El auge de la tecnología de chips IGBT para trenes de alta velocidad nacional rompe el monopolio de países extranjeros durante muchos años
Antes de que comience el vídeo, Little Whale quisiera preguntarles a todos:
¿Cuál crees que es el componente más importante de un vehículo eléctrico?
Te damos algunas opciones
1. Batería
2. Motor
3. Otros componentes
I Predice visualmente que más personas elegirán 2, así que ¡felicidades por tu respuesta correcta!
Pero ¿sabes cuál es el componente central del motor?
Pues es el protagonista de nuestro vídeo: el chip IGBT.
Entonces, ¿quién es IGBT?
El denominado IGBT es un transistor bipolar de puerta aislada.
Es un dispositivo semiconductor de potencia compuesto totalmente controlado por voltaje compuesto por BJT, que es un transistor de unión bipolar, y MOS, que es un transistor de efecto de campo de puerta aislada.
¿Estás un poco mareado?
En primer lugar, Little Whale te brindará algunos conocimientos científicos sobre la clasificación de los dispositivos semiconductores.
Tiene principalmente dos métodos de clasificación, ya sea controlable y modo de conducción.
Si es controlable se subdivide aún más:
Tipo incontrolable, es decir, no puede controlarse mediante una señal de control, como los diodos de potencia ordinarios.
Tipo semicontrolado, es decir, puede controlar la conducción, pero no puede controlar el apagado, como los tiristores ordinarios.
Tipo de control total, es decir, puede controlar su encendido y apagado, como por ejemplo IGBT.
En términos de métodos de conducción, se divide en conducción actual, es decir, el encendido y apagado se puede controlar mediante señales actuales, como el triodo BJT.
Accionamiento por voltaje, es decir, el encendido y apagado se puede controlar mediante señales de voltaje, como IGBT.
Los fanáticos cuidadosos pueden haber notado que mencioné anteriormente que IGBT es un transistor, entonces, ¿se considera un chip?
Tomemos como ejemplo el chip Kirin 990 5G de Huawei.
La superficie de su chip es de 113,31 milímetros cuadrados, y en un lugar tan pequeño se integran hasta 10.300 millones de transistores.
Se puede observar que el chip está compuesto por transistores de gran tamaño, por lo que estrictamente hablando, un solo IGBT no puede clasificarse como un chip, sino como un dispositivo semiconductor de potencia.
Hoy en día, en términos generales, los chips IGBT incluyen dispositivos de potencia IGBT y muchas cosas más.
La función principal de los IGBT es controlar y transmitir energía eléctrica.
Puede manejar más de 6500 W de potencia y puede lograr 100 000 acciones de conmutación de corriente en solo 1 segundo durante el funcionamiento.
¡No subestimes esta función!
La razón por la que los vehículos eléctricos actuales no necesitan diseñar sistemas mecánicos complejos como motores y cajas de cambios es por la existencia de IGBT.
Y los chips IGBT, como los chips de circuito integrado de 7 nm y 5 nm que mencionamos todos los días, también son proyectos de soporte clave del proyecto especial nacional 02. El proyecto especial 02 se refiere al segundo de los 16 principales proyectos de avance tecnológico del país durante el período del "Duodécimo Plan Quinquenal".
Es decir, este chip es actualmente el producto tecnológicamente más avanzado en dispositivos de electrónica de potencia.
Tomemos como ejemplo nuestras computadoras de uso común.
Si un ordenador quiere hacer cálculos a alta velocidad, necesita una CPU.
Los conductores como nuestros trenes de alta velocidad o nuestros vehículos eléctricos también necesitan un dispositivo para convertir la corriente, y el IGBT es una CPU que convierte la energía eléctrica.
Según las estadísticas, el 60% de la generación total de energía de mi país se utiliza en diversos tipos de motores.
Si se utilizan dispositivos IGBT para controlar la frecuencia del motor, la energía consumida por el motor se puede ahorrar en aproximadamente 1/3, lo que puede ahorrar el 20% de la generación total de energía del país, lo que equivale a la eficiencia de cinco nuevas presas de las Tres Gargantas.
Según el nivel de voltaje de funcionamiento, los módulos IGBT generalmente se dividen en tres categorías.
Baja tensión inferior a 600V
Media tensión 600V-1200V
Alta tensión 1700V-6500V
Generalmente se utilizan módulos IGBT de baja tensión en el campo de la electrónica de consumo y las piezas de automóviles.
Los módulos IGBT de media tensión se utilizan generalmente en vehículos de nueva energía, control industrial, electrodomésticos y otros campos.
Los módulos IGBT de alto voltaje se utilizan generalmente en el transporte ferroviario, la generación de energía nueva, las redes inteligentes y otros campos.
En términos de vehículos eléctricos, los IGBT se han convertido en la mayor parte del sistema de propulsión eléctrica de los vehículos eléctricos y representan directamente la mitad del coste.
El sistema de propulsión eléctrica representa aproximadamente entre el 15 y el 20 % del coste de todo el vehículo eléctrico, lo que significa que los IGBT por sí solos representan entre el 7 y el 10 % del coste de todo el vehículo.
¿Qué importancia tiene el IGBT?
Para dar una metáfora vívida, es como el administrador del dormitorio que está a cargo del suministro de energía en su dormitorio.
Cuándo encender la electricidad y cuándo encender el interruptor, el tío conoce el camino. Al jefe no le importa cuánta electricidad le das. Si usas electricidad de manera irregular y usas en secreto aparatos eléctricos de alta potencia, no habrá discusión sobre cómo denunciar críticas.
En concreto, los IGBT pueden controlar directamente la conversión de energía CC y CA. Determina el par y la potencia máxima de salida del sistema de accionamiento. Por lo tanto, la capacidad de aceleración de su automóvil, su velocidad máxima y su eficiencia energética dependen de ello.
Por ejemplo:
Por ejemplo, en el coche eléctrico Tesla Model 3, la energía la proporcionan baterías densamente empaquetadas, que proporcionan 400 voltios de corriente continua.
El motor de los vehículos eléctricos debe utilizar corriente alterna para girar. Al cambiar la frecuencia de la corriente alterna del motor, se cambia la velocidad del motor, controlando así con precisión la velocidad y la aceleración del vehículo. Todo esto se debe a los IGBT.
Otro ejemplo es el tren de alta velocidad.
Cuando un tren está en marcha, es necesario aumentar la velocidad de cero a más de 300 kilómetros en poco tiempo, o detener un tren de alta velocidad suavemente en muy poco tiempo.
Este proceso aparentemente simple de aceleración y desaceleración requiere la cooperación de una serie de equipos de transmisión, convertidores de tracción y otros equipos eléctricos relacionados. Esto requiere garantizar que la corriente y el voltaje requeridos por varios dispositivos sean extremadamente precisos y confiables.
En las condiciones técnicas actuales, sólo los IGBT de alta potencia pueden cumplir este exigente requisito.
Además, durante el proceso de desaceleración, mediante la función de IGBT, la energía generada por la desaceleración del tren también se puede convertir en energía eléctrica y retroalimentar a la red eléctrica.
Se puede decir que el dispositivo IGBT es el “corazón” de la operación del tren.
¿Entonces es difícil desarrollar IGBT?
Es lo mismo que el desarrollo de chips de teléfonos móviles tradicionales.
Las industrias upstream de la industria IGBT incluyen principalmente materiales semiconductores, como obleas de silicio, fotorresistentes, etc. Y equipos relacionados como máquinas de fotolitografía, máquinas de grabado, etc.
Según el proceso de fabricación de chips, la industria IGBT se puede dividir en tres eslabones: diseño de chips, fabricación de obleas, empaquetado de módulos y pruebas.
Sin embargo, en comparación con el proceso de fabricación y el equipo de los chips de teléfonos móviles, los chips IGBT no tienen requisitos tan altos.
Además, los chips IGBT de diferentes niveles de potencia también tienen diferentes tamaños. En términos generales, cuanto mayor sea el nivel de potencia, mayor será el tamaño del chip.
Actualmente, las líneas de producción de productos IGBT más competitivas son las de 8 y 12 pulgadas.
El fabricante líder mundial es el alemán Infineon, que ha producido en masa productos IGBT en líneas de producción de 12 pulgadas.
La gran mayoría de los fabricantes nacionales de obleas todavía se encuentran en la etapa de productos de 6 pulgadas. En la actualidad, Shenzhen BYD, Zhuzhou CRRC Times y Huahong Hongli han logrado la producción en masa de productos de 8 pulgadas en China. Sin embargo, todavía existe una cierta brecha entre el rendimiento de su producto y los líderes internacionales.
Por último, están las industrias downstream de la industria IGBT.
Incluye una amplia gama de mercados de aplicaciones. IGBT tiene una gran cantidad de aplicaciones en control industrial, vehículos de nueva energía, electrónica de consumo, almacenamiento de energía, transporte ferroviario, electrodomésticos y otros campos.
La tecnología IGBT ha estado monopolizada durante mucho tiempo por un puñado de países económicamente desarrollados.
Por ejemplo, los módulos IGBT utilizados en el material rodante de mi país se importan de Alemania y Japón, especialmente los dispositivos IGBT de alta calidad.
En 2008, se inauguró el primer ferrocarril de alta velocidad de mi país, el ferrocarril interurbano Beijing-Tianjin, posteriormente se abrieron más líneas ferroviarias de alta velocidad y la demanda de IGBT se duplicó.
Una EMU estándar de 8 trenes requiere 152 chips IGBT. El costo de este chip por sí solo asciende a casi dos millones de yuanes. Cada año, la fabricación de trenes de alta velocidad de China necesita comprar más de 100.000 módulos IGBT. del extranjero, y los fondos de adquisiciones Más de 1,2 mil millones de yuanes.
En junio de 2014, después de seis años de incansables esfuerzos, el chip IGBT de 8 pulgadas desarrollado independientemente por mi país y con todos los derechos de propiedad intelectual salió con éxito de la línea de producción.
Rompiendo la historia de los semiconductores a gran escala sin chips independientes, indica que nuestro tren de alta velocidad tiene el primer "núcleo chino".
Por último, quiero decir:
Hace más de diez años, los chips IGBT estaban básicamente dominados por Europa y Japón.
Los IGBT para trenes de alta velocidad están monopolizados por Mitsubishi Heavy Industries de Japón, y los IGBT para vehículos eléctricos están monopolizados por Infineon de Alemania.
Hoy en día, varias empresas nacionales han comenzado a intensificar su propia investigación y desarrollo de chips IGBT. Entre los más famosos se encuentran Shenzhen BYD, Zhuzhou CRRC Times Electric, Hangzhou Silan Micro, etc.
Entre los 254 estándares importantes de EMU de alta velocidad actualmente involucrados en Fuxing, los estándares chinos representan el 84%.
La velocidad del ferrocarril de alta velocidad depende totalmente de la correa del motor.
El corazón de Fuxing es el motor de tracción. Tiene 1.152 chips IGBT, que pueden hacer que los trenes de alta velocidad funcionen sin problemas. Actualmente, la línea de producción desarrollada independientemente por Zhuzhou CRRC puede producir 500.000 piezas por año.
Los chips IGBT producidos por CRRC no solo pueden satisfacer sus propias necesidades, sino que también cumplen con los estándares para la exportación al extranjero y también han alcanzado niveles de clase mundial.
Hay que decir que la importancia de los estándares chinos radica en el hecho de que cada avance fundamental impulsa la actualización de todo el sistema. La actualización de cada sistema eventualmente hará que la manufactura china se globalice.