激活新能源車的關鍵

李爾欣

IGBT是什么？

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（絕緣柵雙極性晶體管）的簡稱，一般由BJT雙極性晶體管和MOS絕緣柵型場效應管組成，是一種復合全控型電壓驅動式功率半導體。與其他功率半導體一樣，IGBT也可以承受高電壓和大電流，并且具有轉換交直流電、放大電信號、導通或阻斷電路等功能。

而在現實世界里，IGBT早已成為主流功率半導體產品，并被普遍用于多種場景。不僅在家用電器中能見到IGBT單管，同時，由IGBT與FWD續流二極管和驅動電路等一起封裝組成的IGBT模塊也已廣泛用于工業用電、交通工具、新能源應用等領域。

具體到以電動車為主的新能源汽車，針對日益普及的大功率高壓電氣部件，相關廠商陸續選擇用直接融合MOSFET金屬氧化皮膜半導體場效應晶體管，并且更耐高壓，還可輸出更大功率的IGBT取代從傳統燃油車那兒沿用過來的MOSFET。目前，IGBT正以翻倍的數量普遍被布置在新能源車的DC/DC變換器、OBC車載充電器等諸多電氣部件的周圍，用以頻繁完成相應的交直流變換與電氣控制工作。例如，在進行能量回收時，就要通過以IGBT為主要組件的逆變器，先把交流電轉換成直流電，才好充進電池里去。

車規的IGBT不一般

現役的新能源汽車，尤其是純電動車，所搭載的驅動電機無論是永磁同步型還是交流異步型，其實都屬于交流電機，故得先把電池提供的直流電轉換成交流電才能供應使用。因此在相應的電機控制器中必需配有IGBT模塊，以控制電驅系統的交直流轉換乃至電動機的電壓、電流等參數。這意味著，電機控制器里頭的IGBT模塊直接關系到驅動電機能否正常工作、以及能輸出多大的功率和扭矩。

同樣，混合動力車型所用的車載發電機，也需要通過IGBT模塊才能給電池充入直流電。可見，IGBT是真正激活新能源汽車的關鍵所在。順便一提，專用于汽車的IGBT模塊與用于其他工業領域的同類產品在功率損耗、驅動功率等指標上會有所不同。一般而言，汽車專用的IGBT模塊需承受200-900A的電流，以及400-1200V的電壓，并且考慮到在實際工作過程中，像驅動電機這種部件的IGBT輸出電流會急速上升，因此在選擇器件時還得留有余地。比如比亞迪F3DM的電池平時只有330V的電壓，但在車輛急加速時，驅動電機的IGBT卻要承受800V以上的電壓，所以其配備的是額定值高達1200V/600A的IGBT模塊。

功率半導體并非只有IGBT

雖然IGBT是新能源汽車身上的重要功率器件，但實際上MOSFET也仍有用武之地。譬如在48V輕混系統中，驅動功率在15kW左右時MOSFET已經夠用。事實上，新能源汽車制造商會根據需要選用IGBT或MOSFET。

硅or碳化硅？

按理說，這樣的IGBT功率模塊已足夠新能源汽車使用。但是，廠商永遠追求更高效的產品。于是，一些應用新材料的解決方案便應運而生。其中最有望取代現役Si硅基材料的，便是SiC碳化硅乃至GaN氮化鎵等寬帶隙半導體材料。事實上，盡管基于Si硅基材料打造的IGBT產品仍在迭代進化中，但早在21世紀初，英飛凌等海外廠商便已先后發布并投產基于SiC的功率半導體器件，諸如JBS結勢壘肖特基二極管、PiN功率二極管等SiC二極管，近年更已實現SiC MOSFET場效應管的量產。然后，就會輪到基于SiC的IGBT絕緣柵雙極性晶體管。

而廠商之所以青睞SiC碳化硅材料，那是因為相比Si硅基材料，SiC碳化硅材料可以承受更高的工作溫度以及更高的工作電壓。不僅如此，根據國內汽車廠商的測試數據，同等性能的半導體器件，基于SiC碳化硅材料制作的組件可比由Si硅基材料打造的組件的體積減少1/5，更可減重40-60%;并且在不同工況下，SiC碳化硅組件的功率損耗均下降60-80%。而這些數據反應到車輛身上，便體現為應用SiC碳化硅材料的功率模塊，可讓電動車的續航里程增加10%。

功率半導體的中國芯

目前在國際市場上，美國廠商的功率半導體份額總量仍處于領先地位，其后是日本廠商，而德國英飛凌的獨立IGBT功率晶體和IGBT模塊的市場占有率則分別位列世界第一和第二。中國雖說也有實力不俗的芯片設計廠商和制造廠商，但高端產品的核心技術仍被國外廠商壟斷，專業級生產設備也主要靠進口。不過，隨著《電力電子器件產業發展藍皮書》的發布，國內整個集成電路產業都已開始加速追趕。例如比亞迪便于2018年宣布已自主研發成功SiC MOSFET，并計劃于2023年全面取代現有的Si硅基IGBT系列產品。

特斯拉Model S用的是開放式IGBT晶體管陣列，而非IGBT模塊，原因據說是為散熱。而到最新的Model 3，特斯拉又改用有封裝的SiC MOSFET功率模塊。

只不過，目前碳化硅單晶材料的加工技術仍不夠完善，以至于在實際生產中，SiC晶體管的成本要遠高于Si晶體管。來自中科院電工所的數據表明，現階段SiC晶體管的成品率依然偏低，從而導致成本過高。例如，同等級別下，SiC MOSFET就比SiIGBT貴8-12倍。此外，以純SiC材料為基板的晶體管測試數據也不夠多，難以預料大批量投產后會暴露出怎樣的缺陷。因此，有研究認為，在繼續用Si硅基材料制造功率器件的同時，不妨嘗試用Si與SiC的混合材料打造功率器件。因為，從實驗數據看，混合材料功率器件所承受的電壓與電流均高于純SiC碳化硅材料制成的產品，并且得益于Si硅基材料晶體管的成熟生產工藝及相對低廉的價格，混合材料功率器件的成本還會低于純SiC碳化硅材料的版本。

當然，以上說法還僅限于理論分析，等到海外供應商在2030年左右率先投產以SiC碳化硅晶體為基板的功率器件后，事實自會揭曉答案：新能源汽車功率模塊的未來到底是屬于SiC等新型材料，還是由Si硅基材料繼續把持，抑或是由二者共享？結局值得期待！

IGBT進化史

早在上世紀80年代，就已經出現從MOSFET生產工藝中衍生出的IGBT產品，但正式量產應用則是在90年代。此后，盡管單晶芯片的蝕刻工藝從平面棚進化到淘槽柵欄，而垂直結構則從PT穿通到NPT非穿通，再逐漸到FS場截止、LPT弱穿通，但基板部是Si硅基材料。

倒是封裝技術日益復雜，在采用IC驅動電路以及各種保護電路之后，已經進化到IPM智能功率模塊，并逐漸向高電壓、大電流方向發展。今后，芯片基板很可能會改由Sic碳化硅材料制成，而封裝技術則進一步趨向智能化、模塊化。