浅谈电动汽车IGBT技术应用与发展

20世纪中期出现了功率器件，经过近30年的发展，MOS和BJT技术的结合催生出IGBT技术。IGBT经过不断更新，现已广泛应用于车辆、焊接、航天航空、国防等领域。本文介绍了IGBT的结构和工作原理，并对其在电动汽车领域的应用进行阐述，有助于从业者全面深入了解IGBT原理及其在电动汽车领域的技术发展。
随着全球变暖和环境恶化加剧，为了缓解节能减排的压力，我国提出了高目标。为了实现节能减排的目标，我国大力扶持发展新能源汽车。电动汽车动力总成的核心能源转换单元式牵引逆变器，它可以将电池输出的直流电逆变为三相交流电。车辆在工作时频繁起停导致逆变器中的功率半导体器件需要承受各种冲击力。逆变器的功率密度和电动汽车的动力输出密切相关。车规级功率模块的功率半导体器件主要包括碳化硅基功率金属氧化物半导体场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
IGBT属于复合全控型电压驱动式功率半导体器件，它由双极型三极管、绝缘栅型场效应管两个部分构成，具有高输入阻抗和低导通压降等优点。电力晶体管的饱和压较低，载流密大，但工作电流较大；金氧半场效晶体管工作功率小，通断速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT导通后的功耗很小，可以看作导线，断开时的电阻很大，可以看作开路，具有高压、大电流、高速三大特点，工作功率小饱和压降低，适用于直流电压为600 V及以上的变流系统。由于电动汽车对功率器件的耐压性、耐高温性、散热性、稳定性等性能具有很高的要求，IGBT相对MOSFET晶体管具有更优的综合性能，因此，IGBT成为目前电动汽车逆变器上的主流功率器件，并且发展潜力巨大。
IGBT的结构
IGBT有栅极G、集电极c和发射极E，属于三端器件。IGBT具有两层P+注入区，这两个区域构成了一个面积较大的PN结J1。当IGBT接入电路工作时，部分载流子从注入区P+发射到基区N，达到调至漂移区电导率的作用，因此，IGBT具有较强的通流能力。缓冲区介于P+注入区与N-漂移区之间的N+层。缓冲区有无IGBT表现出不同特性。有N+缓冲区的IGBT称为非对称型IGBT（也称穿通型IGBT），具有正向压降较小、犬断时间短、关断时尾部电流小等优点，但其反向阻断能力相对较弱。无N-缓冲区的IGBT称为对称型IGBT（也称非穿通型IGBT）具有较强的正反向阻断能力，它的其它特性与穿通型IGBT相比较差。

IGBT驱动电路
IGBT驱动电路是由GTR与MOSFET组成的达林顿结构，此结构导通与断开是通过控制栅极正负电压来实现的。当栅极电压为正时，GTR与MOSFET组成的达林顿管处于导通状态；当栅极电压为负时，GTR与MOSFET组成的达林顿管处于断开状态即不工作状态。IGBT驱动电路等效电路简图如图2所示。该电路可以放大单片机脉冲输出的功率来间接驱动IGBT功率器件工作。
IGBT与双极型电力晶体管的伏安特性曲线相似。当控制电压UGE增加，特性曲线向上移动，改变UGE的电平可以控制IGBT的状态（截至状态、饱和状态），因此常用在电源的开关中。

IGBT的工作原理
IGBT可以看成一个PNP型晶体管（通过MOSFET驱动），与普通的PNP型晶体管相比，它的基区更厚，等效电路如图1（b）所示，图中的RN为PNP晶体管基区内的调制电阻，MOSFET为N沟道场效应晶体管，这种结构的IGBT称为N沟道IIGBT，其符号为N-IGBT。类似的还有P沟道IGBT，即P-IGBT。
IGBT的电气图形符号如图1（c）所示，IGBT是—种场控器件，它的开通和关断由栅极和发射极间电压UCE决定，若开启电压UCE（th）值小于栅射电压UCE并且栅极电压为正值，PNP型晶体管接收MOSFET内部沟道中的电流，IGBT导通。这时，从P+区进入N-区的载流子对N-区实施电导调制，电阻RN（N-区）会逐渐降低，IGBT获得一个较小的通态压降。若栅射极间电压UCE等于零或者为反向电压时，MOSFET内不会形成沟道，没有载流子从P+区进入N-区对N-区实施电导调制，晶体管内没有基极电流，IGBT不工作即关断。IGBT的驱动原理如下所示。当UCE为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。
当UCE为正时：UC< UTH，沟道不能形成，器件呈正向阻断状态；UG>UTH，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，在N-区产生电导调制，使器件正向导通。
1. 导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET的区别在于，IGBT比功率MOSFET多了P+基片和一个N+缓冲层（IGBT没有NPT-非穿通结构），在管体的P_区和N+区之间应用基片建立了一个J1结。若正栅偏压使栅极下面反演P基区时，IGBT内部形成N沟道，此时沟道内形成电子流并形成一股电流。当形成的电子流的电压在0.7 V范围内，P_区和N+区建立的J1处于正向偏压，N-区内进入部分空穴，这些空穴会改变N-区与N+区之间的电阻率，这种调节方式降低了IGBT导通的能耗，同时驱动了第二个电荷流。两种不同的电流拓扑，即一个MOSFET电子流和一个空穴电流（双极），临时出现在半导体内。
2. 导通压降应用电导调制效应可以降低电阻RN的值，减少通态压。所谓通态压降，是指IGBT进入导通状态的管压降UDS，这个电压随UCS上升而下降。
3. 关断栅极在得到一个负偏压或栅极电压低于门限值时，将不会形成沟道，N-区内不会有空穴进入。所有情况下，在开关阶段若MOSFET的电流下降速度过快均会引起集电极电流的降低，此时阂为换向开始后，少数的载流子任然存留在N区内。关断时电荷的密度会直接影响降低残余电流值。电荷的密度与杂质掺入的数量和拓扑、层次的厚度和温度等因素有关，因此，降低残余电流值（尾流）受多种因素影响，具有不确定性。集电极电流受N区内残留的部分载流子的衰减影响，出现特征尾流波形。集电极特征尾流会导致功耗变大、导通错乱等问题。这种问题在续流二极管的设备上会更加凸显。
因为残余电流与少数的载流子的重组具有紧密的关系，所以，残余电流的电流值应与芯片的Tc、IC、UCE、空穴移动性有重要的关系。
4. 反向阻断若集电极得到反向电压，P_区和N+区J结会受到反向偏压影响，同时因层面厚度降低太大，阻断能力将会丧失，耗尽层则会向N-区扩展，此外，若区域尺寸增加超过一定的值，压降也会连续地变大。
5. 正向阻断若集电极端子获得正电压且把栅极和发射极进行短接，P_区和N+区之间的J结受反向电压控制。
6. 闩锁PNPN晶闸管寄生在ICBT的集电极与发射极之间。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁。在一定条件下，PNPN晶闸管会导通，集电极与发射极之间电流量变大，控制等效MOSFET的能力会下降，常常会引起器件的击穿问题。
IGBT与电动汽车IGBT芯片发展历程回顾功率器件过去几十年的发展，20世纪60年代，双极型器件通态电阻很小，电流控制，控制电路复杂且功耗大。随着工业的发展，对学术界提出了简化驱动电路，降低制造成本和开关能耗、通态压降的要求。20世纪90年代，IGBT在MOS与BJT集成技术研究的背景下被制造出来。
IGBT的出现并不是为了电动汽车服务，但是，随着全球环境的恶化，电动汽车得到了发展，IGBT逐渐开始应用在汽车、交通等领域，并随着电动汽车与IGBT的共同发展，IGBT芯片成为电动汽车不可或缺的一部分。电动汽车IGBT芯片发展历程如图3所示。
第一代：IGBT的雏形，需要依靠提高N-drift来提高耐压，关断功耗和导通电阻都比较高，由于以上因素，第一代IGBT止步于实验室未得到普及使用。
第二代：PT-IGBT，耗尽层未能穿透N+缓冲层，基区电场加强呈梯形分布，通过降低芯片厚度来降低功耗。西门子公司是当时生产IGBT器件的代表性公司。20世纪末，西门子公司生产的BSM150GB120DN1（DN1表示第一代产品），在600V电压上具有良好的表现，但当电压升至1200 V时，外延厚度变大，成本相对较高，同时可靠性降低（掺杂浓度及厚度的均匀性差）。
第三代：NPT-IGBT，离子注入技术取代外延技术生成P+集电极（透明集电极技术），可以很好地控制结深同时保证尽可能低的发射效率。关断损耗是通过加快载流子抽取速度来实现的。基本不影响基区原有的载流子寿命，同时对稳态功耗的影响几乎可以忽略不计，此时的IGBT已经具备正温度系数的特点，在稳态损耗和关断损耗间表现不俗。此时，IGBT代表性公司依然是西门子，其突破性地采用区熔法代替外延的批量产品。
第四代：Trench-IGBT，第四代较以往具有较大的改进，这次运用Trench结构，沟道从以前的表面移动到了垂直面上，增强了基区的PIN效应，增大了栅极附近载流子的浓度，电导调制效应有了一定的提升，导通电阻得到了降低，消除了JFET效应，栅极密度可以按需求增加。并且，第四代继续继承了第三代的集电极P+implant技术，引入了PT技术作为场终止层，提高了耐压能力。英飞凌代替西门子成为引领企业，其减薄技术当时世界第一，1200 V的时候，它的厚度可以做到120~140 um之间，600V时可以做到70 um以下。
第五代及第六代：第五代FS-IGBT和第六代的FS-Trench是在以前四次技术的基础上对各种技术措施的重新组合。第五代IGBT是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中止技术”的结合。第六代产品与第五代产品的区别是改进了沟槽栅结构。
IGBT在电动汽车领域应用IGBT作为新型功率半导体器件的主流器件，在轨道交通、新能源汽车等领域均有广泛的应用。目前，随着生活节奏的加快，市场对新能源汽车的功率、安全、价格提出了更高的要求，IGBT的电流密度、功率损耗、稳定性起着重要的作用。

电动汽车的发展与IGBT模块的发展密不可分，电动汽车、充电桩及其相关设备都离不开IGBT技术的支持。电动汽车生产成本中，IGBT模块占比超过了10%，在充电桩生产成本中占比接近１/５。IGBT在电动汽车领域主要应用于以下几个方面：
1.电动汽车的控制系统 IGBT技术用来控制大功率直流/交流（DC/AC）逆变然后控制电机的运转，变流器是交流传动系统中牵引核心部件，IGBT又是牵引变流器的关键部件。
2.车载空调控制系统使用电流较小的IGBT和FRD控制小功率直流/交流（DC/AC）逆变。
3.充电桩 IGBT模块在智能充电桩中作为开关元件使用。
结语IGBT器件在大电流密度、低损耗优化技术、高温高压技术和智能集成技术方面，均有较好的性能，在新能源汽车的功率模块上得到了广泛应用，具有较好的前景。但是，实现电动汽车IGBT芯片优化技术大规模应用还需要进一步优化沟槽栅精细程度、耐高温高压性、多功能集成技术等。

文/李刚