持项目。国务院在发布的《节能与新能源汽车产业发展规划》中提出，至2020年，我国纯电动汽车和插电式混合动力汽车年生产能力将达200万辆，等效为8英寸IGBT晶圆年需求100万片，预计到2020年，中国IGBT销售额将达近200亿元。
从当期的局势来看，我国IGBT的产业格局并不乐观。首先在产业链布局上就略显薄弱，目前从事IGBT国产化的厂商主要有以下几家。
图片来源：中汽汽车电子电器信息
在IDM模式厂商中，除了中国中车和比亚迪分别依靠高铁和新能源汽车取得了一定的成绩，其他厂商在技术和设备上较国际大厂有很大的差距。因而，我国IGBT总体市场有90%是依赖进口产品的。
其次，国内厂商对于IGBT国产化替代的意愿并不强烈，英飞凌、三菱等厂商的IGBT产品已经经过了市场的长期验证，国产IGBT厂商属于后进者，产品在稳定性方面较国际大厂有很大的不确定性，设备厂商更换国产产品风险很大，这也是制约国产IGBT产品进入高端市场的障碍。
最后是国内IGBT产业辅助环节薄弱。国产IGBT芯片的主要工艺设备、衬底片都要从国外采购，特别是在大功率模块封装方面。
因此，国产IGBT在产品的功率密度、散热性能、长期可靠性以及模块设计创新方面，较国际大厂差距仍然较大。但国产IGBT替代需求强劲且前景明朗，我们需要更多像比亚迪这样的厂商，借助我国在清洁能源、新能源汽车和工业机器人等领域的产业优势，更快和更全面地完成IGBT的国产替代。
