文章介紹了汽車級絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）在新能源汽車高壓系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，通過對搭載車型、電池電壓、電機功率細分后，分析了目前功率半導(dǎo)體應(yīng)用中存在的差異，對未來的汽車級 IGBT 發(fā)展提出建議。

本文來自 2018 年 5 月 10 日出版的《 上海汽車 》，作者是上海汽車集團股份有限公司祖似杰。

引言

2016 年我國新能源汽車銷量約 43 萬輛，2017年銷量約 72 萬輛，增幅約為 66%。新能源汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車最核心的技術(shù)是三電系統(tǒng)：電池、電機和電控（見圖 1）。

圖 1  新能源汽車三電系統(tǒng)

電機控制系統(tǒng)是新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，電控系統(tǒng)的技術(shù)水平直接影響整車的性能和成本。其中，電控系統(tǒng)應(yīng)用的核心部件——IGBT 擁有高輸入阻抗、高速開關(guān)和導(dǎo)通損耗低等特點，在高壓系統(tǒng)中擔(dān)負著極其重要角色：

• 在主逆變器（Main Inverter）中，IGBT 將高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動三相電機的交流電；

• 在車載充電機（OBC）中，IGBT 將 220 V 交流電轉(zhuǎn)換為直流并為高壓電池充電；

• 在 PTC、DC/DC、水泵、油泵、空調(diào)壓縮機等應(yīng)用中都會使用到 IGBT。

因此，加強對汽車級 IGBT 及其封裝技術(shù)的研究是推動新能源汽車技術(shù)升級的關(guān)鍵。

1. 車載功率半導(dǎo)體概述

純電動與插電式混合動力汽車的需求日益增長，目前市場上銷售的新能源汽車所搭載的功率半導(dǎo)體多數(shù)為硅基器件，如 IGBT 和 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）。

MOSFET 的優(yōu)點是較高的開關(guān)頻率，可以工作在百 kHz 到 MHz 之間；缺點是耐壓低，在高電壓、大電流應(yīng)用中損耗非常大，因而限制了其應(yīng)用。IGBT 的優(yōu)點是導(dǎo)通壓降小、耐壓高，輸出功率可到 100 kW 以上；缺點是開關(guān)頻率較低，一般為 20 kHz 以下。目前，專為OBC、DC/DC 應(yīng)用而開發(fā)的高速 IGBT 的開關(guān)頻率可達 100 kHz 以上，性能已經(jīng)達到相同規(guī)格 MOSFET 水平，如圖 2 所示。

圖 2  IGBT/MOSFET 耐壓與開關(guān)頻率對比

例如，車載充電機是交流電和直流電轉(zhuǎn)換的設(shè)備，充電機的高電壓、高功率、高效率特性是保證充電功能的基礎(chǔ)，提高輸出電壓及電流可有效縮短充電時間。車載充電機選擇高頻特性好、導(dǎo)通壓降小、反向恢復(fù)快的功率器件，是提高充電效率的核心。另外，車載充電機需要經(jīng)常在高溫高濕環(huán)境中工作，元器件的可靠性不容忽視。因此，新能源汽車采用高性能的 IGBT是保障并提高電控系統(tǒng)高效性和可靠性的關(guān)鍵。

純電動汽車動力總成含主驅(qū)電機、減速器及主逆變器，其中功率半導(dǎo)體器件選型需要滿足主驅(qū)電機的額定及峰值功率輸出的要求。按高壓電池電壓細分為：

• 60 V/72 V 低壓系統(tǒng)：用于 A000 平臺，功率等級為 3 ～ 9 kW；

• 144 V/160 V 中壓系統(tǒng)：用于 A000/A00/A0平臺，功率等級 10 ～ 40 kW；

• 280 V/336 V/360 V 高壓系統(tǒng)：用于 A0/A/B/SUV 平臺，功率等級 50 ～ 180 kW。

上述低壓系統(tǒng)中，

• 由于功率小、電壓低，因此大多選用 MOSFET 單管并聯(lián)及其模塊方案；

• 中壓系統(tǒng)中，由于最高工作電壓已接近 200 V，因此可選用 MOSFET 單管并聯(lián)、IGBT 單管并聯(lián)或兩者的模塊方案；

• 高壓系統(tǒng)中，MOSFET 由于無法滿足高壓及大功率需求，因此可選用 IGBT 單管并聯(lián)及其模塊方案。

混合動力汽車廣義上含增程式、混合動力及插電混合動力汽車，動力總成含發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機、變速器和主逆變器。按機電耦合比例細分為：

• 弱混：48 V 啟停系統(tǒng)、高壓 BSG 系統(tǒng)；

• 中混：高壓 TM 系統(tǒng)、高壓 ISG 系統(tǒng)；

• 強混：高壓 TM/ISG（BSG）系統(tǒng)。

其中 48 V 啟停系統(tǒng)由于電壓較低，因此以MOSFET 并聯(lián)方案為主，其它中混、強混高壓系統(tǒng)中主要以大功率 IGBT 模塊方案為主。

2. IGBT 工作原理

IGBT 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)合了 MOSFET 的驅(qū)動優(yōu)勢及 BJT（雙極性晶體管）的導(dǎo)通優(yōu)勢（如圖 3 所示）。

圖 3  IGBT 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路

PNP 和 NPN 型的雙極性晶體管在導(dǎo)通時，少數(shù)載流子和多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。在同等電壓和電流條件下，雙極性晶體管的導(dǎo)通壓降要低于 MOSFET 的導(dǎo)通壓降，后者只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。導(dǎo)通時，MOSFET 需要的柵極驅(qū)動能量小，而晶體管需要相對高的基極電流來維持整個導(dǎo)通周期。

在內(nèi)部，IGBT 更像垂直結(jié)構(gòu)的 MOSFET，不過它在漏極側(cè)增加了高摻雜的 P + 層，稱之為集電極。當(dāng)柵極接負電壓或者零電壓時，IGBT 關(guān)斷。這時發(fā)射極電壓要遠低于集電極電壓即 IGBT 正向阻斷，PN 結(jié) J2 阻斷。為了獲得足夠的阻斷能力，必須使得 N - 區(qū)足夠?qū)挘覔诫s濃度要足夠低。

如果 IGBT 的柵極接到正電壓（通常是 +15 V），IGBT 進入導(dǎo)通狀態(tài)。首先，在氧化層下面的 P 區(qū)建立反型導(dǎo)電溝道，為電子從發(fā)射極到 N - 區(qū)提供導(dǎo)電通路，從而降低 N - 區(qū)的電位，J1 導(dǎo)通。P + 區(qū)的少子（空穴）開始進入 N - 區(qū)，使得該區(qū)的少數(shù)載流子濃度超過多數(shù)載流子幾個數(shù)量級（假設(shè)集電極電壓足夠高）。為了保持電荷中性，大量的自由電子從 N + 區(qū)吸引到 N - 區(qū)。由于載流子的注入，本來相對高阻的 N - 區(qū)的導(dǎo)電率迅速上升。這個過程稱之為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，它會顯著降低 IGBT 的正向?qū)▔航怠?/strong>IGBT 的 Vcesat 低于MOSFET 的擴散電壓特別是在高壓大電流的應(yīng)用場合，所以 IGBT 的損耗要比 MOSFET 低。

圖 4  IGBT 的導(dǎo)通壓降 Vce 與 Vgate 關(guān)系

IGBT 的輸出特性如圖 4 所示，如果 Gate 電壓不夠大，那么形成的反型層較弱，輸入漂移區(qū)電子數(shù)相對較少，導(dǎo)致 IGBT 的壓降增大，直接影響到導(dǎo)通損耗增大甚至因過溫損壞 IGBT。

如果 Gate-Emitter 電壓為零或者負壓，柵極的溝道重組將阻止自由電子繼續(xù)注入漂流區(qū)。此時，漂流區(qū)載流的濃度很高，所以大量的電子向集電極 P + 區(qū)移動，而空穴向 P 區(qū)移動。由于電子濃度逐漸拉平，載流子的移動逐步停止，剩余的載流子只能依靠復(fù)合來移除。因而 IGBT 的關(guān)斷電流分為 2 個階段：（1）關(guān)斷反型溝道，導(dǎo)致電流迅速下降；（2）持續(xù)的時間較長，導(dǎo)致 IGBT 產(chǎn)生拖尾電流。第一個階段被稱為 MOSFET 關(guān)斷，第二個階段稱為晶體管關(guān)斷。拖尾電流使得 IGBT 的關(guān)斷損耗高于 MOSFET 的關(guān)斷損耗。

如圖 3 所示的 IGBT 等效電路，其內(nèi)部存在寄生晶閘管，該晶閘管由 2 個 BJT 組成。為了防止IGBT 意外導(dǎo)通（即閉鎖），可以在設(shè)計和制造 IGBT 時采用一些針對性的預(yù)防策略防止寄生的晶閘管導(dǎo)通。例如可以通過芯片金屬化的方法把 NPN 晶體管的基極與發(fā)射極短路來解決閉鎖問題，這種技術(shù)可以保證晶體管的基極和發(fā)射極的電壓為 0，確保晶體管不會導(dǎo)通。這種設(shè)計可以通過局部提升 P 區(qū)的摻雜濃度或者選用更窄的 N + 區(qū)來改進，前者可以通過降低歐姆電阻阻值來降低晶體管基極和發(fā)射極的電壓。

閉鎖可以發(fā)生在靜態(tài)開通狀態(tài)（IGBT 已導(dǎo)通）和動態(tài)開關(guān)狀態(tài)（IGBT 關(guān)斷過程），在這兩種情況下通過 IGBT 電流值的大小是決定發(fā)生閉鎖的關(guān)鍵參數(shù)。電流越大，越易發(fā)生閉鎖。但是根據(jù)前面提到的設(shè)計，目前大多數(shù) IGBT 在一定的電流范圍內(nèi)不會發(fā)生閉鎖。值得注意的是，這個電流范圍一般指 2 倍的標(biāo)稱電流之內(nèi)。

自從 20 世紀(jì) 80 年代中期研發(fā)出第一只 IGBT 器件以來，IGBT 技術(shù)經(jīng)歷了幾個不同發(fā)展階段，這些技術(shù)都是試圖平衡 IGBT 的各種特性，其中有些參數(shù)是互相矛盾的。例如：降低導(dǎo)通損耗、降低開通和關(guān)斷損耗、優(yōu)化器件開關(guān)的特性、提高電流密度、提升耐壓等級、減少半導(dǎo)體材料（同等電壓和電流能力下，減少芯片厚度和面積）、提升最高工作節(jié)溫、擴展 SOA（安全工作區(qū)）特別是 RBSOA（反偏安全工作區(qū)）和 SCSOA（短路安全工作區(qū)）。

IGBT 制造商利用不同的技術(shù)都是為了達到相同的目標(biāo)，即不斷提高 IGBT 的性價比，實現(xiàn)理想的開關(guān)特性。

3. 汽車級大功率 IGBT 發(fā)展趨勢

IGBT 在新能源汽車中的應(yīng)用目前分為單管并聯(lián)和模塊 2 種。單管方案隨并聯(lián)數(shù)量增加，其技術(shù)難度及成本呈非線性上升關(guān)系；IGBT 模塊采用框架式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品開發(fā)周期短、可靠性高，極大地降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。

因此，IGBT 模塊已在全球新能源汽車中得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著市場對于整車性能要求的迅速提高，汽車級大功率 IGBT 呈現(xiàn)出高電壓、高效率、高功率密度和高可靠性的發(fā)展趨勢。

無論是芯片技術(shù)、生產(chǎn)工藝、測試流程都是為汽車級應(yīng)用量身定制的。芯片最高工作節(jié)溫由150 ℃ 提升至 175 ℃，相同厚度的芯片耐壓由 650 V 提升至 750 V，相同芯片面積下電流能力提升 20%，門級電荷量降低至之前的 70%。同時將電流傳感器和溫度傳感器集成在 IGBT 芯片上，實現(xiàn)更加及時和準(zhǔn)確的采樣。

IGBT 的制造工藝水平也在不斷提升，諸多先進制造工藝如離子注入、精細光刻等被應(yīng)用到 IGBT 制造上。芯片制造過程中的最小特征尺寸已由 5 μm 降至 1 μm。硅片尺寸從 8 英寸轉(zhuǎn)換為12 英寸，通過提高硅片切割的利用率來降低 IGBT芯片成本。

由于芯片技術(shù)的不斷完善，芯片的最高工作節(jié)溫及功率密度不斷提高。因此，IGBT 模塊封裝技術(shù)將圍繞著芯片焊接可靠性、芯片與功率端子互聯(lián)技術(shù)及降低熱阻 3 個方面不斷改進。

另外，無綁定線鍵合、集成電流/溫度傳感器、集成控制/驅(qū)動電路及雙面冷卻都有助于提高 IGBT 的功率循環(huán)次數(shù)、抗振動等級和功率密度，同時降低引線電感及芯片到散熱器熱阻。

功率電子傳統(tǒng)意義上是一個被動的執(zhí)行器件，接收指令后動作。未來的趨勢是不僅簡單地接收指令，還有部分判斷和保護功能。例如在 IGBT 模塊內(nèi)集成控制和驅(qū)動電路、增加電流和溫度傳感器。

當(dāng) KL15 信號處于 OFF 狀態(tài)，DC-link電壓由于電機反電勢高而超過閥值電壓時，IGBT模塊內(nèi)部控制系統(tǒng)可采用相應(yīng)控制策略降低反電勢電壓。在電池電壓偏高時，可降低功率器件開關(guān)速度；在電池電壓正常時，切換為最高效開關(guān)動作。因此，功率器件的智能化可以讓電子控制系統(tǒng)達到更高安全等級。

典型的汽車電子產(chǎn)品研發(fā)周期需要 2 ~ 3 年，如果開發(fā)一個產(chǎn)品平臺，可以顯著縮短開發(fā)周期和降低成本。以目前市場上應(yīng)用較為廣泛的汽車級 Hybrid PACK 產(chǎn)品為例，其產(chǎn)品家族分為 HP1-DC6 和 HP Drive 兩個封裝平臺。其中 HP1-DC6 產(chǎn)品平臺適用于 50 ~ 100 kW 的應(yīng)用，HPDrive 則覆蓋了 80 ~ 180 kW 的應(yīng)用（見圖 5所示）。

圖 5  Hybrid PACK  產(chǎn)品家族

4. 從 0 汽車級大功率 IGBT 研究中得到的啟示

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及產(chǎn)銷量逐年攀升，產(chǎn)品設(shè)計的可靠性和質(zhì)量要求也愈來愈嚴(yán)格。汽車級產(chǎn)品、系統(tǒng)設(shè)計和認(rèn)證體系是高可靠性的保證。

汽車級 IGBT 模塊從設(shè)計概念到產(chǎn)品上線生產(chǎn)歷時 3 年時間， 其中 18 個月用于可靠性實驗。可靠性實驗的主要工作是根據(jù)已知加速模型進行加速老化試驗，例如功率循環(huán)測試，需要為 IGBT 注入大電流使其節(jié)溫變化達到 100 K，歷經(jīng) 7 萬次循環(huán)而不出現(xiàn)質(zhì)量問題；還有機械振動測試20 g，機械沖擊測試 50 g。如 Hybrid PACK HP 1 模塊產(chǎn)品在車輛運行 20 萬 km 后返廠分析，其各項電氣指標(biāo)均符合出廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)且壽命消耗不足 50%。

另外，產(chǎn)能和生產(chǎn)保證也得到更多關(guān)注。針對 IGBT 模塊的前道芯片生產(chǎn)到后道封裝生產(chǎn)產(chǎn)能的增長以及生產(chǎn)工廠的雙備份（不同地區(qū)建設(shè)備份的生產(chǎn)線）都是新能源汽車發(fā)展的基礎(chǔ)保障。

各大新能源企業(yè)需要思考適合自身發(fā)展的戰(zhàn)略布局，如何采用技術(shù)創(chuàng)新從研發(fā)成本、銷售及服務(wù)方面開辟屬于自己的市場空間，達到盈利目標(biāo)。