IGBT的結構及在電動汽車上應用的關鍵控制因素

馬南 潘圣臨 王建武 劉順平 蓋裕禎

哈爾濱東安汽車發動機有限公司 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

在節能、環保的大趨勢要求下，全世界的汽車廠商都在積極發展電動汽車（包括：混合動力汽車和純電動汽車），目前中國已經成了全球最大電動車產銷國，據中國汽車工業協會數據，2017年中國電動汽車的銷量77.7萬輛，同比累計增長了53%，其中純電動汽車同比增長82.1%，繼續保持高增長態勢。IGBT作為電動汽車核心元件之一，也得到了非同尋常的重視和應用。

IGBT 全稱是絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor），是在金屬氧化物場效應管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）基礎上發展起來的一種新型復合功率器件，具有MOS管和BJT的所有優點，包括：輸入阻抗高、開關速度快、飽和壓降低、反偏耐受電壓高、載流密度大、驅動功率小、熱穩定性好等一系列優點（詳見表1），因此成為了重要的功率半導體元器件，該器件為電動汽車輕量化、高性能和高可靠性奠定了基礎。

表1 IGBT與BJT、 MOSFET性能比較

2 IGBT芯片結構分析

自1982年IGBT由GE公司和RCA公司首次公布以來，引起了世界許多半導體廠家和研發人員的重視，并且投入了巨資進行研發，制造工藝和器件設計經歷了許多重要階段的改進，各方面性能得到很大提高，總結起來如表2。

IGBT芯片是由幾萬個元胞（cell）組成，工藝上采用大規模集成電路技術和功率半導體器件技術制造而成，每個元胞結構如圖1，由三部分構成分別是：正面MOS結構、體結構和背面集電極。

（1）目前的IGBT的體結構多為軟穿通（Soft Punch Through，SPT）結構，該結構綜合了穿通（Punch Through，PT）和非穿通（Non Punch Through，NPT）結構體的優點，在提升芯片應用功率等級的同時，卻沒有使通態壓降和芯片襯底厚度同比例增加，而且，通過控制空穴注入效率，使IGBT獲得了正溫度系數，近年來出現的各種增強型技術和超薄片技術都是基于軟穿通的結構。

（2）IGBT的集電極區結構與PNP晶體管的增益相關聯，對正向壓降與關斷損耗有很大的影響，目前采用了透明集電極結構，控制了空穴注入，提高了整體壽命，實現了導通壓降的正溫度系數，并通過優化改進提高了IGBT關斷速度及短路安全工作區特性。

（3）IGBT的正面MOS結構包含柵極和發射極區，柵極結構有平面柵（圖2a）與溝槽柵（圖2b）兩種，平面柵結構的柵氧化層質量較好，其柵容較小，并且不會在柵極下方處造成電場集中而影響耐壓，在高電壓應用場合普遍采用這種結構的IGBT；而溝槽柵為縱向結構，消除了導通電阻中RJFET的影響，還有助于提高元胞密度，以及功耗降低，因此在中低壓（1700V及以下電壓等級）IGBT產品中得到了廣泛應用。

表2 IGBT的重要發展階段

圖1 IGBT元胞結構

圖2 IGBT柵極結構

圖3 單管模塊等效電路圖

圖4 三相橋模塊等效電路圖

3 IGBT模塊結構分析

I G B T常見的形式是I G B T模塊（Module），由IGBT與FWD（續流二極管）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品，目前有多種形式的IGBT模塊產品，根據應用領域不同內部還集成了各種驅動保護電路，極大地方便了用戶的使用。

3.1 IGBT模塊按其使用功能可分為：單管模塊（如圖3）、半橋模塊、全橋模塊、三相橋模塊（如圖4）等功能模塊，以及應用于電動汽車上的七合一模塊（整流、剎車、逆變，如圖5）等。

IGBT模塊較單管IGBT有許多優點，包括：一個模塊內多個IGBT芯片經制造商的篩選，其參數一致性比分立元件更好；模塊內部電路布局更合理，引線電感更小，寄生參數更小；模塊的最高電壓等級一般比單管高1～2等級，如單管最高電壓規格為1700V，模塊可做到2500V，3300V甚至更高的規格。

3.2 IGBT模塊按封裝工藝可分為焊接式和壓接式兩類，常見的焊接式封裝結構如圖6所示，主要包括母排電極、鍵合引線、芯片、焊層、襯板和基板幾大部分，為了提高模塊的可靠性及質量穩定性，要求各部分選用熱膨脹系數相匹配的材料，而且散熱特性優良，界面之間連接牢固。

IGBT模塊的另一種封裝形式是壓接式封裝，壓接式具有無引線焊接，散熱面積大，從而具有更優良的散熱性、更高的工作結溫、更低的寄生電感、更寬的安全工作區和更高的可靠性，其壓接方式有兩種，一種是利用精密壓裝設備將IGBT芯片封裝在前后蓋的殼體中，該封裝工藝要求芯片厚度尺寸的一致性較高，壓裝設備對壓力和壓頭的行程勻有精密的控制，如圖7（1）所示；另一種是利用彈簧的彈力使芯片與基板可靠接觸，如圖7（2）所示，可以降低芯片厚度一致性要求。

圖5 七合一模塊等效電路圖

圖6 焊接式IGBT模塊結構

圖7 壓接式IGBT（1）

圖7 壓接式IGBT（2）

4 IGBT在電動汽車上的應用

IGBT約占電機驅動系統及車載充電系統成本的40%，折合到整車上約占電動汽車總成本的7～10%，是除了電池之外成本第二高的元件，IGBT的性能也決定了整車的能源利用效率。IGBT在電動汽車上的作用主要是能量轉換（交流直流之間互換），電壓高低調節和能量控制（如圖8所示），主要應用在兩個系統中：

（1）電機驅動控制系統：整車控制器通過脈沖寬度調制（PWM）的方式控制IGBT，將電池的直流電轉換成交流電驅動電機運轉；或者將剎車、下坡工況回收的交流電轉換成直流電給電池充電。

（2）充電系統，將電網的交流電通過IGBT轉換成電池能接受的直流電，給電池充電。

4.1 電動汽車上的IGBT的選用

電動汽車上使用的IGBT要面臨工作環境溫度、濕度變化幅度大，電機峰值功率高，輸出功率變化頻繁等很多復雜情況，同時還要求IGBT具有產品一致性好、可靠性高、工作壽命長（與車同壽命），這些決定了電動汽車不能使用工業級的IGBT。對一個具體的應用來說，選擇IGBT模塊時要考慮其在靜態、動態、過載的運行情況下的器件耐壓，實際的冷卻條件，開關頻率，安全工作區（SOA）限制，最高運行溫度限制等，下面對幾個主要參數選擇進行說明。

4.1.1 額定電壓

IGBT模塊的額定電壓主要取決于電池輸出電壓特性，同時要考慮寄生電感、系統中di/dt等的影響，一般為電池電壓的2倍以上，IGBT無雪崩額定值，因此，確保最惡劣條件下IGBT的電壓低于器件的耐壓值，英飛凌提供的選擇建議如表3。

4.1.2 額定電流

額定電流的選擇通常先計算通過IGBT的電流值，然后考慮電機峰值電流，同時要兼顧IGBT具有溫度敏感性，隨著IGBT溫度上升可利用的電流會減少，因此需要根據實際的應用情況（散熱條件，負荷大小）計算散耗功率，根據熱阻核算最高結溫不能超過IGBT的規定值限值，如果采用風冷或水冷，則可考慮采用電流值更小的IGBT模塊，如果散熱條件不好要采用電流更大的IGBT模塊。

其次還要考慮安全工作區（SOA）的限制，允許通過的最大電流與工作電壓、脈沖寬度密切相關，一般是2倍額定值的脈沖電流，這個脈沖電流通常指脈沖寬度為1ms的單脈沖通過的最大通態電流值，脈沖電流之間要有足夠的間隔時間。

4.1.3 開關頻率

IGBT的損耗主要由通態損耗和開關損耗兩部分組成，而IGBT器件工作的最高頻率也是由其總耗散功率、散熱條件和結溫共同確定的，對于開關頻率＜10kHz時，通態損耗是主要的，這就需要選擇低飽和壓降型IGBT。而當開關頻率＞15kHz時，開關損耗占比較大，通態損耗是次要的，需要選擇短拖尾電流型IGBT。如果采用軟關斷技術，可提高器件的最終輸出頻率，例如：英飛凌KS4高頻系列，硬件開關工作頻率可達40kHz，若是采用軟開關，可工作在150kHz左右。

4.1.4 短路安全工作區（SOA）

這種特性指器件能夠在一定時間內承受通過終端輸入的最大總線電壓，并能夠安全關斷。在這種條件下，通過IGBT的電流將會達到其飽和狀態，并有效控制系統的電流，同時耗散大量功率，在應用時除了適當選擇安全工作區，一般IGBT與輸出終端之間還應有一個電感元件，利用電感控制電流的上升速度，保護IGBT免受短路電流沖擊。

另外還要求選用的IGBT的最大結溫Tjmax≥150℃；C-E飽和壓降VCEsat的值盡量低，關斷軟度好，具有正溫度系數；模塊熱阻低，熱容大等。

圖8 電動汽車上IGBT應用原理圖

4.2 IGBT應用的關鍵點

用IGBT制作電動汽車的逆變器和電機驅動控制器時，需要注意以下關鍵點：

（1）靜電防護：IGBT是靜電敏感器件，要在有防靜電措施的環境中進行生產，操作者要穿著防靜電服，佩戴防靜電手環等，焊接端子的設備或電烙鐵一定要接地。

（2）保護電路：IGBT模塊在頻率很高的環境下使用時，布線電感容易產生幅值很高寬度很窄的脈沖電壓，使IGBT受到沖擊而損壞，所以必須注意減少布線電感和元件的配置，應具有過流保護、過電壓保護、柵極過電壓及欠電壓保護，過溫保護等。

（3）吸收電路：由于IGBT開關頻率高，容易產生浪涌電壓，電路中必須設有浪涌鉗位電路。

（4）并聯使用：應考慮柵極電路、線路布線、電流不平衡和器件之間溫度不平衡問題。

（5）在連接模塊內部的器件時，要嚴格控制連接模塊的母線排的焊接壓力、焊接溫度和焊接時間，避免產生虛焊情況，以及對模塊內部元件和其他電極焊接質量的影響。

4.3 IGBT模塊散熱設計要求

IGBT在工作中，會產生大量熱損耗，如果熱量不能及時排出，會導致IGBT故障而失去工作能力，造成電動汽車動力輸出功能失效，因此，IGBT的散熱設計必須得到足夠的重視。

目前電動汽車中使用的IGBT散熱有風冷和水冷，水冷因其有循環水進行冷卻，散熱能力更強，無論是何種冷卻形式，在IGBT的散熱設計都應關注以下幾個關鍵因素。

（1）散熱器的結構設計應根據使用環境和IGBT模塊參數進行匹配設計，保證裝置能在正常溫度條件下工作；為了提高散熱效率，通常在散熱器與模塊之間涂一層很薄的導熱硅脂，并且要求模塊與散熱器均勻貼合不能有氣泡。

（2）如果只有一個IGBT模塊，該模塊應安裝到散熱器中心位置，散熱效果最佳；

（3）有幾個IGBT模塊時，應該根據模塊發熱情況留出相應的空間，發熱大的應留出較大的空間。

（4）IGBT模塊長度方向應與散熱片的方向一致，以便減少散熱器的變形；

（5）散熱風扇應順著散熱片長度方向吹風，最大限度發揮散熱效率。

5 結語

本文對IGBT的發展做了簡要回顧，分析了IGBT芯片的結構特點與應用的關系，介紹了IGBT模塊結構形式，對IGBT的主要參數選擇，及應用中的一些關鍵控制點進行了分析，尤其是散熱器的設計要點進行了闡述。我國的電動汽車已經進入了高速發展時期，IGBT既是電動汽車的統核心元器件，也是成本最高的零件之一，因此，對其全面認識，很好的應用才能發揮出它的全部潛力，提高電動汽車能源利用效率，保證電動汽車質量的可靠性。

表3 額定電壓選擇參考