IGBT的结构及在电动汽车上应用的关键控制因素

马南 潘圣临 王建武 刘顺平 盖裕祯

哈尔滨东安汽车发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

1 引言

在节能、环保的大趋势要求下，全世界的汽车厂商都在积极发展电动汽车（包括：混合动力汽车和纯电动汽车），目前中国已经成了全球最大电动车产销国，据中国汽车工业协会数据，2017年中国电动汽车的销量77.7万辆，同比累计增长了53%，其中纯电动汽车同比增长82.1%，继续保持高增长态势。IGBT作为电动汽车核心元件之一，也得到了非同寻常的重视和应用。

IGBT 全称是绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），是在金属氧化物场效应管（MOSFET）和双极型晶体管（BJT）基础上发展起来的一种新型复合功率器件，具有MOS管和BJT的所有优点，包括：输入阻抗高、开关速度快、饱和压降低、反偏耐受电压高、载流密度大、驱动功率小、热稳定性好等一系列优点（详见表1），因此成为了重要的功率半导体元器件，该器件为电动汽车轻量化、高性能和高可靠性奠定了基础。

表1 IGBT与BJT、 MOSFET性能比较

2 IGBT芯片结构分析

自1982年IGBT由GE公司和RCA公司首次公布以来，引起了世界许多半导体厂家和研发人员的重视，并且投入了巨资进行研发，制造工艺和器件设计经历了许多重要阶段的改进，各方面性能得到很大提高，总结起来如表2。

IGBT芯片是由几万个元胞（cell）组成，工艺上采用大规模集成电路技术和功率半导体器件技术制造而成，每个元胞结构如图1，由三部分构成分别是：正面MOS结构、体结构和背面集电极。

（1）目前的IGBT的体结构多为软穿通（Soft Punch Through，SPT）结构，该结构综合了穿通（Punch Through，PT）和非穿通（Non Punch Through，NPT）结构体的优点，在提升芯片应用功率等级的同时，却没有使通态压降和芯片衬底厚度同比例增加，而且，通过控制空穴注入效率，使IGBT获得了正温度系数，近年来出现的各种增强型技术和超薄片技术都是基于软穿通的结构。

（2）IGBT的集电极区结构与PNP晶体管的增益相关联，对正向压降与关断损耗有很大的影响，目前采用了透明集电极结构，控制了空穴注入，提高了整体寿命，实现了导通压降的正温度系数，并通过优化改进提高了IGBT关断速度及短路安全工作区特性。

（3）IGBT的正面MOS结构包含栅极和发射极区，栅极结构有平面栅（图2a）与沟槽栅（图2b）两种，平面栅结构的栅氧化层质量较好，其栅容较小，并且不会在栅极下方处造成电场集中而影响耐压，在高电压应用场合普遍采用这种结构的IGBT；而沟槽栅为纵向结构，消除了导通电阻中RJFET的影响，还有助于提高元胞密度，以及功耗降低，因此在中低压（1700V及以下电压等级）IGBT产品中得到了广泛应用。

表2 IGBT的重要发展阶段

图1 IGBT元胞结构

图2 IGBT栅极结构

图3 单管模块等效电路图

图4 三相桥模块等效电路图

3 IGBT模块结构分析

I G B T常见的形式是I G B T模块（Module），由IGBT与FWD（续流二极管）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，目前有多种形式的IGBT模块产品，根据应用领域不同内部还集成了各种驱动保护电路，极大地方便了用户的使用。

3.1 IGBT模块按其使用功能可分为：单管模块（如图3）、半桥模块、全桥模块、三相桥模块（如图4）等功能模块，以及应用于电动汽车上的七合一模块（整流、刹车、逆变，如图5）等。

IGBT模块较单管IGBT有许多优点，包括：一个模块内多个IGBT芯片经制造商的筛选，其参数一致性比分立元件更好；模块内部电路布局更合理，引线电感更小，寄生参数更小；模块的最高电压等级一般比单管高1～2等级，如单管最高电压规格为1700V，模块可做到2500V，3300V甚至更高的规格。

3.2 IGBT模块按封装工艺可分为焊接式和压接式两类，常见的焊接式封装结构如图6所示，主要包括母排电极、键合引线、芯片、焊层、衬板和基板几大部分，为了提高模块的可靠性及质量稳定性，要求各部分选用热膨胀系数相匹配的材料，而且散热特性优良，界面之间连接牢固。

IGBT模块的另一种封装形式是压接式封装，压接式具有无引线焊接，散热面积大，从而具有更优良的散热性、更高的工作结温、更低的寄生电感、更宽的安全工作区和更高的可靠性，其压接方式有两种，一种是利用精密压装设备将IGBT芯片封装在前后盖的壳体中，该封装工艺要求芯片厚度尺寸的一致性较高，压装设备对压力和压头的行程匀有精密的控制，如图7（1）所示；另一种是利用弹簧的弹力使芯片与基板可靠接触，如图7（2）所示，可以降低芯片厚度一致性要求。

图5 七合一模块等效电路图

图6 焊接式IGBT模块结构

图7 压接式IGBT（1）

图7 压接式IGBT（2）

4 IGBT在电动汽车上的应用

IGBT约占电机驱动系统及车载充电系统成本的40%，折合到整车上约占电动汽车总成本的7～10%，是除了电池之外成本第二高的元件，IGBT的性能也决定了整车的能源利用效率。IGBT在电动汽车上的作用主要是能量转换（交流直流之间互换），电压高低调节和能量控制（如图8所示），主要应用在两个系统中：

（1）电机驱动控制系统：整车控制器通过脉冲宽度调制（PWM）的方式控制IGBT，将电池的直流电转换成交流电驱动电机运转；或者将刹车、下坡工况回收的交流电转换成直流电给电池充电。

（2）充电系统，将电网的交流电通过IGBT转换成电池能接受的直流电，给电池充电。

4.1 电动汽车上的IGBT的选用

电动汽车上使用的IGBT要面临工作环境温度、湿度变化幅度大，电机峰值功率高，输出功率变化频繁等很多复杂情况，同时还要求IGBT具有产品一致性好、可靠性高、工作寿命长（与车同寿命），这些决定了电动汽车不能使用工业级的IGBT。对一个具体的应用来说，选择IGBT模块时要考虑其在静态、动态、过载的运行情况下的器件耐压，实际的冷却条件，开关频率，安全工作区（SOA）限制，最高运行温度限制等，下面对几个主要参数选择进行说明。

4.1.1 额定电压

IGBT模块的额定电压主要取决于电池输出电压特性，同时要考虑寄生电感、系统中di/dt等的影响，一般为电池电压的2倍以上，IGBT无雪崩额定值，因此，确保最恶劣条件下IGBT的电压低于器件的耐压值，英飞凌提供的选择建议如表3。

4.1.2 额定电流

额定电流的选择通常先计算通过IGBT的电流值，然后考虑电机峰值电流，同时要兼顾IGBT具有温度敏感性，随着IGBT温度上升可利用的电流会减少，因此需要根据实际的应用情况（散热条件，负荷大小）计算散耗功率，根据热阻核算最高结温不能超过IGBT的规定值限值，如果采用风冷或水冷，则可考虑采用电流值更小的IGBT模块，如果散热条件不好要采用电流更大的IGBT模块。

其次还要考虑安全工作区（SOA）的限制，允许通过的最大电流与工作电压、脉冲宽度密切相关，一般是2倍额定值的脉冲电流，这个脉冲电流通常指脉冲宽度为1ms的单脉冲通过的最大通态电流值，脉冲电流之间要有足够的间隔时间。

4.1.3 开关频率

IGBT的损耗主要由通态损耗和开关损耗两部分组成，而IGBT器件工作的最高频率也是由其总耗散功率、散热条件和结温共同确定的，对于开关频率＜10kHz时，通态损耗是主要的，这就需要选择低饱和压降型IGBT。而当开关频率＞15kHz时，开关损耗占比较大，通态损耗是次要的，需要选择短拖尾电流型IGBT。如果采用软关断技术，可提高器件的最终输出频率，例如：英飞凌KS4高频系列，硬件开关工作频率可达40kHz，若是采用软开关，可工作在150kHz左右。

4.1.4 短路安全工作区（SOA）

这种特性指器件能够在一定时间内承受通过终端输入的最大总线电压，并能够安全关断。在这种条件下，通过IGBT的电流将会达到其饱和状态，并有效控制系统的电流，同时耗散大量功率，在应用时除了适当选择安全工作区，一般IGBT与输出终端之间还应有一个电感元件，利用电感控制电流的上升速度，保护IGBT免受短路电流冲击。

另外还要求选用的IGBT的最大结温Tjmax≥150℃；C-E饱和压降VCEsat的值尽量低，关断软度好，具有正温度系数；模块热阻低，热容大等。

图8 电动汽车上IGBT应用原理图

4.2 IGBT应用的关键点

用IGBT制作电动汽车的逆变器和电机驱动控制器时，需要注意以下关键点：

（1）静电防护：IGBT是静电敏感器件，要在有防静电措施的环境中进行生产，操作者要穿着防静电服，佩戴防静电手环等，焊接端子的设备或电烙铁一定要接地。

（2）保护电路：IGBT模块在频率很高的环境下使用时，布线电感容易产生幅值很高宽度很窄的脉冲电压，使IGBT受到冲击而损坏，所以必须注意减少布线电感和元件的配置，应具有过流保护、过电压保护、栅极过电压及欠电压保护，过温保护等。

（3）吸收电路：由于IGBT开关频率高，容易产生浪涌电压，电路中必须设有浪涌钳位电路。

（4）并联使用：应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间温度不平衡问题。

（5）在连接模块内部的器件时，要严格控制连接模块的母线排的焊接压力、焊接温度和焊接时间，避免产生虚焊情况，以及对模块内部元件和其他电极焊接质量的影响。

4.3 IGBT模块散热设计要求

IGBT在工作中，会产生大量热损耗，如果热量不能及时排出，会导致IGBT故障而失去工作能力，造成电动汽车动力输出功能失效，因此，IGBT的散热设计必须得到足够的重视。

目前电动汽车中使用的IGBT散热有风冷和水冷，水冷因其有循环水进行冷却，散热能力更强，无论是何种冷却形式，在IGBT的散热设计都应关注以下几个关键因素。

（1）散热器的结构设计应根据使用环境和IGBT模块参数进行匹配设计，保证装置能在正常温度条件下工作；为了提高散热效率，通常在散热器与模块之间涂一层很薄的导热硅脂，并且要求模块与散热器均匀贴合不能有气泡。

（2）如果只有一个IGBT模块，该模块应安装到散热器中心位置，散热效果最佳；

（3）有几个IGBT模块时，应该根据模块发热情况留出相应的空间，发热大的应留出较大的空间。

（4）IGBT模块长度方向应与散热片的方向一致，以便减少散热器的变形；

（5）散热风扇应顺着散热片长度方向吹风，最大限度发挥散热效率。

5 结语

本文对IGBT的发展做了简要回顾，分析了IGBT芯片的结构特点与应用的关系，介绍了IGBT模块结构形式，对IGBT的主要参数选择，及应用中的一些关键控制点进行了分析，尤其是散热器的设计要点进行了阐述。我国的电动汽车已经进入了高速发展时期，IGBT既是电动汽车的统核心元器件，也是成本最高的零件之一，因此，对其全面认识，很好的应用才能发挥出它的全部潜力，提高电动汽车能源利用效率，保证电动汽车质量的可靠性。

表3 额定电压选择参考