IGBT的結(jié)構(gòu)及在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

在節(jié)能、環(huán)保的大趨勢(shì)要求下，全世界的汽車廠商都在積極發(fā)展電動(dòng)汽車（包括：混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車），目前中國(guó)已經(jīng)成了全球最大電動(dòng)車產(chǎn)銷國(guó)，據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2017年中國(guó)電動(dòng)汽車的銷量77.7萬(wàn)輛，同比累計(jì)增長(zhǎng)了53%，其中純電動(dòng)汽車同比增長(zhǎng)82.1%，繼續(xù)保持高增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。IGBT作為電動(dòng)汽車核心元件之一，也得到了非同尋常的重視和應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型復(fù)合功率器件，具有MOS管和BJT的所有優(yōu)點(diǎn)，包括：輸入阻抗高、開關(guān)速度快、飽和壓降低、反偏耐受電壓高、載流密度大、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)（詳見表1），因此成為了重要的功率半導(dǎo)體元器件，該器件為電動(dòng)汽車輕量化、高性能和高可靠性奠定了基礎(chǔ)。

表1 IGBT與BJT、 MOSFET性能比較

2 IGBT芯片結(jié)構(gòu)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(dǎo)體廠家和研發(fā)人員的重視，并且投入了巨資進(jìn)行研發(fā)，制造工藝和器件設(shè)計(jì)經(jīng)歷了許多重要階段的改進(jìn)，各方面性能得到很大提高，總結(jié)起來如表2。

IGBT芯片是由幾萬(wàn)個(gè)元胞（cell）組成，工藝上采用大規(guī)模集成電路技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件技術(shù)制造而成，每個(gè)元胞結(jié)構(gòu)如圖1，由三部分構(gòu)成分別是：正面MOS結(jié)構(gòu)、體結(jié)構(gòu)和背面集電極。

（1）目前的IGBT的體結(jié)構(gòu)多為軟穿通（Soft Punch Through，SPT）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)綜合了穿通（Punch Through，PT）和非穿通（Non Punch Through，NPT）結(jié)構(gòu)體的優(yōu)點(diǎn)，在提升芯片應(yīng)用功率等級(jí)的同時(shí)，卻沒有使通態(tài)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(shù)，近年來出現(xiàn)的各種增強(qiáng)型技術(shù)和超薄片技術(shù)都是基于軟穿通的結(jié)構(gòu)。

（2）IGBT的集電極區(qū)結(jié)構(gòu)與PNP晶體管的增益相關(guān)聯(lián)，對(duì)正向壓降與關(guān)斷損耗有很大的影響，目前采用了透明集電極結(jié)構(gòu)，控制了空穴注入，提高了整體壽命，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通壓降的正溫度系數(shù)，并通過優(yōu)化改進(jìn)提高了IGBT關(guān)斷速度及短路安全工作區(qū)特性。

（3）IGBT的正面MOS結(jié)構(gòu)包含柵極和發(fā)射極區(qū)，柵極結(jié)構(gòu)有平面柵（圖2a）與溝槽柵（圖2b）兩種，平面柵結(jié)構(gòu)的柵氧化層質(zhì)量較好，其柵容較小，并且不會(huì)在柵極下方處造成電場(chǎng)集中而影響耐壓，在高電壓應(yīng)用場(chǎng)合普遍采用這種結(jié)構(gòu)的IGBT；而溝槽柵為縱向結(jié)構(gòu)，消除了導(dǎo)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(jí)）IGBT產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。

表2 IGBT的重要發(fā)展階段

圖1 IGBT元胞結(jié)構(gòu)

圖2 IGBT柵極結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)分析

I G B T常見的形式是I G B T模塊（Module），由IGBT與FWD（續(xù)流二極管）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，目前有多種形式的IGBT模塊產(chǎn)品，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同內(nèi)部還集成了各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)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：?jiǎn)喂苣K（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(yīng)用于電動(dòng)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(yōu)點(diǎn)，包括：一個(gè)模塊內(nèi)多個(gè)IGBT芯片經(jīng)制造商的篩選，其參數(shù)一致性比分立元件更好；模塊內(nèi)部電路布局更合理，引線電感更小，寄生參數(shù)更小；模塊的最高電壓等級(jí)一般比單管高1～2等級(jí)，如單管最高電壓規(guī)格為1700V，模塊可做到2500V，3300V甚至更高的規(guī)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(jié)構(gòu)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(zhì)量穩(wěn)定性，要求各部分選用熱膨脹系數(shù)相匹配的材料，而且散熱特性優(yōu)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(wú)引線焊接，散熱面積大，從而具有更優(yōu)良的散熱性、更高的工作結(jié)溫、更低的寄生電感、更寬的安全工作區(qū)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(shè)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(shè)備對(duì)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(jié)構(gòu)

圖7 壓接式IGBT（1）

圖7 壓接式IGBT（2）

4 IGBT在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用

IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及車載充電系統(tǒng)成本的40%，折合到整車上約占電動(dòng)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(dòng)汽車上的作用主要是能量轉(zhuǎn)換（交流直流之間互換），電壓高低調(diào)節(jié)和能量控制（如圖8所示），主要應(yīng)用在兩個(gè)系統(tǒng)中：

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)：整車控制器通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式控制IGBT，將電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；或者將剎車、下坡工況回收的交流電轉(zhuǎn)換成直流電給電池充電。

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

4.1 電動(dòng)汽車上的IGBT的選用

電動(dòng)汽車上使用的IGBT要面臨工作環(huán)境溫度、濕度變化幅度大，電機(jī)峰值功率高，輸出功率變化頻繁等很多復(fù)雜情況，同時(shí)還要求IGBT具有產(chǎn)品一致性好、可靠性高、工作壽命長(zhǎng)（與車同壽命），這些決定了電動(dòng)汽車不能使用工業(yè)級(jí)的IGBT。對(duì)一個(gè)具體的應(yīng)用來說，選擇IGBT模塊時(shí)要考慮其在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、過載的運(yùn)行情況下的器件耐壓，實(shí)際的冷卻條件，開關(guān)頻率，安全工作區(qū)（SOA）限制，最高運(yùn)行溫度限制等，下面對(duì)幾個(gè)主要參數(shù)選擇進(jìn)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(shí)要考慮寄生電感、系統(tǒng)中di/dt等的影響，一般為電池電壓的2倍以上，IGBT無(wú)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(jì)算通過IGBT的電流值，然后考慮電機(jī)峰值電流，同時(shí)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(huì)減少，因此需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況（散熱條件，負(fù)荷大小）計(jì)算散耗功率，根據(jù)熱阻核算最高結(jié)溫不能超過IGBT的規(guī)定值限值，如果采用風(fēng)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(qū)（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(guān)，一般是2倍額定值的脈沖電流，這個(gè)脈沖電流通常指脈沖寬度為1ms的單脈沖通過的最大通態(tài)電流值，脈沖電流之間要有足夠的間隔時(shí)間。

4.1.3 開關(guān)頻率

IGBT的損耗主要由通態(tài)損耗和開關(guān)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(jié)溫共同確定的，對(duì)于開關(guān)頻率＜10kHz時(shí)，通態(tài)損耗是主要的，這就需要選擇低飽和壓降型IGBT。而當(dāng)開關(guān)頻率＞15kHz時(shí)，開關(guān)損耗占比較大，通態(tài)損耗是次要的，需要選擇短拖尾電流型IGBT。如果采用軟關(guān)斷技術(shù)，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(guān)工作頻率可達(dá)40kHz，若是采用軟開關(guān)，可工作在150kHz左右。

4.1.4 短路安全工作區(qū)（SOA）

這種特性指器件能夠在一定時(shí)間內(nèi)承受通過終端輸入的最大總線電壓，并能夠安全關(guān)斷。在這種條件下，通過IGBT的電流將會(huì)達(dá)到其飽和狀態(tài)，并有效控制系統(tǒng)的電流，同時(shí)耗散大量功率，在應(yīng)用時(shí)除了適當(dāng)選擇安全工作區(qū)，一般IGBT與輸出終端之間還應(yīng)有一個(gè)電感元件，利用電感控制電流的上升速度，保護(hù)IGBT免受短路電流沖擊。

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

圖8 電動(dòng)汽車上IGBT應(yīng)用原理圖

4.2 IGBT應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)

用IGBT制作電動(dòng)汽車的逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器時(shí)，需要注意以下關(guān)鍵點(diǎn)：

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

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

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

（4）并聯(lián)使用：應(yīng)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(nèi)部的器件時(shí)，要嚴(yán)格控制連接模塊的母線排的焊接壓力、焊接溫度和焊接時(shí)間，避免產(chǎn)生虛焊情況，以及對(duì)模塊內(nèi)部元件和其他電極焊接質(zhì)量的影響。

4.3 IGBT模塊散熱設(shè)計(jì)要求

IGBT在工作中，會(huì)產(chǎn)生大量熱損耗，如果熱量不能及時(shí)排出，會(huì)導(dǎo)致IGBT故障而失去工作能力，造成電動(dòng)汽車動(dòng)力輸出功能失效，因此，IGBT的散熱設(shè)計(jì)必須得到足夠的重視。

目前電動(dòng)汽車中使用的IGBT散熱有風(fēng)冷和水冷，水冷因其有循環(huán)水進(jìn)行冷卻，散熱能力更強(qiáng)，無(wú)論是何種冷卻形式，在IGBT的散熱設(shè)計(jì)都應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵因素。

（1）散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境和IGBT模塊參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，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(dǎo)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(gè)IGBT模塊，該模塊應(yīng)安裝到散熱器中心位置，散熱效果最佳；

（3）有幾個(gè)IGBT模塊時(shí)，應(yīng)該根據(jù)模塊發(fā)熱情況留出相應(yīng)的空間，發(fā)熱大的應(yīng)留出較大的空間。

（4）IGBT模塊長(zhǎng)度方向應(yīng)與散熱片的方向一致，以便減少散熱器的變形；

（5）散熱風(fēng)扇應(yīng)順著散熱片長(zhǎng)度方向吹風(fēng)，最大限度發(fā)揮散熱效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)IGBT的發(fā)展做了簡(jiǎn)要回顧，分析了IGBT芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用的關(guān)系，介紹了IGBT模塊結(jié)構(gòu)形式，對(duì)IGBT的主要參數(shù)選擇，及應(yīng)用中的一些關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行了分析，尤其是散熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。我國(guó)的電動(dòng)汽車已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期，IGBT既是電動(dòng)汽車的統(tǒng)核心元器件，也是成本最高的零件之一，因此，對(duì)其全面認(rèn)識(shí)，很好的應(yīng)用才能發(fā)揮出它的全部潛力，提高電動(dòng)汽車能源利用效率，保證電動(dòng)汽車質(zhì)量的可靠性。

表3 額定電壓選擇參考