20世紀中期出現(xiàn)了功率器件，經(jīng)過近30年的發(fā)展，MOS和BJT技術的結合催生出IGBT技術。IGBT經(jīng)過不斷更新，現(xiàn)已廣泛應用于車輛、焊接、航天航空等領域。本文介紹了IGBT的結構和工作原理，并對其在電動汽車領域的應用進行闡述，有助于從業(yè)者全面深入了解IGBT原理及其在電動汽車領域的技術發(fā)展。

隨著全球變暖和環(huán)境惡化加劇，為了緩解節(jié)能減排的壓力，我國提出了高目標。為了實現(xiàn)節(jié)能減排的目標，我國大力扶持發(fā)展新能源汽車。電動汽車動力總成的核心能源轉(zhuǎn)換單元式牽引逆變器，它可以將電池輸出的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?。車輛在工作時頻繁起停導致逆變器中的功率半導體器件需要承受各種沖擊力。逆變器的功率密度和電動汽車的動力輸出密切相關。車規(guī)級功率模塊的功率半導體器件主要包括碳化硅基功率金屬氧化物半導體場效應晶體管和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。

IGBT屬于復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件，它由雙極型三極管、絕緣柵型場效應管兩個部分構成，具有高輸入阻抗和低導通壓降等優(yōu)點。電力晶體管的飽和壓較低，載流密大，但工作電流較大；金氧半場效晶體管工作功率小，通斷速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT導通后的功耗很小，可以看作導線，斷開時的電阻很大，可以看作開路，具有高壓、大電流、高速三大特點，工作功率小飽和壓降低，適用于直流電壓為600 V及以上的變流系統(tǒng)。由于電動汽車對功率器件的耐壓性、耐高溫性、散熱性、穩(wěn)定性等性能具有很高的要求，IGBT相對MOSFET晶體管具有更優(yōu)的綜合性能，因此，IGBT成為目前電動汽車逆變器上的主流功率器件，并且發(fā)展?jié)摿薮蟆?  IGBT的結構   IGBT有柵極G、集電極c和發(fā)射極E，屬于三端器件。IGBT具有兩層P+注入?yún)^(qū)，這兩個區(qū)域構成了一個面積較大的PN結J1。當IGBT接入電路工作時，部分載流子從注入?yún)^(qū)P+發(fā)射到基區(qū)N，達到調(diào)至漂移區(qū)電導率的作用，因此，IGBT具有較強的通流能力。緩沖區(qū)介于P+注入?yún)^(qū)與N-漂移區(qū)之間的N+層。緩沖區(qū)有無IGBT表現(xiàn)出不同特性。有N+緩沖區(qū)的IGBT稱為非對稱型IGBT（也稱穿通型IGBT），具有正向壓降較小、犬斷時間短、關斷時尾部電流小等優(yōu)點，但其反向阻斷能力相對較弱。無N-緩沖區(qū)的IGBT稱為對稱型IGBT（也稱非穿通型IGBT）具有較強的正反向阻斷能力，它的其它特性與穿通型IGBT相比較差。

  IGBT驅(qū)動電路   IGBT驅(qū)動電路是由GTR與MOSFET組成的達林頓結構，此結構導通與斷開是通過控制柵極正負電壓來實現(xiàn)的。當柵極電壓為正時，GTR與MOSFET組成的達林頓管處于導通狀態(tài)；當柵極電壓為負時，GTR與MOSFET組成的達林頓管處于斷開狀態(tài)即不工作狀態(tài)。IGBT驅(qū)動電路等效電路簡圖如圖2所示。該電路可以放大單片機脈沖輸出的功率來間接驅(qū)動IGBT功率器件工作。   IGBT與雙極型電力晶體管的伏安特性曲線相似。當控制電壓UGE增加，特性曲線向上移動，改變UGE的電平可以控制IGBT的狀態(tài)（截至狀態(tài)、飽和狀態(tài)），因此常用在電源的開關中。  

IGBT的工作原理   IGBT可以看成一個PNP型晶體管（通過MOSFET驅(qū)動），與普通的PNP型晶體管相比，它的基區(qū)更厚，等效電路如圖1（b）所示，圖中的RN為PNP晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻，MOSFET為N溝道場效應晶體管，這種結構的IGBT稱為N溝道IIGBT，其符號為N-IGBT。類似的還有P溝道IGBT，即P-IGBT。   IGBT的電氣圖形符號如圖1（c）所示，IGBT是—種場控器件，它的開通和關斷由柵極和發(fā)射極間電壓UCE決定，若開啟電壓UCE（th）值小于柵射電壓UCE并且柵極電壓為正值，PNP型晶體管接收MOSFET內(nèi)部溝道中的電流，IGBT導通。這時，從P+區(qū)進入N-區(qū)的載流子對N-區(qū)實施電導調(diào)制，電阻RN（N-區(qū)）會逐漸降低，IGBT獲得一個較小的通態(tài)壓降。若柵射極間電壓UCE等于零或者為反向電壓時，MOSFET內(nèi)不會形成溝道，沒有載流子從P+區(qū)進入N-區(qū)對N-區(qū)實施電導調(diào)制，晶體管內(nèi)沒有基極電流，IGBT不工作即關斷。IGBT的驅(qū)動原理如下所示。   當UCE為負時：J3結處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。   當UCE為正時：UC< UTH，溝道不能形成，器件呈正向阻斷狀態(tài)；UG>UTH，絕緣門極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區(qū)產(chǎn)生電導調(diào)制，使器件正向?qū)ā?  1. 導通   IGBT硅片的結構與功率MOSFET的區(qū)別在于，IGBT比功率MOSFET多了P+基片和一個N+緩沖層（IGBT沒有NPT-非穿通結構），在管體的P_區(qū)和N+區(qū)之間應用基片建立了一個J1結。若正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，IGBT內(nèi)部形成N溝道，此時溝道內(nèi)形成電子流并形成一股電流。當形成的電子流的電壓在0.7 V范圍內(nèi)，P_區(qū)和N+區(qū)建立的J1處于正向偏壓，N-區(qū)內(nèi)進入部分空穴，這些空穴會改變N-區(qū)與N+區(qū)之間的電阻率，這種調(diào)節(jié)方式降低了IGBT導通的能耗，同時驅(qū)動了第二個電荷流。兩種不同的電流拓撲，即一個MOSFET電子流和一個空穴電流（雙極），臨時出現(xiàn)在半導體內(nèi)。   2. 導通壓降   應用電導調(diào)制效應可以降低電阻RN的值，減少通態(tài)壓。所謂通態(tài)壓降，是指IGBT進入導通狀態(tài)的管壓降UDS，這個電壓隨UCS上升而下降。   3. 關斷   柵極在得到一個負偏壓或柵極電壓低于門限值時，將不會形成溝道，N-區(qū)內(nèi)不會有空穴進入。所有情況下，在開關階段若MOSFET的電流下降速度過快均會引起集電極電流的降低，此時閡為換向開始后，少數(shù)的載流子任然存留在N區(qū)內(nèi)。關斷時電荷的密度會直接影響降低殘余電流值。電荷的密度與雜質(zhì)摻入的數(shù)量和拓撲、層次的厚度和溫度等因素有關，因此，降低殘余電流值（尾流）受多種因素影響，具有不確定性。集電極電流受N區(qū)內(nèi)殘留的部分載流子的衰減影響，出現(xiàn)特征尾流波形。集電極特征尾流會導致功耗變大、導通錯亂等問題。這種問題在續(xù)流二極管的設備上會更加凸顯。   因為殘余電流與少數(shù)的載流子的重組具有緊密的關系，所以，殘余電流的電流值應與芯片的Tc、IC、UCE、空穴移動性有重要的關系。   4. 反向阻斷   若集電極得到反向電壓，P_區(qū)和N+區(qū)J結會受到反向偏壓影響，同時因?qū)用婧穸冉档吞螅钄嗄芰适?，耗盡層則會向N-區(qū)擴展，此外，若區(qū)域尺寸增加超過一定的值，壓降也會連續(xù)地變大。   5. 正向阻斷   若集電[敏感詞]子獲得正電壓且把柵極和發(fā)射極進行短接，P_區(qū)和N+區(qū)之間的J結受反向電壓控制。   6. 閂鎖   PNPN晶閘管寄生在ICBT的集電極與發(fā)射極之間。晶閘管導通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖。在一定條件下，PNPN晶閘管會導通，集電極與發(fā)射極之間電流量變大，控制等效MOSFET的能力會下降，常常會引起器件的擊穿問題。   IGBT與電動汽車IGBT芯片發(fā)展歷程   回顧功率器件過去幾十年的發(fā)展，20世紀60年代，雙極型器件通態(tài)電阻很小，電流控制，控制電路復雜且功耗大。隨著工業(yè)的發(fā)展，對學術界提出了簡化驅(qū)動電路，降低制造成本和開關能耗、通態(tài)壓降的要求。20世紀90年代，IGBT在MOS與BJT集成技術研究的背景下被制造出來。   IGBT的出現(xiàn)并不是為了電動汽車服務，但是，隨著全球環(huán)境的惡化，電動汽車得到了發(fā)展，IGBT逐漸開始應用在汽車、交通等領域，并隨著電動汽車與IGBT的共同發(fā)展，IGBT芯片成為電動汽車不可或缺的一部分。電動汽車IGBT芯片發(fā)展歷程如圖3所示。   [敏感詞]代：IGBT的雛形，需要依靠提高N-drift來提高耐壓，關斷功耗和導通電阻都比較高，由于以上因素，[敏感詞]代IGBT止步于實驗室未得到普及使用。   第二代：PT-IGBT，耗盡層未能穿透N+緩沖層，基區(qū)電場加強呈梯形分布，通過降低芯片厚度來降低功耗。西門子公司是當時生產(chǎn)IGBT器件的代表性公司。20世紀末，西門子公司生產(chǎn)的BSM150GB120DN1（DN1表示[敏感詞]代產(chǎn)品），在600V電壓上具有良好的表現(xiàn)，但當電壓升至1200 V時，外延厚度變大，成本相對較高，同時可靠性降低（摻雜濃度及厚度的均勻性差）。   第三代：NPT-IGBT，離子注入技術取代外延技術生成P+集電極（透明集電極技術），可以很好地控制結深同時保證盡可能低的發(fā)射效率。關斷損耗是通過加快載流子抽取速度來實現(xiàn)的?；静挥绊懟鶇^(qū)原有的載流子壽命，同時對穩(wěn)態(tài)功耗的影響幾乎可以忽略不計，此時的IGBT已經(jīng)具備正溫度系數(shù)的特點，在穩(wěn)態(tài)損耗和關斷損耗間表現(xiàn)不俗。此時，IGBT代表性公司依然是西門子，其突破性地采用區(qū)熔法代替外延的批量產(chǎn)品。   第四代：Trench-IGBT，第四代較以往具有較大的改進，這次運用Trench結構，溝道從以前的表面移動到了垂直面上，增強了基區(qū)的PIN效應，增大了柵極附近載流子的濃度，電導調(diào)制效應有了一定的提升，導通電阻得到了降低，消除了JFET效應，柵極密度可以按需求增加。并且，第四代繼續(xù)繼承了第三代的集電極P+implant技術，引入了PT技術作為場終止層，提高了耐壓能力。英飛凌代替西門子成為引領企業(yè)，其減薄技術當時世界[敏感詞]，1200 V的時候，它的厚度可以做到120~140 um之間，600V時可以做到70 um以下。   第五代及第六代：第五代FS-IGBT和第六代的FS-Trench是在以前四次技術的基礎上對各種技術措施的重新組合。第五代IGBT是第四代產(chǎn)品“透明集電區(qū)技術”與“電場中止技術”的結合。第六代產(chǎn)品與第五代產(chǎn)品的區(qū)別是改進了溝槽柵結構。   IGBT在電動汽車領域應用   IGBT作為新型功率半導體器件的主流器件，在軌道交通、新能源汽車等領域均有廣泛的應用。目前，隨著生活節(jié)奏的加快，市場對新能源汽車的功率、安全、價格提出了更高的要求，IGBT的電流密度、功率損耗、穩(wěn)定性起著重要的作用。

電動汽車的發(fā)展與IGBT模塊的發(fā)展密不可分，電動汽車、充電樁及其相關設備都離不開IGBT技術的支持。電動汽車生產(chǎn)成本中，IGBT模塊占比超過了10%，在充電樁生產(chǎn)成本中占比接近１/５。IGBT在電動汽車領域主要應用于以下幾個方面：   1.電動汽車的控制系統(tǒng) IGBT技術用來控制大功率直流/交流（DC/AC）逆變?nèi)缓罂刂齐姍C的運轉(zhuǎn)，變流器是交流傳動系統(tǒng)中牽引核心部件，IGBT又是牽引變流器的關鍵部件。   2.車載空調(diào)控制系統(tǒng)使用電流較小的IGBT和FRD控制小功率直流/交流（DC/AC）逆變。   3.充電樁 IGBT模塊在智能充電樁中作為開關元件使用。   結語  

IGBT器件在大電流密度、低損耗優(yōu)化技術、高溫高壓技術和智能集成技術方面，均有較好的性能，在新能源汽車的功率模塊上得到了廣泛應用，具有較好的前景。但是，實現(xiàn)電動汽車IGBT芯片優(yōu)化技術大規(guī)模應用還需要進一步優(yōu)化溝槽柵精細程度、耐高溫高壓性、多功能集成技術等。

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