淺談電動汽車IGBT技術應用與發展

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2022-03-18 02:41:41 6

20世紀中期出現了功率器件，經過近30年的發展，MOS和BJT技術的結合催生出IGBT技術。IGBT經過不斷更新，現已廣泛應用于車輛、焊接、航天航空等領域。本文介紹了IGBT的結構和工作原理，并對其在電動汽車領域的應用進行闡述，有助于從業者*深入了解IGBT原理及其在電動汽車領域的技術發展。

隨著全球變暖和環境惡化加劇，為了緩解節能減排的壓力，我國提出了高目標。為了實現節能減排的目標，我國大力扶持發展新能源汽車。電動汽車動力總成的核心能源轉換單元式牽引逆變器，它可以將電池輸出的直流電逆變為三相交流電。車輛在工作時頻繁起停導致逆變器中的功率半導體器件需要承受各種沖擊力。逆變器的功率密度和電動汽車的動力輸出密切相關。車規級功率模塊的功率半導體器件主要包括碳化硅基功率金屬氧化物半導體場效應晶體管和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。

IGBT屬于復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，它由雙極型三極管、絕緣柵型場效應管兩個部分構成，具有高輸入阻抗和低導通壓降等優點。電力晶體管的飽和壓較低，載流密大，但工作電流較大；金氧半場效晶體管工作功率小，通斷速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT導通后的功耗很小，可以看作導線，斷開時的電阻很大，可以看作開路，具有高壓、大電流、高速三大特點，工作功率小飽和壓降低，適用于直流電壓為600 V及以上的變流系統。由于電動汽車對功率器件的耐壓性、耐高溫性、散熱性、穩定性等性能具有很高的要求，IGBT相對MOSFET晶體管具有更優的綜合性能，因此，IGBT成為目前電動汽車逆變器上的主流功率器件，并且發展潛力巨大。 IGBT的結構 IGBT有柵極G、集電極c和發射極E，屬于三端器件。IGBT具有兩層P+注入區，這兩個區域構成了一個面積較大的PN結J1。當IGBT接入電路工作時，部分載流子從注入區P+發射到基區N，達到調至漂移區電導率的作用，因此，IGBT具有較強的通流能力。緩沖區介于P+注入區與N-漂移區之間的N+層。緩沖區有無IGBT表現出不同特性。有N+緩沖區的IGBT稱為非對稱型IGBT（也稱穿通型IGBT），具有正向壓降較小、犬斷時間短、關斷時尾部電流小等優點，但其反向阻斷能力相對較弱。無N-緩沖區的IGBT稱為對稱型IGBT（也稱非穿通型IGBT）具有較強的正反向阻斷能力，它的其它特性與穿通型IGBT相比較差。

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IGBT驅動電路 IGBT驅動電路是由GTR與MOSFET組成的達林頓結構，此結構導通與斷開是通過控制柵極正負電壓來實現的。當柵極電壓為正時，GTR與MOSFET組成的達林頓管處于導通狀態；當柵極電壓為負時，GTR與MOSFET組成的達林頓管處于斷開狀態即不工作狀態。IGBT驅動電路等效電路簡圖如圖2所示。該電路可以放大單片機脈沖輸出的功率來間接驅動IGBT功率器件工作。 IGBT與雙極型電力晶體管的伏安特性曲線相似。當控制電壓UGE增加，特性曲線向上移動，改變UGE的電平可以控制IGBT的狀態（截至狀態、飽和狀態），因此常用在電源的開關中。

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IGBT的工作原理 IGBT可以看成一個PNP型晶體管（通過MOSFET驅動），與普通的PNP型晶體管相比，它的基區更厚，等效電路如圖1（b）所示，圖中的RN為PNP晶體管基區內的調制電阻，MOSFET為N溝道場效應晶體管，這種結構的IGBT稱為N溝道IIGBT，其符號為N-IGBT。類似的還有P溝道IGBT，即P-IGBT。 IGBT的電氣圖形符號如圖1（c）所示，IGBT是—種場控器件，它的開通和關斷由柵極和發射極間電壓UCE決定，若開啟電壓UCE（th）值小于柵射電壓UCE并且柵極電壓為正值，PNP型晶體管接收MOSFET內部溝道中的電流，IGBT導通。這時，從P+區進入N-區的載流子對N-區實施電導調制，電阻RN（N-區）會逐漸降低，IGBT獲得一個較小的通態壓降。若柵射極間電壓UCE等于零或者為反向電壓時，MOSFET內不會形成溝道，沒有載流子從P+區進入N-區對N-區實施電導調制，晶體管內沒有基極電流，IGBT不工作即關斷。IGBT的驅動原理如下所示。當UCE為負時：J3結處于反偏狀態，器件呈反向阻斷狀態。當UCE為正時：UC< UTH，溝道不能形成，器件呈正向阻斷狀態；UG>UTH，絕緣門極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區產生電導調制，使器件正向導通。 1. 導通 IGBT硅片的結構與功率MOSFET的區別在于，IGBT比功率MOSFET多了P+基片和一個N+緩沖層（IGBT沒有NPT-非穿通結構），在管體的P_區和N+區之間應用基片建立了一個J1結。若正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，IGBT內部形成N溝道，此時溝道內形成電子流并形成一股電流。當形成的電子流的電壓在0.7 V范圍內，P_區和N+區建立的J1處于正向偏壓，N-區內進入部分空穴，這些空穴會改變N-區與N+區之間的電阻率，這種調節方式降低了IGBT導通的能耗，同時驅動了第二個電荷流。兩種不同的電流拓撲，即一個MOSFET電子流和一個空穴電流（雙極），臨時出現在半導體內。 2. 導通壓降 應用電導調制效應可以降低電阻RN的值，減少通態壓。所謂通態壓降，是指IGBT進入導通狀態的管壓降UDS，這個電壓隨UCS上升而下降。 3. 關斷 柵極在得到一個負偏壓或柵極電壓低于門限值時，將不會形成溝道，N-區內不會有空穴進入。所有情況下，在開關階段若MOSFET的電流下降速度過快均會引起集電極電流的降低，此時閡為換向開始后，少數的載流子任然存留在N區內。關斷時電荷的密度會直接影響降低殘余電流值。電荷的密度與雜質摻入的數量和拓撲、層次的厚度和溫度等因素有關，因此，降低殘余電流值（尾流）受多種因素影響，具有不確定性。集電極電流受N區內殘留的部分載流子的衰減影響，出現特征尾流波形。集電極特征尾流會導致功耗變大、導通錯亂等問題。這種問題在續流二極管的設備上會更加凸顯。因為殘余電流與少數的載流子的重組具有緊密的關系，所以，殘余電流的電流值應與芯片的Tc、IC、UCE、空穴移動性有重要的關系。 4. 反向阻斷 若集電極得到反向電壓，P_區和N+區J結會受到反向偏壓影響，同時因層面厚度降低太大，阻斷能力將會喪失，耗盡層則會向N-區擴展，此外，若區域尺寸增加超過一定的值，壓降也會連續地變大。 5. 正向阻斷 若集電極端子獲得正電壓且把柵極和發射極進行短接，P_區和N+區之間的J結受反向電壓控制。 6. 閂鎖 PNPN晶閘管寄生在ICBT的集電極與發射極之間。晶閘管導通現象被稱為IGBT閂鎖。在一定條件下，PNPN晶閘管會導通，集電極與發射極之間電流量變大，控制等效MOSFET的能力會下降，常常會引起器件的擊穿問題。 IGBT與電動汽車IGBT芯片發展歷程 回顧功率器件過去幾十年的發展，20世紀60年代，雙極型器件通態電阻很小，電流控制，控制電路復雜且功耗大。隨著工業的發展，對學術界提出了簡化驅動電路，降低制造成本和開關能耗、通態壓降的要求。20世紀90年代，IGBT在MOS與BJT集成技術研究的背景下被制造出來。 IGBT的出現并不是為了電動汽車服務，但是，隨著全球環境的惡化，電動汽車得到了發展，IGBT逐漸開始應用在汽車、交通等領域，并隨著電動汽車與IGBT的共同發展，IGBT芯片成為電動汽車不可或缺的一部分。電動汽車IGBT芯片發展歷程如圖3所示。 *代：IGBT的雛形，需要依靠提高N-drift來提高耐壓，關斷功耗和導通電阻都比較高，由于以上因素，*代IGBT止步于實驗室未得到普及使用。第二代：PT-IGBT，耗盡層未能穿透N+緩沖層，基區電場加強呈梯形分布，通過降低芯片厚度來降低功耗。西門子公司是當時生產IGBT器件的代表性公司。20世紀末，西門子公司生產的BSM150GB120DN1（DN1表示*代產品），在600V電壓上具有*的表現，但當電壓升至1200 V時，外延厚度變大，成本相對較高，同時可靠性降低（摻雜濃度及厚度的均勻性差）。第三代：NPT-IGBT，離子注入技術取代外延技術生成P+集電極（透明集電極技術），可以很好地控制結深同時保證盡可能低的發射效率。關斷損耗是通過加快載流子抽取速度來實現的。基本不影響基區原有的載流子壽命，同時對穩態功耗的影響幾乎可以忽略不計，此時的IGBT已經具備正溫度系數的特點，在穩態損耗和關斷損耗間表現不俗。此時，IGBT代表性公司依然是西門子，其突破性地采用區熔法代替外延的批量產品。第四代：Trench-IGBT，第四代較以往具有較大的改進，這次運用Trench結構，溝道從以前的表面移動到了垂直面上，增強了基區的PIN效應，增大了柵極附近載流子的濃度，電導調制效應有了一定的提升，導通電阻得到了降低，消除了JFET效應，柵極密度可以按需求增加。并且，第四代繼續繼承了第三代的集電極P+implant技術，引入了PT技術作為場終止層，提高了耐壓能力。英飛凌代替西門子成為引領企業，其減薄技術當時**，1200 V的時候，它的厚度可以做到120~140 um之間，600V時可以做到70 um以下。第五代及第六代：第五代FS-IGBT和第六代的FS-Trench是在以前四次技術的基礎上對各種技術措施的重新組合。第五代IGBT是第四代產品“透明集電區技術”與“電場中止技術”的結合。第六代產品與第五代產品的區別是改進了溝槽柵結構。 IGBT在電動汽車領域應用 IGBT作為新型功率半導體器件的主流器件，在軌道交通、新能源汽車等領域均有廣泛的應用。目前，隨著生活節奏的加快，市場對新能源汽車的功率、安全、價格提出了更高的要求，IGBT的電流密度、功率損耗、穩定性起著重要的作用。

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電動汽車的發展與IGBT模塊的發展密不可分，電動汽車、充電樁及其相關設備都離不開IGBT技術的支持。電動汽車生產成本中，IGBT模塊占比超過了10%，在充電樁生產成本中占比接近１/５。IGBT在電動汽車領域主要應用于以下幾個方面： 1.電動汽車的控制系統 IGBT技術用來控制大功率直流/交流（DC/AC）逆變然后控制電機的運轉，變流器是交流傳動系統中牽引核心部件，IGBT又是牽引變流器的關鍵部件。 2.車載空調控制系統使用電流較小的IGBT和FRD控制小功率直流/交流（DC/AC）逆變。 3.充電樁 IGBT模塊在智能充電樁中作為開關元件使用。結語

IGBT器件在大電流密度、低損耗優化技術、高溫高壓技術和智能集成技術方面，均有較好的性能，在新能源汽車的功率模塊上得到了廣泛應用，具有較好的前景。但是，實現電動汽車IGBT芯片優化技術大規模應用還需要進一步優化溝槽柵精細程度、耐高溫高壓性、多功能集成技術等。

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